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

刘进华 孙博 刘磊

摘要：轨道交通车辆的风缸属于压力容器，在制作中应尽量减少焊接工作量，因此箍带式安装成为普遍采用的方式，其中箍带安装螺栓的可靠性对风缸安装可靠性有较为重要的影响。鉴于此，通过相关实验对风缸箍带安装螺栓的拧紧特性、轴力衰减特性、拧紧工艺、复检标准进行了研究，初步掌握了风缸箍带安装螺栓的相关特性，为其设计、工艺和检验提供了依据。

关键词：风缸箍带;螺栓;拧紧特性;轴力衰减;复检标准

0    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。

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23 N·m，根据数据绘制扭矩—角度曲线，如图2所示。

由扭矩—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、4 h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4 h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4 h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23 N·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，140 min只衰减至初始轴力的90%左右。风缸箍带螺栓轴力在前30 min衰减快于刚性连接，约衰减至初始轴力的40%。30 min以后轴力衰减较慢，近似于刚性连接，140 min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30 min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23 N·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，30 min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30 min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將螺栓旋转一定角度。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23 N·m，在30 min时复拧23 N·m。每隔3 min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30 min按一定的角度进行复拧，每转30°测量一次轴力，绘制轴力—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。

5    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—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18.5 N·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11 N·m，上限为26 N·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30 min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11 N·m、小于26 N·m为合格。

（3）采用转角法复拧是一种可靠的复拧工艺。

收稿日期：2021-04-16

作者简介：刘进华（1969—），男，湖北天门人，高级工程师，长期从事轨道交通产品的设计、工艺工作。

孙博（1993—），男，辽宁大连人，工程师，长期从事轨道交通产品的工艺质量工作。

刘磊（1990—），男，甘肃会宁人，工程师，长期从事轨道交通产品的工艺质量工作。