摘要：螺栓的拧紧质量对产品的质量有着极其重要的作用，本文介绍了智能拧紧机和常用的拧紧质量控制策略，结合绝缘型高空作业车产品装配过程中拧紧机的应用作业，对转角监控法的应用和装配扭矩的检测进行了探讨与分析。
关键词：拧紧机；绝缘型高空作业车；转角监控法；转角法
0 前 言
绝缘型高空作业车具有接地比压小、转弯半径小、作业稳定性好等优点，在电力、市政等行业应用广泛。绝缘型高空作业车零部件的连接与装配方法很多，其中螺纹联接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，是整机装配中最主要的连接方式。
为了保证整机的安全性和可靠性，必须对螺栓的拧紧质量实施有效控制，也即保证螺栓被拧紧之后，具有适当的轴向预紧力使得被联接件可靠地联接在一起，并且承受一定的动载荷。目前，自动螺栓拧紧机被认为是有效控制螺栓轴向预紧力的最佳设备，在工程机械产品装配生产线上的应用越来越普遍。
1 电动拧紧设备简介
电动拧紧机主要由拧紧机控制系统和电动拧紧轴单元两大核心部分组成，如图1所示，前者负责拧紧过程的自动控制和拧紧结果的统计分析；后者是完成拧紧动作的执行单元。
图1 拧紧机工作原理简图
电动拧紧机的拧紧过程一般可分为：低速认帽、贴合拧紧、最终拧紧、卸荷四个阶段。低速认帽是拧紧轴低速旋转，以使螺帽进入套筒，防止后续高速拧紧过程中套筒空转，一般通过角度或时间来控制。贴合拧紧以高速拧紧至螺帽与工件贴合，目的是缩短拧紧时间，由目标扭矩或转角来控制。最终拧紧是拧紧轴低速拧紧至规定的扭矩或转角，目的是提高拧紧精度。卸荷是指套筒反向低速旋转一定的角度，以方便拧紧套筒与螺栓分离脱开。
2 常用拧紧控制策略
在实际螺栓拧紧过程中，对于螺栓的轴向预紧力很难直接地控制和检测，而是通过控制扭矩、转角、螺栓伸长量等参数进行间接控制，从而保证螺栓拧紧质量。其中，螺栓伸长法在实际装配中不易实现，因此尚未范围用于生产。典型的螺栓拧紧质量控制策略有扭矩法、扭矩控制-转角监控法、转角控制-扭矩监控法和屈服点法。由材料力学可知材料的拉伸曲线如下所示：
图2 材料拉伸曲线图
螺栓的装配拧紧，均应该控制在b点之下，否则在受到动载冲击时，极易出现断裂失效。
2.1扭矩法
扭矩法简单易行，在实际的螺纹副装配中最为常用，它主要是依据螺栓拧紧扭矩与预紧力之间的经验公式：
公式（1）
式中：
T为拧紧扭矩，K为拧紧系数，d为螺栓公称直径，F为预紧力。
扭矩法通过控制拧紧扭矩来控制控制预紧力，其中拧紧系数K与螺纹的形状、尺寸和螺纹副摩擦系数有关。在批量装配条件下，由于螺纹精度、润滑条件及配合表面状态等的不同，将使得同一种连接的K值离散度很大，从而导致预紧力离散度大，拧紧控制精度低。但此种方式仍然应用场合较多，对于精度要求不严格，拧紧力矩控制要求不高的部位较为普遍。
2.2扭矩控制-转角监控法
此方法在扭矩法的基础上增加了转角监控的功能，可有效的防止错误的拧紧。在最终拧紧阶段，当扭矩达到设定的“转角起始扭矩”时，开始测量转角，如果扭矩达到目标扭矩或转角超出安全转角时，停止拧紧。当拧紧结果满足扭矩和转角均在设定的区间内时，拧紧合格；否则，判定为不合格。
2.3转角控制-扭矩监控法
此方法是先按照扭矩法将螺栓拧紧到规定的扭矩后，再转动螺栓至规定的角度。当转角达到目标转角或扭矩超出最大扭矩时，停止拧紧。当拧紧结果满足扭矩和转角均在设定的区间内时，拧紧合格；否则，判定为不合格。
转角法控制拧装配紧过程中，在螺栓弹性区域内，预紧力和转角的关系为:
公式（2）
式中：
F为预紧力， Ca为螺纹连接系统刚度，P为螺纹螺距，θ为转角。
由上式可以看出，螺栓预紧力与螺纹副摩擦系数无关，而与系统刚度Ca有关。此方法明显提高了螺栓轴向预紧力的控制精度。
2.4屈服点法
屈服点法是通过实时监测拧紧时扭矩随角度变化曲线的斜率，将螺栓拧紧至屈服点的方法。在使用智能拧紧机的拧紧过程中，不但能测量拧紧扭矩T，还能测量转角
