1.本发明涉及一种采用电动扭矩扳手的螺栓拧紧方法。


背景技术：

2.近年来随着中国高铁动车组高速发展，检修作业任务随之爆发性增加，作业效率高、扭矩控制精准的电动扭矩扳手也逐渐应用在动车组检修领域。螺纹连接可靠性直接影响装配的最终效果，而对于拧紧过程中扭矩衰减的改善还未形成成熟的工艺要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种采用电动扭矩扳手的螺栓拧紧方法，能够有效的改善扭矩衰减，实现稳定可靠地安装。
4.为了达到上述目的，本发明提供一种采用电动扭矩扳手的螺栓拧紧方法，利用电动扭矩扳手按照对角拧紧和顺时针方向拧紧相结合的方式依次将每一颗螺栓拧紧至目标扭矩，所述拧紧每颗螺栓的方法包含：
5.电动扭矩扳手以50r/s的转速将螺栓拧紧至50％目标扭矩后，停顿0.5s；
6.电动扭矩扳手以10r/s的转速将螺栓从50％目标扭矩拧紧至90％目标扭矩后，停顿0.5s；
7.电动扭矩扳手以5r/s的转速将螺栓从90％目标扭矩拧紧至100％目标扭矩；
8.电动扭矩扳手以5r/s的转速重复拧紧处于100％目标扭矩的螺栓。
9.所述对角拧紧和顺时针方向拧紧相结合的方式包含：按照顺时针方向依次拧紧每组镜像对称的两个螺栓。
10.在采用电动扭矩扳手拧紧之前，预先对螺栓进行预紧。
11.所述预紧的方法包含：将待装配件定位后，手动将螺栓旋入2圈，检查无螺纹错扣，使用电动预紧扳手或手动棘轮扳手按对角拧紧和顺时针方向拧紧相结合的方式拧紧到螺栓与螺纹孔表面贴合，停止施加扭矩。
12.本发明能够有效的改善扭矩衰减，实现稳定可靠地安装。
附图说明
13.图1是螺栓拧紧受力结构分析图。
14.图2和图3是对角拧紧顺序的示意图。
15.图4电动扳手施加步骤扭矩转速及扭矩大小设定图。
16.图5是电动扳手分段步骤间的停顿时间设定图。
17.图6是初始拧紧法和复拧补偿法的扭矩对比图。
18.图7是初始拧紧法和复拧补偿法的衰减差值对比图。
19.图8是复拧补偿法和低速复拧法的扭矩对比图。
20.图9是复拧补偿法和低速复拧法的衰减差值对比图。
21.图10是低速复拧法和慢速停顿复拧法的扭矩对比图。
22.图11是低速复拧法和慢速停顿复拧法的衰减差值对比图。
具体实施方式
23.以下根据图1～图11，具体说明本发明的较佳实施例。
24.利用拧紧使螺栓拉伸形变，这种弹性形变产生了轴向作用力，将紧固件和被紧固件挤压在一起，称为夹紧力。理论上满足需要的夹紧力，可以确保工程件安装连接可靠。
25.如图1所示，在螺栓拧紧受力结构分析中，如需要足够的夹紧力，需对螺栓顶部施加扭矩。扭矩公式：扭矩(m)＝力(f)*力臂(l)，在扭矩施加过程中，螺栓接触面摩擦力占50％，螺纹副中拧紧克服摩擦力占40％，仅有10％扭矩最终转化为夹紧力，将此现象称为50-40-10原则。
26.动态扭矩是紧固件使用力矩扳手拧紧过程中测量得到的峰值。一般来说，扭矩在很多应用环境下是通过转轴转动的方式动态输出。由于监测手段的限制，在安装过程当中使用传感器所测的扭矩均为动态扭矩。动态扭矩产生的对于螺栓的轴向预紧力满足工程上对预紧力的要求。
27.紧固件在拧紧完成后，在拧紧方向上再次逐渐施加扭矩，直至发生二次旋转瞬间克服静态摩擦力的扭矩为静态扭矩。常用静态扭矩标准用来监控生产过程目标的稳定性，称为检测扭矩。
28.静态扭矩与动态扭矩的夹紧力差值可认为扭矩衰减，一般情况下，60％-70％的扭矩衰减发生在30ms以内。
29.螺栓装配其主要目的是获得适当的夹紧力，一般采用扭矩控制法、扭矩-角度监控法、质量保证法等进行夹紧力控制。按照《tb_t 3246.2-2010机车车辆及其零部件设计准则螺栓连接第2部分：设计—机械制造应用》中有明确说明：对于安装质量较高的场合，可以通过扭矩控制，采用可发出信号的扳子或带有动态扭矩测量的旋转扳子。因此在动车组要求较高关键部位组装，已逐渐采用智能电动力矩扳手拧紧，通过扭矩控制+角度监测的方法进行装配作业，实现检修过程当中扭矩的精度实时监测。提供优于人工装配操作更加精确的紧固力和更高的可靠性，还能在检修的效率上有所提升，使得工作更为便捷。
