智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

張　宏　中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動(dòng)車(chē)段

隨著我國(guó)高鐵動(dòng)車(chē)快速發(fā)展，檢修工作量爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)質(zhì)量管理提出了新的挑戰(zhàn)。螺紋緊固件作為生產(chǎn)組裝關(guān)鍵部件之一，其緊固、防松一直是日常檢修的重點(diǎn)內(nèi)容。在動(dòng)車(chē)組的檢修維護(hù)中，防止配件脫落一直是重中之重。尤其是日常拆裝作業(yè)量較大的軸端緊固螺栓，防控壓力極大。

在動(dòng)車(chē)所一、二級(jí)修中，螺栓拆裝作業(yè)量非常大，維修中有大量拆裝作業(yè)，如空心車(chē)軸探傷，每列車(chē)（標(biāo)準(zhǔn)組）探傷一次拆裝螺栓數(shù)量在1000個(gè)以上。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)普遍采用機(jī)械聲響式扭矩扳手，在實(shí)際操作層面，存在幾方面問(wèn)題：

（1）數(shù)據(jù)記錄不能反映扭矩真實(shí)值。以 CRH3型動(dòng)車(chē)組的FAG軸端蓋為例，要求螺栓扭矩為100N·m。真實(shí)情況應(yīng)該類(lèi)似99、102、98、99.5……但因?yàn)槁曧懯桨馐譄o(wú)法實(shí)時(shí)顯示扭矩大小，所有的數(shù)據(jù)記錄全是100N·m，不能反映真實(shí)值。

（2）存在扭矩快打現(xiàn)象。如前所說(shuō)，校驗(yàn)扳手時(shí)雖然合格，但在操作中往往速度過(guò)快，這使得螺栓扭矩普遍偏大。

（3）對(duì)扭矩偏大沒(méi)有有效的甄別辦法。當(dāng)扭矩偏小時(shí)，可通過(guò)聲響式扳手檢查出來(lái)并擰緊。當(dāng)扭矩偏大時(shí)，無(wú)法通過(guò)聲響式扳手甄別。而現(xiàn)場(chǎng)恰恰存在普遍的扭矩快打現(xiàn)象，甚至部分作業(yè)人員認(rèn)為扭矩大一點(diǎn)更安全，導(dǎo)致扭矩過(guò)大很常見(jiàn)。

（4）對(duì)扭矩?zé)o法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)管。以軸端為例，在進(jìn)行螺栓緊固過(guò)程中，往往對(duì)整列車(chē)全部組裝完成后才開(kāi)始填報(bào)作業(yè)記錄單，領(lǐng)導(dǎo)層不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

（5）存在漏打、錯(cuò)打的可能。目前數(shù)據(jù)記錄全為手動(dòng)記錄，且初次擰緊后漏打不易被發(fā)現(xiàn)，存在漏打、錯(cuò)打的風(fēng)險(xiǎn)。由于軸端、裙底板種類(lèi)較多，易出現(xiàn)人為失誤。

目前，動(dòng)車(chē)運(yùn)用所普遍采用的是聲響扭矩扳手，在開(kāi)工前采用扭矩儀對(duì)扭矩扳手進(jìn)行校驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用不同的模式時(shí)，檢測(cè)結(jié)果相差很大，無(wú)法有效卡控。然而，應(yīng)用智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)，使用精密扭矩緊固，高精角度卡控，對(duì)螺栓緊固過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，解決螺栓擰過(guò)緊或過(guò)松、重復(fù)擰緊等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)螺栓緊固過(guò)程進(jìn)行記錄，對(duì)相關(guān)信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，提出必要卡控措施，從而保證螺栓緊固到位。

1 機(jī)理分析

1.1 實(shí)際扭矩值和目標(biāo)值

目前在校驗(yàn)儀上普遍采用的是普通手用扳手模式，此時(shí)校驗(yàn)儀只采集第一個(gè)峰值，所以無(wú)論擰緊速度快或慢，只要扳手咔噠響了就表示扭矩值符合要求。采用數(shù)字扳手模式時(shí)，此時(shí)校驗(yàn)儀采集整個(gè)擰緊過(guò)程中的峰值遠(yuǎn)高于目標(biāo)值。該峰值是在擰緊過(guò)程中，扳手響時(shí)，未能立刻停止，在慣性作用下，扭矩在較短時(shí)間內(nèi)上升，產(chǎn)生了瞬時(shí)沖擊。而在實(shí)際擰緊過(guò)程中，最終施加在螺栓上的力矩，是全過(guò)程的峰值，比目標(biāo)值大的多。

