轨道交通车辆风缸箍带安装螺栓拧紧特性与复检标准研究

引言

随着株机公司螺栓连接管理体系逐渐完善,对螺栓紧固特殊过程的质量要求也逐渐提高,公司实验室各类螺栓实验设备丰富了螺栓连接检测手段,从各个方面对螺栓连接的性能进行验证,最大程度保证了轨道交通车辆中螺栓连接的性能。

在轨道交通车辆中,风缸箍带安装螺栓属于一种复杂柔性连接螺栓,有多个方面可对其性能产生影响,因此研究难度极大。在实际运用过程中,客户针对此螺栓的复检扭矩及紧固性能提出问题,本文以现有检测条件为基础,针对风缸箍带安装螺栓的拧紧特性与复检标准进行研究分析。

1风缸箍带基本安装结构

风缸箍带是由箍带座、不锈钢螺栓/锁紧螺母、不锈钢箍带及橡胶垫组成,如图1所示。不锈钢箍带与橡胶垫共同包裹着风缸,通过螺栓/螺母连接固定。箍带会穿过箍带座,并随箍带座将风缸固定在车下。

图1 风缸箍带结构

2拧紧过程特性研究

采用数显扭矩扳子拧紧风缸箍带螺栓,每转30°实时读取扭矩值,直至扭矩达到设计扭矩23N·m,根据数据绘制扭矩一角度曲线,如图2所示。

由扭矩一角度曲线可知,风缸箍带螺栓拧紧角度超过4圈,属于典型的柔性螺栓连接,扭矩随角度增长而增长,且角度越大,扭矩增长速率越快。

3轴力衰减特性研究

柔性螺栓连接的特点之一是扭矩的衰减量大,而扭矩的衰减会影响轴力,最终造成风缸箍带的包裹力不足,从而产生风缸掉落的风险,因此需对轴力的衰减进行研究。螺栓轴力的测量可采用超声波螺栓轴力测试仪完成,通过测量超声波在螺栓中传播的信号变化,计算分析出螺栓轴力的变化。螺栓轴力的测试方便快捷,不受空间限制,可以在生产现场直接测试。

以下为先后3次进行螺栓轴力衰减测试的结果。

3.1装车产品测试

在装车的风缸模块上选取5个风缸箍带螺栓进行轴力跟踪测试,分别在7月28日安装后、4h后、9月8日装车运行后进行测试,测试结果如表1所示。

由表1可知,螺栓夹紧力在4h后即衰减较为严重,衰减最多的4号螺栓只有初始值的35.,衰减较少的2号螺栓约为初始值的60%。而动调后的衰减只有4h后的50%～60%,与初始安装的值相比,动调后夹紧力衰减到只有初始值的20%～30%,说明箍带螺栓轴力确实衰减比较严重。

3.2柔性与刚性螺栓连接对比实验

在实验室选取5个螺栓分别编号1～5号,其中1号作为对比实验样品直接紧固到刚性装置上,2～5号分别紧固到4根箍带上,紧固力矩23N·m。每隔一段时间测试一次轴力变化,并绘制轴力随时间变化的曲线,如图3所示。

由图3可以看出,刚性连接螺栓轴力衰减较慢,140min只衰减至初始轴力的90%左右。风缸箍带螺栓轴力在前30min衰减快于刚性连接,约衰减至初始轴力的40%。30min以后轴力衰减较慢,近似于刚性连接,140min时轴力衰减至初始轴力的30%左右。这说明箍带螺栓轴力的衰减主要发生在30min以内。

3.3橡胶垫对轴力衰减的影响

在实验室选取2个风缸箍带,其中一个将橡胶垫取出后安装,另一个正常安装,紧固力矩23N·m。每隔一段时间测试一次轴力变化,并绘制轴力随时间变化的曲线,如图4所示。

由图4可以看出,有无橡胶垫螺栓轴力衰减速率差不多,无橡胶垫时螺栓紧固后的初始轴力会高于有橡胶垫,因此橡胶垫不是造成轴力衰减的主要原因。

4螺栓复拧工艺研究

由轴力衰减特性分析可知,30min左右是螺栓轴力衰减速度由快到慢的转折点,因此,为获得良好的轴力特性,既有较高的轴力又能衰减缓慢,制订了在30min对螺栓进行复拧的工艺。

复拧工艺有两种:扭矩法和转角法。扭矩法是指以相同的设计扭矩进行复拧,而转角法是指使用扳手将螺栓旋转一定角度。对这两种复拧工艺拧紧效果分别进行实验研究分析。

4.1扭矩法工艺研究

在实验室选取5个螺栓分别编号1～5号,分别紧固到5根箍带上,紧固力矩23N·m,在30min时复拧23N·m。每隔3min测试一次轴力变化,并绘制轴力随测量次数变化的曲线,如图5所示。其中2、3、5号螺栓复拧时未转动。

由图5可以发现,复拧能够让轴力得到提升,而且复拧后轴力的衰减速率与未复拧的基本一致。然而,有3个螺栓复拧时未转动角度,其轴力也未得到改善,可能的原因是此时螺栓的残余扭矩并未同轴力一样大幅衰减,因此在复拧时同样的扭矩无法转动。

4.2转角法工艺研究

选取一个正常安装的风缸箍带螺栓,在安装后30min按一定的角度进行复拧,每转309测量一次轴力,绘制轴力一角度曲线,如图6所示。

由实验数据可知,复拧一定的角度能够让螺栓轴力得到线性提升,因此采用转角法复拧是一种可靠的复拧工艺。

2扭矩复检标准研究

为检测螺栓紧固效果,一般采用扭矩扳子按一定的扭矩标准对螺栓再次拧紧,如螺栓转动角度则不合格,这种检查方式就叫扭矩复检。风缸箍带螺栓为柔性连接,且扭矩衰减影响因素很多,因此需研究扭矩复检的标准,确定扭矩复检标准采用的方法是螺栓残余扭矩检测法。

共选取116个风缸箍带螺栓进行残余扭矩检测,采用数显式扭矩扳子,在螺栓产生微小转动时读取扭矩值,将测得的数据统计汇总,绘制数量一扭矩柱状图,如图7所示。

由图7可以看出,螺栓残余扭矩呈正态分布,计算残余扭矩的平均值为18.5N·m,标准差为2.5,螺栓复检标准一般为平均值上下3个标准差的范围,因此风缸箍带螺栓检查扭矩下限为11N·m,上限为26N·m。

6结论与建议

综合以上分析结果,得出如下结论:

（1）风缸箍带螺栓紧固后,螺栓轴力会在30min内迅速衰减至40%左右,后续衰减较缓慢,最终衰减至初始值的20%～30%。

（2）采用残余扭矩测试法确定风缸箍带螺栓扭矩复检标准为:扭矩大于11N·m、小于26N·m为合格。

（3）采用转角法复拧是一种可靠的复拧工艺。