基于VDI2230設計的軌道車輛螺栓扭矩緊固特殊過程控制方法研究

陸冠任 任東軍

摘 要：本文以新加坡地鐵車輛的螺栓聯接為例，介紹了基于VDI2230設計的螺栓聯接結構，結合ISO22613標準體系關于特殊過程的要求，識別出滿足扭矩緊固過程的控制參數，并結合新加坡R151項目的實施經驗確定其有效性，用于進行特殊過程控制。

關鍵詞：軌道車輛;螺栓聯接；特殊過程；扭力緊固；過程參數

1 螺栓聯接在軌道交通車輛的應用

近幾年，我國軌道交通系統發展迅速，截至2021年9月30日，大陸地區累計49個城市開通城市軌道交通運營，線路總長度8553.40千米，其中地鐵6737.73千米，占比78.77%；市域快軌運營里程865.21千米，占比10.12%；輕軌217.60千米，占比2.54%；現代有軌電車516.36千米，占比6.04%；中低速磁浮交通57.7千米，占比0.67%；單軌及其他系統158.8千米，占比1.86%，截至2020年底，全國城軌交通累計配屬車輛8342列。

螺栓聯接作為軌道交通車輛最常見的方式，以作者從事的新加坡R151項目車輛為例，全車帶力矩緊固要求的螺栓聯接數量（不含供應商供貨范圍）達12873處，其中轉向架裝配部分更高達332處。螺栓聯接直接決定了車輛的運行安全，為此軌道車輛的ISO22163體系將螺栓聯接對應的扭力緊固作為特殊過程進行要求和管理，但相對于焊接特殊過程可以參照EN1508標準和粘接特殊過程參照DIN6701標準而言，扭力緊固并無相關體系性標準。各主機廠在執行過程中，僅參考ISO22163的附加指導標準，從裝配操作過程和技術層面而言，難以執行且無法有效降低失效風險。

2 扭力緊固特殊過程的問題

扭力緊固作為ISO22163定義的15類中的第13種，應按IRQB guideline 6特殊過程的管理要求組織建立對應管理程序，相比較焊接和粘接體系，缺少相應的技術標準體系，而在整個ISO22613體系要求中，僅在其7.1.5.3中要求對“特殊過程中所使用的工具（如扭矩扳手和壓接鉗）”按監視和測量資源進行管理。這使得絕大多數體系認證和審核工作將控制扭矩扳手作為過程的重中之重進行控制，不僅浪費大量的人力和物力，而輸出的過程依然得不到保障，車輛的螺栓在運行過程中松動和斷裂的現象依然沒有改觀。同時以國內某地鐵項目和新加坡項目為對比，國內項目未按ISO22163要求進行力矩扳手管控，國外項目則嚴格按ISO22163要求進行管控，其對比結果為國外項目相比國內項目并無明顯的改善提升。

究其原因，則是當前針對扭力緊固，并未認識到其緊固的本質及作為特殊過程的要求。根據《機械設計手冊》定義，螺栓聯接的目的是讓兩個被連接體緊密貼合，并拉伸螺桿產生軸向預應力來夾緊兩個被連接件，以確保被連接零件的可靠連接和正常工作，即螺栓聯接的目的是獲得軸向預應力（簡稱軸力F）。通過GB/T 16823.3《螺紋緊固件擰緊試驗方法》可知，通過制作緊固樣件可對扭矩系數K，軸力F，螺紋摩擦系數μs，支撐面摩擦系數μw，總摩擦系數μtot進行測定。

特殊過程最早的定義來自ISO9000標準體系，指某些加工或裝配質量不易或不能通過其后的檢驗或試驗而得到充分驗證的過程（工序），對照螺栓聯接的扭力緊固無法經濟有效地獲得軸力F值滿足特殊過程的定義。螺栓聯接的扭力緊固特殊過程控制要解決的核心問題是，如何通過過程控制的手段保證軌道車輛上螺栓聯接部位的軸力F值符合設計的要求。

3 扭力緊固特殊過程的問題分析

3.1 基于VDI2230設計的螺栓影響軸力的因素分析

以龐巴迪公司的新加坡R151項目為例，螺栓聯接根據VDI2230進行設計開發，而在VDI2230中指出在螺栓安裝過程中有5個方面會影響軸力F，分別為：

a.相對于另一個面移動的接觸面間的摩擦比（可等同理解為摩擦系數μw及μs）；b.螺栓聯接結構的幾何特征；c.螺栓聯接結構的應力；d.扭緊方法；e.扭緊工具。五個因素展開分析如下。

