冷热工艺 文章编号：１００７－６０３４（２０１８）０４－００１８－０２ 机车车辆工艺 第４期２０１８年８月 ＤＯＩ：１０．１４０３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－６０３４．２０１８．０４．００７ 螺 栓先进拧紧技术在轨道交通装备中的 应用及展望 金健生 ，沈 豪 ，胡小山 （１．上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海２０１８００； ２．申通南车（上海）轨道交通车辆维修有限公司，上海２０１８００； ３．中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州２１３０１１） 摘 要：文章简述了螺栓拧紧过程中常用的拧紧方法、监测技术及其在轨道交通关键部件中的应 用；分析展望了先进螺栓拧紧技术对提高轨道交通装备产品质量水平的重要意义。 关键词：螺栓；拧紧技术；轨道交通；扭矩；转角 中图分类号：Ｕ２６０．７ 文献标识码：Ｂ 在螺栓实际装配拧紧过程中，直接测量预紧力 是很困难的，都是间接通过其他手段来实现对预紧 力的控制，如扭矩控制法、转角控制法、伸长量控制 法等。因此，螺栓装配过程中的拧紧方法、监测策略 ３３％ ，这就意味着在一组螺纹连接中，最紧处连 接的预紧力可能是最松处的２倍甚至更多。 １．２转角控制法 转角控制法可以在螺栓的弹性区和塑性区使 用，是在拧紧过程中将螺栓与螺母的相对回转角度 以及拧紧装备等，也就是拧紧技术对螺纹连接拧紧 后预紧力的离散有着决定性的影响。 （紧固转角０）作为指标进行初始预紧力的控制 方法。 １ 螺栓连接装配中常见的拧紧方法 根据拧紧过程中控制参数（扭矩、转角、伸长 量）的不同，螺栓装配过程中基本的控制方法可分 为扭矩控制法、转角控制法以及伸长量控制法。 １．１扭矩控制法 螺栓拧紧时，理论上，螺母（或螺栓）的旋转角 与螺栓伸长量有一定的比例关系，而螺栓的伸长量 与轴向预紧力成正比（忽略扭转变形对伸长量的影 响）。因此，可以通过控制拧紧过程中螺母（或螺 栓）的旋转角来达到对螺栓预紧力的控制。转角控 扭矩控制法通常适用于弹性范围内控制螺栓的 预紧力。在扭矩控制法中，把扭矩作为拧紧过程的 控制变量，通过设定目标扭矩并拧紧到该目标扭矩， 从而实现对预紧力的控制，是应用最广泛的一种扭 制法主要受螺栓几何精度的影响，如螺距误差、中径 误差、杆身直径、光杆部分长度等的影响。 需要注意的是，在最初拧紧时，先要确定螺栓的 贴紧扭矩，使被连接件达到紧密贴合，然后再转过一 个预定的角度，即为旋转角度拧紧法，这种方法又称 之为“扭矩转角”法。转角法的拧紧精度通常高于 扭矩控制法，特别是在螺栓塑性区域内时，其夹紧力 的偏差可达到±９％～±ｌ７％¨ 。 １．３伸长量控制法 矩控制方法。 影响扭矩法精度的因素主要是螺栓／螺母的材 质、尺寸精度、表面处理状态、环境温度（湿度）、拧 紧速度等的不同，从而影响拧紧过程中摩擦因数 （或扭矩系数）的离散程度。螺栓拧紧过程中，由于 ９０％以上的扭矩是用来克服螺纹副、螺栓头部（螺 母）支承面的摩擦力的；因此，摩擦因数的离散程度 对螺栓预紧力的控制有直接的影响。在生产过程 螺栓伸长量控制法就是通过直接测量螺栓的伸 长长度来控制螺栓的装配预紧力，是一种较为直接 的方法，预紧力的控制精度也比较高。根据胡克定 律，螺栓在弹性阶段的伸长量跟螺栓所受的应力成 正比关系。 “螺栓伸长量”的测试法很多，红外测长法、超 声测长法等；其中，超声波测螺栓伸长量的方法应用 中，螺栓预紧力的离散值可以达到±１７％～± 收稿日期：２０１７—１２—１９ 作者简介：金健生（１９７２一），男，工程师，本科。 １８ 金健生．沈 豪，胡小山 螺栓先进拧紧技术在轨道交通装备中的应用及展望 最为ｒ泛 ｆｌ｝｛Ｋ 柠删法能够即时监测螺栓装眦过 程轴向颅紧 Ｊ的变化 ｈ＇ｉ况，并｝｛Ｊ能够监测到螺栓的 变肜足 达剑 域 仲长ｌｉ－｝法控制的轴向预紧力排除Ｊ 扭 系数、 哮擦ｆ＾４数、接触 ｝ 、做连接件变形、装配Ｉ 的精 度等 粜的影响，Ｉ１ｆ以捩得很高的螺栓预紧力精度 ｆｒ｝址，洲城蝶柃的ｆｆ｝ ＩＫ｝ 对装嵛的要求比较岛；川 时， 扭 榨 法故转角控制法的装配效牢 ，所 以Ｈ ｆｊｉ『Ｊ 川Ｊ小』 ｒ‘泛 ２先进拧紧技术在轨道交通装备中的应用 现代拧紧控制技术是以扭矩、转角的控制为核 心，以ｆ 感技术、ｆ ｛动控制技术和网络技术 技术于 段的允逊拧紧技术 ·疗面使得一些新的拧紧控制 力‘法的Ｊ 川成’工Ｊ＿ＩＪ‘能． ｊ一方面也催生 新的拧紧 控制技术，如抓 ｊ转角联合控制、屈Ⅲ迂点控 制等 桀轨道交通父键零部件供应商用１－制动盘螺栓 拧紧的６轴拧紧机，【ＩＪ‘以实现６轴同【Ｉ寸拧紧 陔拧 紧装箭通过１个总 机构控制６根拧紧轴的分控机 构；６个分 机构ｎｒ以将各拧紧轴的输ｍ抓 反馈 刽总拄ｆＪＬ卡勾， ｊ Ｍ拧紧轴问的输ｍ扭矩的瞬时偏 差过大ｉｌ，ｌ‘．总 机卡ｌＪ将 动拧紧等待功能，从而保证 ６根拧紧轴 ｝ｉ１ｆ拧紧．防止单根螺１：全逐步拧紧叫‘的 相 影响，提高螺栓颅。紧力的一致性 同｝１１ｆ．通过 拄制，ＩｌＴ以仃效地控制螺栓的拧紧顺序，防止漏拧 或过拧的发，ｆ 代拧紧控制技术借助于 动化千¨智能化螺ｌ柃 装 系统，通过这 ＿匕螺 装配系统的扭 传感器、转 角传感 、Ｋ ｝ 传感 等及其反馈过来的信号，实 对拧紧过 进 ｆＩｌ广１动判断拧紧质 』 １址 动１ 轮箱组装牛产线智能化圳造 执仃系统一ｌＪ的螺怜 能拧紧系统的１ 作示意图 陔 系统采川螺怜拧紧 能控制系统以 集成扭 传感 、『ｆ】瞍ｆ冬感 、陀蝶仪、微 片机等无线数控电 动 扳ｒ．｝Ｉ Ｊ，拧紧过程参数的 测Ｉ＿＿ｊ反馈功 能，能够 Ｊ 刖…Ｊ 纹装配的漏装、错装以及 丁 牙、斜孔 ｆ Ｊｌ 的片 ｊ 装 ，能够实脱不同拧紧阶段 拧紧述 的 制等 为＿ｒ避免拧紧过 中的过冲现象的发牛， ｌ『以 采片ｊ分段 制拧紧速度的策略（见 ２）， 拧紧 卡ＪＪ始阶段以较怏的转速拧紧， 接近日标扭矩时采 川慢速 紧的策略 圜 ｝ｊｆ｛ 通过 雌洲ｌ 具． 数： ｌＩ 动扭 Ｊ扳ｒ．川以：悔 ： ｃｆ；ｌ】的数蜊ｆ‘输剖睢 好器 冬｛Ｉ 螺栓鹤ｒ能拧紧系统 』 １ｆ＿：吐Ｊ ２ ｊ 紧速度ｆ＿ｆ０分。段 ：击《 在采用扭矩拧紧法时，采川 测转角的策略，刈 拧紧过程做监控 通常， 一个ｉｌ ｊ 勺拧紧过程ｌＩｌ， 拧紧达到日标扭矩的时候，拧紧ＪｉＪｉ＝转过的角度会落 一个合理的范『韦Ｉ内．即临测商Ｉ【Ｉ』、Ｊ（ ３）． 【Ｉ！Ｊｌ 系统报警 ．例如，发生 牙ｌＩｌｆ，十儿 达到丁没定 ． 仉是转角值较正常值明 偏小，落 ｝ 测窗Ｌ Ｊ之外， 系统报警 ■ 『 ｒ ３ 引【 ０转ｆ『ｊ的 删 通过陔系统的心川，（ｉ－ 轮ｆ０动系统的螺 中，有效地实观父谜螺伶的 陔系统还 箭 拧紧数据的ｆ１动采集、Ｉ ｆ０、仃储功能， 现ｒ拧紧 顷量的追溯性；同时，通过对仔储数执 以７支拧紧ｆｆＩ１线 的分析，可以帮助１ 设汁过 帅／ｆ 断优化产ｒ 的 拧紧Ｔ岂 此外，和偕电力机，｝ 的从动 轮街罔与 轮毅 的装配，５０个Ｍ２４的内六『ｆ】螺伶采川自动化的电动 拧紧机，不但实现＿ｒ过程的雌洲．