，同时计算扭矩与转角的微商：
公式（3）
当Δ趋于规定值时，一般为（1/3～1/2）Δmax，自动停止拧紧。屈服点法得到的轴向预紧力直接与螺栓的机械特性相关，其重复性和控制精度较之以上三种方法更好。
对螺栓拧紧方法的选用，需要综合考虑拧紧需求、方法的先进性以及工具的经济性等因素，在各种拧紧方法中，扭矩控制转角监控法在绝缘型高空作业车关键部位装配中的应用最为广泛。
3 扭矩控制转角监控法的应用
利用智能电动拧紧机，对于绝缘型高空作业车螺纹拧紧要求较高的装配场合，选用此方法，通过伺服控制系统对拧紧转角进行监控，能够方便的检查出一批螺纹副的质量情况，及时发现拧紧异常，进行重新拧紧，从而最大程度地提升螺栓的拧紧质量。转角监控法的原理如图3所示。
图3 扭矩控制-转角监控法原理图
针对不同种类的螺栓连接，其监控起点扭矩也不相同。一般情况下，对于硬连接，取1/3目标扭矩为转角监控起始扭矩；对于软连接，取2/3目标扭矩为转角监控起始扭矩。
以某型号绝缘型高空作业车回转支承连接螺栓为例，由于螺栓数量多，且为圆周均布，不仅要求预紧力合格，还要求螺栓的预紧力分布均匀。为了获得均布的预紧力，必须采用合适的拧紧工艺、高精度的拧紧工具，同时要求螺纹副的摩擦性能、刚度、强度等基本一致。
现场拧紧机采用转角监控法进行对称交叉拧紧，拧紧时通过对拧紧机工艺参数进行设置，使转角监控的起始扭矩为500N·m，给出正常拧紧情况下的转角监控区间，将差异螺纹副的拧紧控制在合格区间之外。为了得到合适的转角监控区间，通过收集大量正确的拧紧样本，并进行数理统计，得到拧紧监控角度的数据分布曲线和正态分布图，如图4所示。
图4 回转支承螺栓监控角度数据和分布图
对于螺栓长短或材质不一致、螺纹孔不清洁、滑丝等异常情况，其拧紧结果均在设定的转角监控区间之外，拧紧机能够及时报警，避免不合格件进入下道工序。
4 螺栓拧紧效果检验
对于使用电动拧紧机进行拧紧的螺栓，需要对螺栓拧紧效果进行检验。常用的拧紧效果检测可分为静态扭矩测量和动态扭矩测量两种。
图5 螺栓拧紧的静态检验和动态检验
静态检测由于是装配后检测，受到力矩衰减、静摩擦力、检具精度等影响，所测扭矩与实际值有一定误差，但是一种必不可少的工艺监测手段。实际装配生产中，一般是在拧紧机完成拧紧后半小时内，使用数显扭矩扳手或精度为±3%的机械式扭力扳手，采用“紧固法”，对螺纹连接件进行抽检扭矩。若静态扭矩抽检不合格时，还需要对拧紧机进行重新标定。
动态检测是一种在线过程检测方法，能够真实地反应紧固件的拧紧力矩。一般使用动态扭矩传感器进行测量，与拧紧轴的标定类似，将测量精度高于拧紧轴的扭矩检测仪串联在拧紧轴输出头与螺栓之间，进行正常拧紧操作，即可测得螺栓拧紧的实际扭矩。
5 结 论
在实际装配生产过程中，如何控制螺栓轴向预紧力，排除拧紧异常情况，使之稳定可靠，达到产品设计要求，这是工艺人员需要控制和研究的重点。电动拧紧机能够提升装配拧紧效率和精度，同时正确的使用转角监控法和拧紧检测方法能在很大程度上避免拧紧质量问题。随着工程机械行业对装配质量要求的提升，对于拧紧工具、拧紧方法和检测方法的研究与应用将会更加地深入和广泛。
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作者简介：
辛美燕，徐州海伦哲专用车辆股份有限公司，机械工程师。
韩文利，江苏宏昌天马物流装备有限公司，机械工程师。
栗永思，徐州海伦哲专用车辆股份有限公司，机械工程师。
任东华，徐州海伦哲专用车辆股份有限公司，机械工程师。
论文作者:辛美燕,韩文利,栗永思,任东华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/12
标签：扭矩论文; 螺栓论文; 转角论文; 螺纹论文; 高空作业论文; 精度论文; 方法论文; 《电力设备》2019年第13期论文;