圖1 校驗(yàn)結(jié)果

為此，對(duì)手用扳手實(shí)際擰緊過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，我們分別對(duì)23N·m、34N·m、45N·m 三種規(guī)格固定扭矩扳手進(jìn)行校驗(yàn)，如圖1所示，扭矩峰值高于目標(biāo)值的平均值分別為：6.23N·m、9.59N·m、8.35N·m，經(jīng)過(guò)手動(dòng)扭矩扳手緊固的螺栓的實(shí)際扭矩值超過(guò)目標(biāo)值約18%～28%。

1.2 動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩

動(dòng)態(tài)扭矩是指在擰緊的時(shí)候，檢測(cè)儀所測(cè)出的峰值；靜態(tài)扭矩是指在擰緊完成后，用分析扳手對(duì)螺栓進(jìn)行二次擰緊，螺栓再次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩值。

在真實(shí)螺栓上進(jìn)行測(cè)試，以觀察在真實(shí)擰緊過(guò)程中動(dòng)態(tài)扭矩值和靜態(tài)扭矩值，具體見(jiàn)表1和表2。

表1 目標(biāo)扭矩為20N·m的情況

表2 目標(biāo)扭矩為40N·m的情況

如表所示，動(dòng)態(tài)扭矩平均超出目標(biāo)值 23.9%左右，靜態(tài)力矩平均超出目標(biāo)值31.5%，并且結(jié)果很分散，兩次擰緊的結(jié)果相差可達(dá) 30%，以上數(shù)據(jù)與在校驗(yàn)臺(tái)上的校驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

2 測(cè)試驗(yàn)證

2.1 實(shí)車(chē)測(cè)試

在實(shí)車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證，選取CRH3型動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸箱裝置安裝螺栓進(jìn)行測(cè)試，一是對(duì)D型普通軸端蓋（螺栓加平墊片）安裝螺栓進(jìn)行驗(yàn)證，使用智能扳手對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊后（扭矩目標(biāo)值23N·m），再使用聲響式扳手進(jìn)行復(fù)核，螺栓有少許轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度在5°～10°。二是對(duì)B型接地端蓋，使用智能扳手進(jìn)行擰緊后，目標(biāo)值扭矩值有34N·m（適配器，螺栓加平墊片）、45N·m（摩擦盤(pán)，螺栓加平墊片）、23N·m（外端蓋螺栓，帶接地裝置，螺栓加彈簧墊片），使用機(jī)械聲響式扳手進(jìn)行復(fù)核，螺栓再次被擰緊，轉(zhuǎn)角角度分別為 0°～3°，10°～20°，25°～30°，甚至30°以上。

從上述試驗(yàn)可以看出，一是緊固扭矩越小，使用聲響式扳手復(fù)核時(shí)，螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大。因作業(yè)者每次緊固螺栓時(shí)的速度、沖擊力矩基本一致，（在扭力校驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，45N·m的最終沖擊力矩約53N·m，沖擊力矩比標(biāo)準(zhǔn)高8N·m，而23N·m的最終沖擊力矩約30N·m，沖擊力比標(biāo)準(zhǔn)高7N·m左右），在相同沖擊力條件下，小扭矩螺栓螺桿更容易被拉伸，導(dǎo)致小扭矩螺栓復(fù)核時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角要大。二是接地裝置端蓋相對(duì)于普通端蓋的相同扭矩螺栓的復(fù)核轉(zhuǎn)動(dòng)角要大。接地裝置端蓋內(nèi)的接地碳刷彈簧力，端蓋螺栓彈簧墊片的彈簧力對(duì)螺栓緊固存在反作用力，而普通端蓋僅平墊圈，二者在相同的預(yù)緊力、緊固力矩下前者因碳刷彈簧及螺栓的彈簧墊片兩個(gè)彈簧對(duì)螺栓螺紋施加了反作用力，而導(dǎo)致彈簧墊片未壓縮到位，在固定扳手沖擊力矩作業(yè)下，碳刷彈簧及螺栓的彈簧墊片進(jìn)一步壓縮，螺栓行程及轉(zhuǎn)動(dòng)角度加大，比普通螺栓單純拉伸螺栓螺桿的行程和轉(zhuǎn)動(dòng)角度要大的多。