30.但是，由于连接方式、螺栓材质、螺纹孔材料、强度等级、垫片类型、紧固件接触面类型、拧紧策略等复杂因素影响，安装扭矩在装配完成之后，随着时间的推移都会有一定程度的扭矩衰减，软连接中扭矩衰减尤为严重。扭矩衰减不能完全避免，只能通过对各种影响因素的控制和优化来改善衰减状况，确保扭矩衰减后的夹紧力不低于设计夹紧力的最低要求。
31.基于此，本发明提供一种采用电动扭矩扳手的螺栓拧紧方法，又叫慢速停顿复拧法，包含以下步骤：
32.步骤s1、螺栓对角预紧；
33.将待装配件定位后，手动将螺栓旋入2圈，检查无螺纹错扣，使用电动预紧扳手或手动棘轮扳手按对角拧紧和顺时针方向拧紧相结合的方式拧紧直到螺栓与螺纹孔表面贴合，停止施加扭矩；
34.螺栓预紧的目的是为了将螺栓拧紧到与螺纹孔贴合面，一方面可以保证此螺栓与
螺纹副拧紧配合无问题，另一方面可防止受横向载荷的螺栓连接的滑动
35.在本实施例中，按照对角拧紧和顺时针方向拧紧相结合的方式进行拧紧；如图2所示，以4颗螺栓为例，在第一颗螺栓处做标记，将第一颗螺栓标记为1，将标记为1的螺栓的对角的螺栓标记为2，将标记为2的螺栓的顺时针方向的下一颗螺栓(除了螺栓1)标记为3，将标记为3的螺栓的对角的螺栓标记为4，则按照1-2-3-4的顺序对4颗螺栓进行依次预紧；如图3所示，以6颗螺栓为例，在第一颗螺栓处做标记，将第一颗螺栓标记为1，将标记为1的螺栓的对角的螺栓标记为2，将标记为2的螺栓的顺时针方向的任意一颗螺栓(除了螺栓1)标记为3，将标记为3的螺栓的对角的螺栓标记为4，将标记为4的螺栓的顺时针方向的剩下的一颗螺栓标记为5，将标记为5的螺栓的对角的螺栓标记为6，则按照1-2-3-4-5-6的顺序对6颗螺栓进行依次预紧；
36.步骤s2、利用电动扭矩扳手按照顺时针对角拧紧依次将每一颗螺栓拧紧至目标扭矩；
37.利用电动扭矩扳手拧紧每颗螺栓的方法包含：
38.步骤s2.1、电动扭矩扳手以50r/s的转速将螺栓拧紧至50％目标扭矩后，停顿0.5s；
39.步骤s2.2、电动扭矩扳手以10r/s的转速将螺栓从50％目标扭矩拧紧至90％目标扭矩后，停顿0.5s；
40.步骤s2.3、电动扭矩扳手以5r/s的转速将螺栓从90％目标扭矩拧紧至100％目标扭矩；
41.步骤s2.4、电动扭矩扳手以5r/s的转速重复拧紧处于100％目标扭矩的螺栓；
42.本步骤中重复拧紧阶段的持续时间取决于目标扭矩的大小，目标扭矩小，则重复拧紧时扳手转动可稍快一些到达目标扭矩，重复拧紧表示电动扳手以5r/s转速从0n开始施加扭矩，直到目标扭矩结束。目的是通过前各阶段的扭矩施加和停顿，分段施加扭矩且能够有效释放拧紧应力，最后重复对拧紧目标施加扭矩，确保装配件的夹紧力达到合格。该重复拧紧阶段的时间一般持续1s左右。
43.本发明调查研究螺栓拧紧中夹紧力扭矩衰减的主要影响因素，分析目前国内外的研究成果，影响因素主要分为结构设计、装配材料及拧紧工艺三方面。从电动扭矩扳手拧紧策略的维度展开具体研究，选择crh2型动车组轴箱前盖为研究对象，将装配部件结构设计及研究材料设置为不变项，调整拧紧策略为单变项，通过调整目标分段扭矩设置、拧紧转动速率和策略停顿间隔等方式，并分析控制改变单一策略对装配夹紧力的影响，验证电动扭矩扳手拧紧策略对扭矩衰减影响的趋势。
44.具体验证方法包含如下步骤：
45.1、结构设计：所有试验均使用同一装配结构，为更好观察研究扭矩衰减的影响效果，本次测试选择易出现扭矩衰减的应用场景，如crh2型动车组轴箱前盖组装，工艺要求扭矩值为188.68-212.76n.m，螺栓扭矩设定值(动态扭矩值)为200n.m。确保测试均在同一轴箱前盖进行多次拧紧测试，避免因不同装配件表面摩擦因素及装配间隙等结构稳定性因素影响，保证测试数据稳定性。