3.2 軸力F及緊固扭矩T關系分析

依據GB/T 16823.2《螺紋緊固件緊固通則》定義，在彈性區內軸力F及緊固扭矩T關系可表達為T=Ts+Tw=（Ft/2（P/π+μs·d2·sec d））+（Ft/2·μw·Dw）=KFd，其中Ts定義為螺紋扭矩，Tw定義為支撐面扭矩，d為螺紋公稱直徑，μs為螺紋摩擦系數，μw為支撐面摩擦系數，Dw為支撐面摩擦扭矩的等效直徑，K為扭矩系數可等效為K=1/2d（P/π+μs·d2·sec d+μw·Dw）。

在輸入T和螺紋直徑d為定值的條件下，軸力F與緊固扭矩T的關系可認為與扭矩系數K正相關，或與兩個摩擦系數μw及μs正相關。即為確保獲得目標軸力，需對過程參數K或過程參數摩擦系數μw及μs進行測量監控，當過程參數穩定可控后，結果必然受控。

3.3 螺栓聯接結構的幾何特征

螺栓聯接結構的幾何特征分為宏觀幾何特征和微觀幾何特征。

3.3.1 宏觀幾何特征

宏觀幾何特征主要按以下分布討論：首先，分為單螺栓聯接和多螺栓聯接。其次，單螺栓聯接分為同心或偏心結構。然后，多螺栓聯接分為在一個平面直線上軸對稱、對稱和非對稱。不同的結構對應的螺栓聯接件受力而產生內部應力σ1分布及作用在螺栓上的應力σ2分布，從而改變軸力F的大小。

此部分在裝配中的影響為螺栓的緊固順序及被聯接工件安裝時是否需要夾緊。

3.3.2 微觀幾何特征

微觀幾何特征主要討論的是：a.螺栓或螺母頭與被夾緊面之間的不平整度；b.螺紋副的夾角（例如自鎖螺紋）、齒形及咬合間隙。

此部分在裝配中的影響為螺栓聯接結構的所有零部件的表面幾何尺寸需要受到控制。另外，在VDI2230標準中還給出一種極端情況，當有大于25μm的不平整度（例如壓痕）可能產生極限表面壓力，即聯接面之間為局部點接觸代替面接觸時，且接觸點的強度和硬度足以滿足給定扭力狀態下的目標軸力，雖然緊固成功，但聯接結構經過運行后點接觸部分壓潰從而產生失效。

3.4 螺栓聯接結構的應力

螺栓結構通過應力的疊加從而改變了目標軸力，導致螺栓聯接失效，主要影響軸力的應力包括：

（1）實際的聯接結構的工作應力與設計模型不一致。同時應考慮熱應力的參與導致材料特性發生變化。

（2）交變應力，由于交變應力無法準確預測峰谷值，從而導致與設計模型不一致。

（3）加壓表面（被夾緊面）的強度及硬度。主要表現為：被夾緊物體在長時間的力的加載下互相發生滲透，實際產生在被夾緊物體表面的壓強大于其表面壓強從而導致塌陷，同時還應考慮熱應力的參與。

（4）螺紋咬合長度，即要求螺栓長度應多于螺母或內螺紋結構3扣以上（參考標準DIN78）。另一方面螺母的強度等級應低于螺栓的強度等級。

（5）剪切載荷，原則上螺栓只受拉力，不承載剪切力。當承載剪切力時，需額外根據DIN50141標準要求施行剪切/孔彎曲壓力連接試驗進行結構驗證。

3.5 扭緊方法&擰緊工具

VDI2230中定義了一個“組裝不確定因數αA”用于確定扭緊方法，αA為同一規格條件下螺紋連接的允許軸力的最大值和最小值之比獲得。該數值越大，意味著螺栓軸力范圍越大，也就對安裝精度要求不高，反之則對安裝精度要求較高。