這說(shuō)明在實(shí)際擰緊過(guò)程中，實(shí)際扭矩值的大小依賴(lài)作業(yè)手法，無(wú)法有效卡控。當(dāng)然，具體偏差的多少取決于螺紋形式、材料的軟硬、螺紋質(zhì)量和健康狀態(tài)、公差配合、潤(rùn)滑情況、作業(yè)者手法、使用的工具等復(fù)雜因素。但在螺栓擰緊過(guò)程中，螺栓故障主要體現(xiàn)在松動(dòng)和失效，螺栓松動(dòng)是因扭矩過(guò)小，螺栓失效是因?yàn)榕ぞ剡^(guò)大引起的。在螺栓緊固過(guò)程中，軸向力應(yīng)處于螺栓彈性區(qū)域，一般為屈服強(qiáng)度的 50%～85%之間，軸向力偏小易松動(dòng)、軸向力偏大則易產(chǎn)生螺栓失效。 如果擰緊時(shí)扭力過(guò)大，在低摩擦力狀態(tài)下，夾緊力可超過(guò)屈服應(yīng)力極限，造成螺栓損壞；反之，也可能達(dá)不到預(yù)緊力，出現(xiàn)螺栓松動(dòng)。因此，將扭矩控制在合格區(qū)間內(nèi)是螺栓安全緊固的最低要求，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)增大故障概率。

2.2 另一種驗(yàn)證

使用一種脫跳式扳手用于復(fù)核，該扳手在達(dá)到設(shè)定扭矩時(shí)，自動(dòng)脫跳，脫跳轉(zhuǎn)角在90°以上，有效防止慣性帶來(lái)的額外扭矩沖擊，可防扭矩過(guò)載。以下為在脫跳式扳手在扭矩扳手校驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行校驗(yàn)的數(shù)值。扭矩扳手校驗(yàn)平臺(tái)所采用的扭矩測(cè)試儀參數(shù)如下：量程：10N·m～100N·m，精度：±0.1%。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4和表5。

表3 23N·m脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)表（手持）

表4 34N·m脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)表（手持）

表5 45Nom脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)表（手持）

表6 扭矩測(cè)試結(jié)果表

23N·m、34N·m和45N·m脫跳式扭矩扳手各扭矩曲線如圖2、圖3和圖4所示（分別選取典型數(shù)據(jù)截圖）。

圖2 23N·m脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)（手持）

圖3 34N·m脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)（手持）

圖4 45N·m脫跳式扭矩扳手校驗(yàn)（手持）

扭矩測(cè)試值分析。選取 23N·m、34N·m、45N·m三種規(guī)格脫跳式扭矩扳手最大值、最小值及平均值進(jìn)行精度分析，具體見(jiàn)表6。

3 智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及在CRH3型動(dòng)車(chē)組空心軸軸端部件安裝上的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)背景

在動(dòng)車(chē)運(yùn)用所的動(dòng)車(chē)組空心車(chē)軸存在5種不同類(lèi)型的軸端，軸端部件和安裝程序相對(duì)固定。為了卡控裝配質(zhì)量，促進(jìn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合南京南動(dòng)車(chē)運(yùn)用所的車(chē)型配屬情況，研發(fā)定制針對(duì)軸端部件安裝智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)。

通過(guò)仔細(xì)分析空心車(chē)軸軸端部件安裝工藝文件，初步制定以下方案：采用移動(dòng)式智能控制小車(chē)的方式實(shí)現(xiàn)工具存放及過(guò)程引導(dǎo)，涵蓋軸端部件拆裝的所有步驟，實(shí)現(xiàn)扭矩精確控制、記錄作業(yè)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

