電動輪礦用車變流器典型裝配結構螺栓緊固扭矩衰減研究

俞鵬程，曹強，艾伍軼，郭寧平，李滔

（株洲變流技術國家工程研究中心有限公司,株洲 412001）

前言

螺栓緊固是電動輪礦用車變流器內部部件安裝的主要方式之一，幾乎涉及到所有部件的安裝。因此，螺栓緊固的可靠性是電動輪礦用車變流器可靠運行的重要保證。

目前電動輪礦用車承擔著世界上40 %煤、90 %鐵礦的開采運輸任務，在年開采量大于1 000萬噸的露天礦山中被當作首選運輸工具，因此對電動輪礦用車的需求極大。由于礦區道路多為臨時性路面，其不平順性遠高于普通公路，其車體振動條件比普通車輛更為惡劣。因此在進行電動輪礦用車變流器產品結構設計時，需要對螺栓緊固進行可靠性校核。然而螺栓緊固的扭矩均會產生不同程度的衰減，目前尚無相應的螺栓緊固的扭矩衰減數據，并缺乏系統有效的螺栓連接可靠性校核方法，嚴重制約了產品的結構設計工作。

為保證電動輪礦用車變流器的螺栓緊固可靠性，本文測試了電動輪礦用車變流器典型裝配結構螺栓緊固扭矩衰減特性，得出關鍵結構螺栓緊固扭矩衰減率。基于VDI 2230對功率模塊單元螺栓緊固進行可靠性校核，并通過設計功率模塊試驗工裝，進行振動試驗完成驗證。

1 緊固扭矩衰減測試

對螺栓進行扭矩衰減測試，根本目的是為了確認螺栓緊固后連接狀態是否合格。評估螺栓連接狀態是否合格的主要參數，是螺栓連接的預緊力是否滿足要求。對于扭矩控制法而言，首先要保證緊固過程中的裝配扭矩是滿足要求的，其次是要保證緊固后，螺栓預緊力經過衰減變化依然滿足要求。①緊固過程中，我們可以采用扭矩扳手，扭矩在線監測工具等來保證裝配扭矩是合格的。②緊固過程后，直接測量預緊力的方法因為成本高、操作復雜等因素，在大批量生產過程中是無法投入應用的。而扭矩卻是一個比較容易得到的參數，通常我們通過二次擰緊/擰松的方式獲取扭矩。

螺栓扭矩衰減測試原理為：采用檢驗用扭矩扳手（數顯/表盤）對螺栓進行再擰緊或擰松進行測量[1]，常用的方法分為兩種：①正向擰緊法，曲線如圖1（a）所示；②反向擰松法，曲線如圖1（b）所示。一般對于硬連接結構，通常擰緊曲線為平滑過渡型曲線，即擰緊曲線先陡直然后平緩上升；對于軟連接結構，通常擰緊曲線為轉折型曲線，即擰緊曲線會先陡直上升，后轉折下降，再平緩上升；其他中間部分連接，擰緊曲線可能會出現轉折跌落型曲線，即擰緊曲線會先陡直上升，后跌落下降，再平緩上升。

圖1 復驗扭矩曲線

本次測試通過二次正向擰緊的方式進行螺栓扭矩衰減測試：使用數顯扭矩扳手，選擇“預設”模式，設定扭矩值為額定扭矩值，角度控制為5 °，使用數顯扭矩扳手沿螺栓擰緊方向施加扭矩，當螺栓的接觸端面相互滑動超過預設角度時，扭矩扳手會振動提示即可釋放扳手，導出擰緊曲線，Tf2可用于間接評估預緊力的衰減。

電動輪礦用車變流器典型裝配結構按照安裝型式和部件材料可以歸納為這幾種：①金屬類器件與金屬骨架硬連接，②塑料類器件與金屬骨架硬連接，③環氧類材料與銅母排硬連接，④銅母排與銅母排硬連接，⑤金屬類器件與金屬骨架采用非限位密封結構軟連接，如圖3所示，⑥金屬類器件與金屬骨架采用限位密封結構硬連接，如圖4所示。

圖3 非限位密封結構

圖4 限位密封結構

表1給出了這幾類典型結構的扭矩衰減測試數據，其中測試得到的Tf2可用于評估組裝后的緊固扭矩變化。圖2給出了主要結構扭矩衰減率對比，由此可知：

表1 電動輪礦用車變流器典型裝配結構緊固扭矩衰減測試數據

圖2 礦卡典型裝配結構衰減率對比

① 對于金屬類硬連接，以接觸器和整車控制器為例，扭矩衰減在11 %左右；

② 對于塑料類硬連接，以電流傳感器為例，扭矩衰減在50 %左右；

③ 對于環氧類硬連接，扭矩基本無衰減；

④ 對于非限位密封結構軟連接，以功率模塊為例，扭矩衰減在55 %左右；

⑤ 對于限位密封結構硬連接，以功率模塊為例，扭矩衰減在11 %左右。

2 基于VDI 2230對螺栓緊固可靠性校核

由于功率模塊是電動輪礦用車變流器里單體重量最重的部件，并且存在采用限位密封結構裝配與采用非限位密封結構裝配的情況。因此本文以功率模塊的緊固螺栓為例進行可靠性校核和試驗驗證。