46.2、装配材料：在客观安装环境、装配工艺条件的约束下，本次测试使用紧固连接方式为前盖螺栓m20x55+平弹垫圈，拧紧至轴箱前盖盲孔螺纹中。为保持测试过程中紧固件螺
栓材质、强度及垫圈形变等因素影响，拧紧螺栓均选用新螺栓测试三次，平弹垫圈拧紧一次后更换，记录拧紧测试数据。
47.3、拧紧工艺：本次测试选用马头ead280-260电动扭矩扳手，拧紧速率、扭矩量程范围和扭矩精度均满足测试需求，通过对电动扳手拧紧策略内容的分析如图4和图5所示，选择对减小扭矩衰减影响最大的几个关键因素，如扳手转动速率、拧紧分段步骤扭矩设定、拧紧时间和停顿延时等。通过更改单一变量的控制方法，保持螺栓扭矩设定值为200n.m条件下不断优化拧紧程序。
48.根据上述测试方法，通过马头提供的cvi config version软件来监控和设置拧紧过程，改变扳手目标扭矩下的分段拧紧步骤、对应的转动速率、步骤间的停顿与启动加速度的变化等，初步筛选以下四种拧紧方法进行比对验证，四种方法的具体步骤描述如表1所示。
49.表1
[0050][0051][0052]
为避免装配测试过程中由于人为操作因素影响导致测试结果出现差异，制定规范
的拧紧基础步骤：
[0053]
(1)对角预紧；将待装配件定位后，手动将螺栓旋入2圈，检查无螺纹错扣，使用电动预紧扳手或手动棘轮扳手按对角顺序拧紧到贴合位置；
[0054]
(2)对角拧紧；按对角拧紧方式进行拧紧。
[0055]
使用扭矩扳手进行拧紧时，以目标扭矩
±
6％为合格范围。拧紧结果扭矩值低于合格范围的，检查扭矩扳手状态，确保状态无异常后对螺栓再次进行拧紧，并作数据记录。
[0056]
在进行螺栓扭矩校核时，应按要求进行操作，保持扳手与螺栓方向垂直，并平稳施加扭矩，在接近目标扭矩时需要缓慢拧紧直至螺栓发生二次转动，使最终扭矩在允许的合格范围内。
[0057]
第一步，验证复拧对扭矩衰减的影响。
[0058]
选择两组拧紧组，确保螺栓安装环境因素和安装工艺一致，分别采用设计方案中初始拧紧法(拧紧组1)与复拧补偿法(拧紧组2)试验，拧紧组1一完成1次拧紧，拧紧组2在拧紧完成后重复一次拧紧操作，记录拧紧动态扭矩值和静态扭矩值如表2。
[0059]
表2
[0060][0061][0062]
由图6可见复拧静态扭矩曲线均值略高于单次拧紧。按照螺栓拧紧50-40-10原则，由于第一次拧紧时螺栓需克服紧固件接触面、螺纹副等摩擦力，第二次复拧时可视为对螺栓的扭矩补偿，使螺栓拧紧夹紧力更加趋近目标扭矩值，增加拧紧时的轴向预紧力，起到改善扭矩衰减的效果。由图7的拧紧和复拧的动—静态扭矩差值曲线可明显看出，复拧后测试数据曲线值均相对偏低，扭矩衰减值减小，证明扭矩衰减效果得到改善。
[0063]
第二步，验证拧紧速度对扭矩衰减的影响。
[0064]
在螺栓拧紧过程中，短时间内施加扭矩越大，紧固件与被紧固件接触面产生的局
部形变则越大，螺栓拧紧应力无法释放。拧紧结束后，螺栓会因材质变形快速“回弹”而导致衰减。因此通过调整拧紧策略的转动速度，可以改变螺栓拧紧过程应力释放的时间。快速复拧法为第一阶段0-25％目标扭矩，180rpm，第二阶段25-100％目标扭矩，54rpm。在满足作业节拍基础上提出低速复拧法，增加调整扭矩分段步骤为第一阶段0-50％目标扭矩，50rpm；第二阶段50-90％目标扭矩，10rpm；第三阶段90-100％目标扭矩，5rpm。选择实际工况进行测试试验，得出以下数据如表3。
[0065]
表3
[0066][0067][0068]
从上表3数据可看出，复拧补偿法和降速复拧法的测试数据的动态扭矩值偏差都相对稳定，但随着测试目标的样本增多依旧表现出有所波动，此处仅选择记录的10组数据进行分析，分别计算其平均值与标准差：
