王 言，林永強(qiáng)，周 菁，趙興亮，史路陽

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.阿米檢測技術(shù)有限公司，天津 300308）

高速列車產(chǎn)業(yè)是支撐國家重大戰(zhàn)略實施和拉動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。保障高速列車平穩(wěn)運(yùn)行的一個關(guān)鍵部件就是動車組轉(zhuǎn)向架，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響高速列車的運(yùn)行品質(zhì)、動力性能和行車安全。由于轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對軸箱體和制動裝置等部分組裝而成，并且大多組裝工藝采用螺栓連接。因此螺栓裝配的擰緊質(zhì)量是影響轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，針對電動擰緊裝置的在線檢測與質(zhì)量控制也成為生產(chǎn)過程中必不可少的一環(huán)。

目前國內(nèi)外電動擰緊裝置的校準(zhǔn)方式一般有2種：一種是利用靜態(tài)校準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，另一種則是動態(tài)扭矩測試儀[1]。雖然2種方法都是目前較常用的檢測方法，但二者都存在一個最主要的問題，即校準(zhǔn)過程無法反映生產(chǎn)現(xiàn)場實際工況的擰緊狀態(tài)。

隨著“十四五”規(guī)劃的開展以及企業(yè)數(shù)字化工廠的不斷完善，擰緊工藝及擰緊裝置的復(fù)雜程度和自動化程度也逐漸提高，而機(jī)械架構(gòu)使其在一定程度上無法滿足實驗室內(nèi)部檢測要求。因此如何實現(xiàn)電動擰緊裝置的擰緊工藝質(zhì)量的在線檢測，保證螺栓連接件的擰緊質(zhì)量，保障高速列車運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，已成為高速列車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的重要研究課題，同時也是本次研究的主要方向。

1 總體思路

根據(jù)電動擰緊裝置的使用現(xiàn)狀，基于擰緊策略及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，采用目前先進(jìn)的綜合校驗臺，引入智能螺栓模擬器，集成液壓剎車模塊、便攜式動態(tài)傳感器等技術(shù)，輔以綜合測試分析系統(tǒng)，通過實際生產(chǎn)工況模擬、擰緊策略控制和工具綜合管理以及計算機(jī)輔助裝配（computer aided assembly，CAA）平臺的系統(tǒng)集成，對工作數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，對電動擰緊裝置的輸出扭矩和使用狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，基于區(qū)塊化和局域網(wǎng)數(shù)字技術(shù)，完成現(xiàn)場生產(chǎn)計算，滿足各類自動化流水線電動擰緊裝置在線檢測，實現(xiàn)各擰緊工藝的擰緊質(zhì)量控制，完成“計量+產(chǎn)業(yè)”結(jié)合，保障高速列車關(guān)鍵部件的質(zhì)量要求，保障高速列車運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

2 技術(shù)方案

由于高速列車中螺栓種類復(fù)雜，擰緊工藝也不盡相同。連接件材料的軟硬程度、彈性變化量和扭矩衰減程度的差異是影響擰緊策略的重要因素。同時螺栓的安裝結(jié)構(gòu)、擰緊步數(shù)和間隔時間的不同也會對扭矩輸出產(chǎn)生一定的影響。因此如何確保扭矩在線檢測滿足實際生產(chǎn)工況要求，是本次研究的一個關(guān)鍵要素。

以轉(zhuǎn)向架組裝為例，裝配過程大致涉及41種螺栓，其中包含了高速列車五大扭矩擰緊工藝如表1所示。不同工位的擰緊策略、工作角度各不相同，因此，不僅需要使校準(zhǔn)過程滿足生產(chǎn)工況要求，還要使傳感器覆蓋各量程區(qū)間，滿足各扭矩、多角度擰緊裝置的在線檢測。

表1 高速列車五大扭矩擰緊工藝Tab.1 Five torque tightening techniques for high-speed trains

2.1 在線智能檢測設(shè)備整體架構(gòu)

在線智能檢測設(shè)備由綜合校驗臺、便攜式動態(tài)傳感器和擴(kuò)展接口等構(gòu)成。其中綜合校驗臺集成智能螺栓模擬器、液壓剎車模塊，可對實際生產(chǎn)工況的連接硬度進(jìn)行模擬，使校準(zhǔn)過程最大程度符合生產(chǎn)工藝要求。同時，不同于普通的單一扭矩測量，該設(shè)備可進(jìn)行扭矩、角度控制、扭矩+角度控制和動（靜）態(tài)扭矩測量等多種擰緊策略的扭矩檢測，為自動化生產(chǎn)線電動擰緊裝置適應(yīng)復(fù)雜工藝要求提供了解決方案。