設計三組試驗工裝，采用某款功率模塊通過6顆螺栓緊固在夾具上，功率模塊重量為140 kg。第一組試驗工裝，模塊采用6顆M8鍍彩鋅螺栓進行緊固安裝，模塊與夾具采用非限位密封結構；第二組試驗工裝，采用6顆M10鍍彩鋅螺栓進行緊固安裝，模塊與夾具采用非限位密封結構；第三組試驗工裝，采用6顆M8鍍彩鋅螺栓進行緊固安裝，模塊與夾具采用限位密封結構。鍍彩鋅螺栓為GB/T 5783-2016《六角頭螺旋 全螺紋》標準規定的性能等級為8.8級的螺栓。

基于VDI 2230對上述三組試驗工裝螺栓緊固可靠性進行校核。初始條件為：功率模塊重量140 kg；依據電動輪礦用車變流器振動實測路譜最大沖擊載荷為垂向方向，大小為10 G；模塊緊固螺栓總共為6顆。

1）確定橫向最大載荷FQmax

考慮10 g沖擊,每個螺栓承受橫向載荷為

取m=140 kg，a=100 m/s2，n=6。

2）確定所需最小夾緊載荷FKerf

為了傳遞規定的橫向載荷FQmax，具有力傳遞內部分界面的給定摩擦夾緊連接，需要的最小夾緊載荷為

取qF=1，μTmin=0.12。

3）確定最小殘余夾緊載荷FKRmin通過剩余的螺紋力矩，確定最小的殘余夾緊載荷

① 確定第一組試驗工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin1為

取MG=11.9 N·m，d2=7.188 mm，P=1.25 mm，μGmin=0.08。

② 確定第二組試驗工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin2為

取MG=22.1 N·m，d2=9.026 mm，P=1.5 mm，μGmin=0.08。

③ 確定第二組試驗工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin3為

取MG=22.2 N·m，d2=7.188 mm，P=1.25 mm，μGmin=0.08。

4）確定抗滑安全余量SG[2]

由下式得出現有抗滑安全余量

① 確定第一組試驗工裝抗滑安全余量SG1為

② 確定第二組試驗工裝抗滑安全余量SG2為

③ 確定第三組試驗工裝抗滑安全余量SG3為

SG的推薦值為1.2，通過計算得出：SG1＜1.2，SG2＞1.2，SG3＞1.2，因此得出第一組試驗工裝有螺栓松脫風險。

式中：

FQmax—橫向最大載荷，N；

m—重量，kg；

a—加速度，m/s2；

n——螺栓個數；

FKerf—用于密封功能、摩擦夾緊和防止分界面單側松開所需的最小夾緊載荷，N；

qF—涉及螺栓可能滑動/剪切的內部分界面傳遞力的數量；

μTmin—分界面最小摩擦系數；

MG—螺紋扭矩，N·m；

d2—螺紋中徑，mm；

P—螺距，mm；

FKRmin—最小殘余夾緊載荷，N；

μGmin—螺紋最小摩擦系數；

SG——抗滑移安全余量。

3 振動試驗驗證

三組試驗工裝（如圖5）固定在振動試驗臺上，依據電動輪礦用車變流器振動實測路譜進行振動試驗，其中垂向沖擊試驗參數：半正弦波，10 g，脈寬最小0.01 s，15次。振動完后進行力矩測試，測試數據見表2。第一組試驗工裝，有1顆緊固螺栓已經松動；第二組試驗工裝、第三組試驗工裝，緊固螺栓沒有松動。因此通過振動試驗結果，可以說明統計分析的電動輪礦用車變流器典型安裝結構緊固扭矩衰減率是較為準確的，采用VDI 2230對螺栓緊固進行可靠性校核是可行的。

圖5 試驗工裝

表2 振動前后扭矩衰減測試數據

4 結論

由上述針對電動輪礦用車變流器典型安裝結構緊固扭矩衰減分析可知：

1）緊固扭矩衰減主要發生在塑料類硬連接結構、非限位密封結構軟連接結構，扭矩衰減率達到50 %以上。

2）模塊與夾具采用非限位密封結構，使用M8不銹鋼螺栓緊固安裝，開展完振動試驗后中間底部的螺栓松動。進一步采用限位密封結構的方式進行振動試驗，使用M8不銹鋼螺栓緊固安裝，螺栓無扭矩衰減和松脫現象。可以確定模塊螺栓松動主要由扭矩衰減過大引起。后續關鍵部件應避免使用非限位的密封結構，如果采用非限位密封結構，則必須要確保扭矩衰減后還能滿足使用要求。

3）基于VDI2230對螺栓緊固進行可靠性校核在電動輪礦用車變流器上是可行的。