[0069][0070][0071]
再计算其各组的标准差：
[0072][0073]
计算得出的数值如表4。
[0074]
表4
[0075] 高速拧紧静态扭矩1低速拧紧静态扭矩2均值205.037183.6204.676192.75标准差1.46628821.1489130.9497391.542905
[0076]
由此分析可得：调整电动扭矩扳手拧紧时的转动速率，低速复拧的实时动态扭矩值标准差略低于复拧补偿法，能够小幅度加大实际作业中动态扭矩值输出的稳定性。且静态扭矩2的均值明显高于静态扭矩1，证明通过调整扳手转速，能够改善螺栓的拧紧扭矩衰减。
[0077]
从图8可分析得出，调整电动扭矩扳手拧紧时的转动速率，小幅度加大实时动态扭矩值输出的稳定性，减少电动扳手对作业人员拧紧带来的瞬间冲击力。从图9扭矩差值比对曲线可看出，降低转速后，相同目标扭矩拧紧测试下的扭矩衰减差值明显减小，大大改善扭矩衰减。所以，按照目标扭矩进行分步拧紧，适当调整降低各拧紧阶段的转动速度，略微增加整体拧紧时间，以此能使得螺栓更好释放拧紧应力，改善扭矩衰减状况。
[0078]
第三步，验证拧紧停顿对扭矩衰减的影响。
[0079]
一般情况下，60％-70％的扭矩衰减发生在30ms以内。且随着时间增长，在使用过程中同样存在扭矩衰减，紧固件与被紧固件始终存在应力释放的情况，因此提出慢速停顿复拧法，调整扭矩分段步骤为第一阶段0-50％目标扭矩，50rpm，后停0.5s；第二阶段50-90％目标扭矩，10rpm，后停0.2s；第三阶段90-100％目标扭矩，5rpm。使用此拧紧策略测试数据记录至表5，通过测试验证与降速复拧效果进行比对分析。
[0080]
表5
[0081][0082][0083]
由表5测试数据统计可看出，降速停顿拧紧扭矩检测均值已略高于目标扭矩，能够达到检修作业的工艺标准设计的最低夹紧力。分析可以得出，增加电动扭矩扳手拧紧过程的停顿间隔次数和时间，能够最大程度上释放拧紧过程中的弹性应力，扭矩衰减均值有明显增加，大大改善衰减效果。
[0084]
由图10测试数据曲线统计可看出，有停顿拧紧静态扭矩检测曲线均处于目标扭矩值上端，并逐渐趋近与动态扭矩测量值。证明通过调整电动扳手拧紧停顿策略，能够达到检修作业的工艺标准设计的最低夹紧力，确保装配过程的可靠性。由图11测试曲线分析可以得出，增加电动扭矩扳手拧紧过程的停顿间隔次数和时间，能够最大程度上释放拧紧过程中的弹性应力，扭矩衰减均值相比无停顿衰减值，有明显减少且基本趋于0，证明静态扭矩值已基本接近与动态扭矩目标值，使电动扳手拧紧时施加的扭矩能够较好转换成所需要的夹紧力，大大改善衰减效果。
[0085]
本发明通过调整电动伺服扳手拧紧策略，经对比测试，验证了如下整体趋势：
[0086]
(1)拧紧策略中复拧工序对扭矩衰减有明显的改进。
[0087]
(2)电动扳手拧紧速度对扭矩衰减有明显的影响，慢速拧紧效果较好。
[0088]
(3)拧紧策略中增加停顿间隔对扭矩衰减有明显的改进。
[0089]
通过在高风险螺栓、软连接上的测试，电动扭矩扳手拧紧可以实现稳定可靠地安装。通过优化拧紧策略，能够有效的改善扭矩衰减，需针对具体装配场景设计适合的拧紧策
略。
[0090]
本发明采用电动扭矩扳手设置目标扭矩值，严格把控螺栓拧紧时的扭矩精度，完整监控产品装配过程与结果的质量，分析研究影响电动扭矩扳手拧紧过程扭矩衰减的因素，以此优化调整其拧紧步骤与策略，从而改善扭矩衰减效果。
[0091]
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0092]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。