2.1.1 綜合校驗臺

綜合校驗臺示意圖如圖1所示。

圖1 綜合校驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated test table

智能螺栓模擬器由扭矩傳感器、壓力蓄能器和過載保護(hù)裝置等部分構(gòu)成，扭矩傳感器如圖2所示，模擬器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，可通過設(shè)置參數(shù)，模擬現(xiàn)場各種螺栓連接的扭矩率大小。在測量過程中根據(jù)需求讀取峰值扭矩或動態(tài)追蹤扭矩，并通過數(shù)字信號反饋至處理器中。集成液壓剎車模塊，在達(dá)到預(yù)設(shè)扭矩時進(jìn)行鎖死，可節(jié)省常規(guī)螺栓的反松步驟。此外，模擬器還可切換動態(tài)模式或靜態(tài)模式，可分別進(jìn)行動態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩的測量，為不同情況下的質(zhì)量控制提供保障。

圖3 模擬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Simulator structure diagram

設(shè)備設(shè)有外界擴(kuò)展功能，可通過連接扭矩傳感器及智能扭矩扳子，實現(xiàn)“螺紋連接掃描”功能，獲得螺栓實際連接特性，并進(jìn)行工況再現(xiàn)，使校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置更符合現(xiàn)場的實際情況。同時，擴(kuò)展接口還可外接大量程扭矩模擬器，使校準(zhǔn)能力范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1.2 便攜式動態(tài)扭矩傳感器

為了滿足部分特殊角度的電動擰緊裝置計量需求，配備動態(tài)傳感器如圖4所示，最大量程可達(dá)5 000 N·m。通過數(shù)據(jù)傳輸裝置與專用表頭相連接，不僅可以串接綜合校驗臺，使測量范圍更加精確，也可利用現(xiàn)場試驗測試件實現(xiàn)多角度電動擰緊裝置的扭矩在線檢測，并通過扭矩控制圖實時分析，確保工件夾緊力滿足擰緊質(zhì)量要求。

圖4 動態(tài)傳感器Fig.4 Dynamic sensor

2.2 綜合測試分析系統(tǒng)

綜合測試分析系統(tǒng)集成工具管理、測試、分析、監(jiān)控和維護(hù)等多種功能，可對測量過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，顯示擰緊過程曲線，同時也可進(jìn)行設(shè)備能力指數(shù)（cmachinc capability index，CMK）、獲取能力（bring in capability，BIC）和保持能力（keep in capability，KIC）等多種能力測試，保證擰緊工具的性能穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場質(zhì)量控制要求。

2.2.1 擰緊點(diǎn)管理

該功能主要通過設(shè)置相應(yīng)擰緊參數(shù)，如目標(biāo)扭矩、擰緊步驟和轉(zhuǎn)速等，對擰緊點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。在后續(xù)進(jìn)行檢測任務(wù)時，可直接調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存儲的擰緊點(diǎn)，并可根據(jù)實際工藝要求，修改個別參數(shù)。這樣一來，不僅減少擰緊參數(shù)的設(shè)置時間，也將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，有利于校準(zhǔn)過程的質(zhì)量控制。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理

測試軟件通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，給出擰緊值合格與否的判定結(jié)論，并形成擰緊曲線。技術(shù)人員可根據(jù)曲線分析該電動擰緊裝置的使用性能及擰緊狀態(tài)。同時，系統(tǒng)可自動生成測試報告，并存儲至相應(yīng)的管理架構(gòu)中，有利于量值溯源與傳遞。

2.2.3 CMK能力測試

CMK即設(shè)備能力指數(shù)，是對生產(chǎn)設(shè)備能夠滿足要求及穩(wěn)定性的能力評價。綜合測試分析系統(tǒng)可以通過采用數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行測量，考慮短期的離散，排除對過程有影響的非機(jī)器因素。實現(xiàn)在盡量短的時間內(nèi)，相同的操作者、采用標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)方法和相同的加工材料，保證電動擰緊裝置CMK值不小于1.67，確保電動擰緊裝置的使用準(zhǔn)確與可靠。

2.3 設(shè)備連接及技術(shù)框架

由于智能螺栓模擬器與液壓控制裝置都為集成系統(tǒng)，因此在設(shè)備連接時，首先需要調(diào)試擰緊裝置的擰緊策略，然后將電動擰緊裝置的方榫頭與模擬器接口連接，并設(shè)置連接硬度、扭矩閾值和采樣頻率等基本參數(shù)，而后進(jìn)行扭矩輸出，通過綜合測試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，最終輸出測量結(jié)果。此外，也可根據(jù)需求串接動態(tài)扭矩傳感器，使測量范圍跨度進(jìn)一步縮小，測量精確性進(jìn)一步提高。設(shè)備連接圖如圖5所示、技術(shù)路線框架如圖6所示。