…ｌ｛１ｆ对／ｆ 同螺栓 （下转 ２４ ） 冷热工艺 机车车辆工艺 第４期２０１８年８月 图４ 顶盖安装及矫正工装 与螺座进行配装的工艺，通过在主发室主体上模拟 图３ 主发室专用固定工装 车体总组装工序安装密封条，然后吊装顶盖并根据 螺堵位置确定安装座的位置后进行焊接组装，安装 后须拆掉密封条以便于后续进行酸洗、油漆工序。 为了提高顶盖的互换性，更便于安装主发室顶盖，将 栓、封板、底架蒙皮全部完成，且所有焊接位置全部 处于平焊、平角焊位置，焊接质量得到保证。利用该 翻转胎，底架装配及蒙皮的组装焊接简单高效，质量 稳定。 安装座的圆孔改成长圆孔，使得后续车体总组装操 作简单方便。 （３）首先调整蒙皮拼接的工艺，将原来的横向３ 段拼接改为纵向２部分拼接。拼接焊缝由２条横向 的焊缝变为１条纵向的焊缝，不仅减少了焊接工作 ５ 结束语 本文总结了生产中遇到的实际问题，提出了行 之有效的解决方案。通过采取这些措施，提高了生 量还减少了焊接热输入，减少焊后变形。其次，设计 了专用组装及矫正工装（见图４），该工装使用后，不 仅使组装操作简单易行，并且通过使用Ｆ夹将工件 紧固在工装上然后再进行焊接操作，这样可以部分 抵消焊接引起的变形，焊接后的矫正、打磨工作均在 产效率。主发室操作人员由６人减少到５人，生产 进度由３天／台份提高到２天／台份。产品一次交检 合格率也达到了１００％。 参考文献： ［１］王国凡．钢结构焊接制造［Ｍ］．北京：化学工业出版社．２００９■ 此工装上完成，并且一般工人经过培训后即可以进 行操作，效率大大提高，质量也非常稳定。 （４）为确保安装座位置的正确，提出了安装座 （编辑：匡 玲） （上接第ｌ９页） 置的装配顺序，以及更为复杂的分步装配也通过编 程控制。ＨＸＮ５的柴油机连杆螺栓，利用先进的拧 代先进拧紧技术，使得轨道交通行业的螺栓拧紧装 配技术进人一个新的阶段。但是，同汽车制造行业 以及航空航天行业相比，轨道交通行业对螺栓的先 进拧紧技术的应用还不够广泛，特别是复兴号标准 动车组的上线运行，其持续运行速度达到３５０ ｋｍ／ ｈ，对螺栓连接安全可靠性的要求更高。螺栓的先 进拧紧技术的应用，将是轨道交通行业未来一段时 间螺纹连接技术努力的方向。 参考文献： ［１］ＶＤＩ ２２３０—１—２０１５ Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ Ｊｏｉｎｔｓ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｏｌｔ［Ｓ］． ［２］黄恭伟．螺纹拧紧技术研究及拧紧机控制系统设计［Ｄ］．合肥 工业大学硕士学位论文，２００７． 紧设备，结合扭矩＋转角的策略，实现了连杆螺栓屈 服紧固的精确控制 。 ３先进拧紧技术应用展望 现代先进拧紧技术以扭矩、转角曲线的控制为 核心，将基于信息技术的管理控制系统应用于自动 拧紧装配线，利用现代传感技术、自动控制技术和网 络技术，对整个拧紧过程的人、机、料、法、环、测各个 环节实现自动化、智能化管理和监控。 现代先进拧紧技术，完成对关键工序的实时质 量监控和数据跟踪采集；能够实现防止漏拧紧、防止 拧紧顺序错误、防止零件漏装等；解决了螺栓装配预 紧力控制精度、实施过程监测、可追溯性等问题，大 大提高螺栓的装配质量和管理水平。 基于传感技术、自动控制技术和网络技术的现 ’４ ［３］金文伟，唐志华，尉海东，等．制动盘螺栓拧紧设备的开发与运用 ［Ｊ］．装备制造技术，２０１３（１０）：８９—９０． ［４］Ｖｏｌｋｅｒ Ｓｃｈａｔｚ著，朱正德译．实现螺栓可靠装配的１Ｏ个步骤 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０． ［５］华军．ＨＸＮ５型机车柴油机连杆高强度螺栓屈服紧固实例分析 ［Ｊ］．内燃机车，２０１０（３）：２３—２５． ■ （编辑：李 丹）