當αA值在1.4以下時，需要用專用緊固工具進行螺栓聯接，并控制安裝后的軸力或螺栓的彈性伸縮長度（例如汽車流水線工位上的擰緊軸）。αA值在1.4～1.6時，需要用轉角法來控制（帶轉角控制的高精度扭力扳手）。當αA值在1.6之上后，則可以用扭力法來控制（顯示力矩值的扭力扳手）。

綜合以上因素，將扭力過程中涉及的零部件質量影響和裝配方法影響列示如下表：

通過上表可以得出，摩擦系數μs和μw轉化到幾何特征和結構應力中，在結構應力中的工作應力、交變應力、剪切載荷，與組裝過程的產品質量和裝配方法無直接關系，為設計過程考慮的風險因素。部分與零部件供貨質量相關，為產品質量管理控制范疇，可采用APQP、PPAP、SPC、MSA等手段控制，其余與裝配方法過程相關的因素，即為產品的過程控制參數。

4 扭力緊固特殊過程的參數控制

通過以上分析，獲得基于VDI2230設計的螺栓，對應的過程控制參數歸納如下：

4.1 設計規定的αA，選擇合適的緊固方法和緊固工具

當采用αA值-扭矩法時，采用的扭力扳手不是過程控制參數，而是作為計量器具，易采用MSA分析控制工具精度的穩定性。

當采用αA值-轉角法及其他方法時，扭緊工具作為過程參數須嚴格控制，例如，采用班前試樣檢測的方式驗證工具是否合適。

4.2 確定產品是否需要夾持

采用螺栓聯接的組裝產品是否需要夾持，夾持方法是否有特殊要求，以避免與宏觀幾何特征下的受力發生變化。

4.3 被夾緊面的過程控制

該過程控制參數主要包括：被夾緊面的不平整度；兩個貼合面的配合狀態；表面強度（典型的，例如許多螺栓聯接面要求底漆，而不是面漆）；各種防松墊圈的安裝是否正確。

4.4 螺紋副的過程控制

該過程控制參數主要包括：內外螺紋表面是否需要清潔，表面鍍層是否被破壞，內外螺紋表面是否進行潤滑及潤滑是否充分（包括正和負潤滑），螺栓和螺母的等級是否匹配（以碳鋼螺栓為例，8.8級螺栓配合8級螺母）。安裝后螺紋預留長度是否符合設計要求。

4.5 熱應力的過程控制

該過程控制參數主要包括：裝配溫度、工作溫度、安裝摩擦熱消除（如控制螺紋旋進速度，采用冷卻液降溫）。

針對以上過程控制參數，以新加坡R151項目的某失效部位螺栓，采用DOE實驗設計參照組后對其螺栓聯接結構進行樣件制作，并按GB/T 16823.3螺紋緊固件擰緊試驗方法進行驗證。通過控制以上5個方面的參數，其樣件完全獲得的軸力完全達到了設計預期的軸力。并有效解決了螺栓失效的裝配過程問題。

5 基于過程參數的控制方法設計及實施

扭力緊固特殊過程的控制方法，可采用基于風險分析的方法進行設計，并按PDCA的原則實施。

首先，針對該特殊過程進行P-FEMA風險分析，其中風險分析的失效模式可重點傾向于過程參數失效。根據作者在《P-FMEA在軌道車輛制造業過程設計開發中的應用研究》一文的結論，將過程參數失效的措施對應到具體的5M1E的控制和改進，同時形成過程檢查標準，建立過程參數狀態記錄以用于追溯性管理。

其次，再依據過程風險發生的頻次，確定檢查計劃，頻次低的可采用過程參數抽檢，相反則可采用全檢或全過程監測。如果企業有條件，可在MES系統中進行數據采集開發，實現信息自動化。

最后，應定期地對特殊過程進行再確認，以保證5M1E滿足過程風險控制的要求。

結語

本文通過對ISO22613體系關于特殊過程的要求進行分析，以龐巴迪內部采用VDI2230設計制造的螺栓為研究對象，針對該特殊過程系統提出其過程參數，并結合新加坡R151項目的實施經驗，確定其有效性。國內外軌道車輛主機廠其扭力緊固過程的螺栓聯接基于VDI2230設計開發時可直接應用，對其他方式設計開發的螺栓聯接過程控制提供了一定借鑒。

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作者簡介：陸冠任（1987— ），男，漢族，吉林輝南人，學士，中級工程師，研究方向：智能制造及工業化。