該智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)目標(biāo)有：（1）作業(yè)人員身份識(shí)別，可以為不同管理層設(shè)置不同的管理權(quán)限；（2）真實(shí)記錄每一個(gè)扭矩值，確保安裝扭矩完全在合格范圍之內(nèi)，并將所有安裝力矩、作業(yè)人員、作業(yè)時(shí)間、零件信息電子存檔，以備數(shù)據(jù)追溯；（3）實(shí)時(shí)糾正現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)范操作，出現(xiàn)不合格情況實(shí)時(shí)聲光警示，彌補(bǔ)了以往只能事后追責(zé)但不能事前預(yù)警的缺陷，同時(shí)指標(biāo)量化、數(shù)據(jù)明確，有效輔助操作人員提高作業(yè)質(zhì)量，增強(qiáng)作業(yè)一致性和標(biāo)準(zhǔn)化；（4）對(duì)不同部位設(shè)置不同的擰緊標(biāo)準(zhǔn)，將擰緊次數(shù)和扭矩值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，有效規(guī)避了漏打、扭矩錯(cuò)打的情況；（5）扳手無(wú)線接收電腦發(fā)送的扭矩值信息，并智能調(diào)整作業(yè)扳手扭矩大小；（6）具有扭矩工具擴(kuò)展模塊，兼容其它車(chē)型檢修時(shí)，可進(jìn)行工具配置的靈活調(diào)整。

3.3 設(shè)計(jì)方案

3.3.1 總體方案（見(jiàn)圖5）

設(shè)置扭矩操作模塊、身份識(shí)別模塊、無(wú)線通訊模塊、服務(wù)器、扭矩分析管理軟件模塊，各模塊實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖5。3.3.2樣機(jī)制作

圖5 各模塊實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)方案

將扭矩操作模塊、身份識(shí)別模塊、無(wú)線通訊模塊、扭矩分析管理軟件布置與移動(dòng)式扭矩監(jiān)管操作小車(chē)上，方便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和監(jiān)管。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及功能（見(jiàn)圖6）3.3.4軟件設(shè)計(jì)

圖6 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

系統(tǒng)的軟件部分主要包括：后臺(tái)管理客戶端、扭矩工作站客戶端、網(wǎng)頁(yè)客戶端三個(gè)模塊（見(jiàn)圖7）。

圖7 軟件系統(tǒng)構(gòu)架

（1）后臺(tái)管理客戶端包含三部分信息維護(hù)：

①基礎(chǔ)信息維護(hù)：用戶信息維護(hù)、系統(tǒng)設(shè)置、職務(wù)設(shè)置、部門(mén)設(shè)置、角色設(shè)置。

②通用基礎(chǔ)信息維護(hù)：基礎(chǔ)車(chē)型信息維護(hù)、車(chē)間-工作站信息維護(hù)、工作站-扳手配置維護(hù)、螺栓規(guī)格信息維護(hù)、套筒類(lèi)型配置維護(hù)、工藝文件維護(hù)。

③作業(yè)方案信息配置：零部件信息維護(hù)、組裝類(lèi)型信息維護(hù)、組裝方案信息維護(hù)。

（2）扭矩工作站客戶端包含：作業(yè)任務(wù)接收、螺栓擰緊控制、實(shí)時(shí)作業(yè)反饋、安裝結(jié)果查看和提交等。

（3）網(wǎng)頁(yè)客戶端包含：作業(yè)任務(wù)信息統(tǒng)計(jì)、作業(yè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與查詢(xún)等功能。

3.4 軟件界面

具體見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 作業(yè)界面

圖9 作業(yè)界面

3.5 軸端部件安裝效果（圖10、圖11）

圖10 擰緊螺栓　

圖11 擰緊狀態(tài)

3.6 扳手日常校驗(yàn)方案

扳手校驗(yàn)規(guī)定。根據(jù)電動(dòng)扳手出廠設(shè)定，扳手的按鍵使用達(dá)到25萬(wàn)次后，一般為半年，需要對(duì)扳手的準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能扭矩監(jiān)管系統(tǒng)具有測(cè)量精確，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組上螺栓的最佳緊固，從而使螺栓緊固得到有效控制。后期可將該系統(tǒng)進(jìn)行推廣，使其廣泛應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組的日常檢修維護(hù)。