圖5 設(shè)備連接圖Fig.5 Device connection diagram

圖6 技術(shù)路線框架Fig.6 Technical route framework

3 應(yīng)用驗證

3.1 在線智能檢測設(shè)備計量特性評估

3.1.1 誤差評估

假設(shè)電動擰緊裝置按照3級精度管理，則本設(shè)備的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被校裝置擴(kuò)展不確定度的1/3，根據(jù)JJG 797-2013《扭矩扳子檢定儀檢定規(guī)程》[2]中的相關(guān)要求，利用0.1級標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子在量程范圍內(nèi)均勻取點(diǎn)，對設(shè)備進(jìn)行計量檢定。以100 N·m測量點(diǎn)為例，誤差測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 誤差測量數(shù)據(jù)Tab.2 Error measurement data

通過公式（1）可得示值相對誤差為-0.19%，符合精度條件為：

式中，為測量平均值（N·m）；xS為施加的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值（N·m）。

3.1.2 重復(fù)性評估

校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性是指在一組重復(fù)性測量條件下，計量標(biāo)準(zhǔn)對同一對象重復(fù)測量所得示值或測得值間的一致程度，能夠反映計量標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果的隨機(jī)誤差統(tǒng)計特征。依據(jù)JJF 1033-2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[3]，對檢測設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立重復(fù)測量，取100 N·m為測量點(diǎn)，重復(fù)次數(shù)為10次，重復(fù)性測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)Tab.3 Repeatability measurement data

利用貝塞爾公式（2）對測得值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計算為：

式中，xi為第i次測量值（N·m）；為測量平均值（N·m）；n為測量次數(shù)。

所得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.12 N·m即為重復(fù)性結(jié)果[4]，同時，重復(fù)性通常也是校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度來源之一。

根據(jù)得到的誤差、重復(fù)性等系列測量結(jié)果，通過各不確定度分量進(jìn)行擴(kuò)展不確定度評定，最終確定本設(shè)備的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.5%，其精度可完全滿足電動擰緊裝置的在線檢測。

3.2 綜合校驗臺工況模擬驗證

對于不同材質(zhì)的結(jié)合面，由于存在不同程度的扭矩衰減，因此電動擰緊裝置在達(dá)到目標(biāo)扭矩時所轉(zhuǎn)過的角度也存在一定的差異，這也就是常說的高扭矩率和低扭矩率。所謂高扭矩率指扭矩從試驗扭矩級的10%～100%，相對應(yīng)的角位移不大于27°，不存在扭矩衰減；而低扭矩率則存在扭矩衰減，扭矩從試驗扭矩級的10%～100%，相對應(yīng)的角位移不小于650°[5]。

在生產(chǎn)現(xiàn)場選取一把狀態(tài)良好的電動擰緊裝置，測量范圍為（10～100）N·m。選取相應(yīng)測量點(diǎn)，分別進(jìn)行高扭矩率（硬連接）、低扭矩率（軟連接）連接方式下扭矩的在線檢測，同時，在相同環(huán)境下，相同的操作人員，用同一工具進(jìn)行實際生產(chǎn)作業(yè)，工況模擬實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 工況模擬實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Condition simulation experiment data

經(jīng)試驗分析數(shù)據(jù)表明，使用高扭矩率連接所測得的扭矩明顯大于使用低扭矩率連接所測量的扭矩，即使用不同硬度的連接方式是影響測量結(jié)果的主要原因之一。在與現(xiàn)場工況進(jìn)行實際比對之后，發(fā)現(xiàn)該智能螺栓模擬器所模擬的工況輸出扭矩與實際生產(chǎn)扭矩相差較小，由此可以確認(rèn)該設(shè)備可有效模擬實際工況，避免因檢測和生產(chǎn)工況不一而帶來的數(shù)據(jù)誤差，對工件的擰緊質(zhì)量有十足的保證。低、高扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線如圖7、圖8所示。

圖7 低扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線Fig.7 Torque/Angle tightening curve under low torque rate connection

圖8 高扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線Fig.8 Torque/Angle tightening curve under high torque rate connection condition

4 結(jié)論

電動擰緊裝置在線智能檢測技術(shù)利用工況模擬、智能分析和綜合管理，依托產(chǎn)業(yè)計量總體構(gòu)架，實現(xiàn)各自動化生產(chǎn)線電動擰緊裝置的在線檢測及擰緊質(zhì)量控制。通過數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、分析以及曲線應(yīng)用，使復(fù)雜的統(tǒng)計簡單化、形象化和直觀化，推進(jìn)了數(shù)字化工廠生產(chǎn)線關(guān)鍵工序的智能化應(yīng)用實施，建立了在線檢測標(biāo)準(zhǔn)模式，提升轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵零部件質(zhì)量精度，提升高速列車運(yùn)營安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，提升高速列車產(chǎn)業(yè)在線檢測技術(shù)服務(wù)水平。