高速列車(chē)電動(dòng)擰緊裝置在線(xiàn)智能檢測技術(shù)的研究與應用

王 言，林永強，周 菁，趙興亮，史路陽(yáng)

（1.中車(chē)青島四方機車(chē)車(chē)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(chē)產(chǎn)業(yè)是支撐國家重大戰略實(shí)施和拉動(dòng)國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。保障高速列車(chē)平穩運行的一個(gè)關(guān)鍵部件就是動(dòng)車(chē)組轉向架，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響高速列車(chē)的運行品質(zhì)、動(dòng)力性能和行車(chē)安全。由于轉向架由構架、輪對軸箱體和制動(dòng)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)量是影響轉向架產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，針對電動(dòng)擰緊裝置的在線(xiàn)檢測與質(zhì)量控制也成為生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一環(huán)。

目前國內外電動(dòng)擰緊裝置的校準方式一般有2種：一種是利用靜態(tài)校準儀進(jìn)行校準，另一種則是動(dòng)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(gè)最主要的問(wèn)題，即校準過(guò)程無(wú)法反映生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)際工況的擰緊狀態(tài)。

隨著(zhù)“十四五”規劃的開(kāi)展以及企業(yè)數字化工廠(chǎng)的不斷完善，擰緊工藝及擰緊裝置的復雜程度和自動(dòng)化程度也逐漸提高，而機械架構使其在一定程度上無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗室內部檢測要求。因此如何實(shí)現電動(dòng)擰緊裝置的擰緊工藝質(zhì)量的在線(xiàn)檢測，保證螺栓連接件的擰緊質(zhì)量，保障高速列車(chē)運行平穩、可靠，已成為高速列車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的重要研究課題，同時(shí)也是本次研究的主要方向。

根據電動(dòng)擰緊裝置的使用現狀，基于擰緊策略及質(zhì)量控制標準，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(chē)模塊、便攜式動(dòng)態(tài)傳感器等技術(shù)，輔以綜合測試分析系統，通過(guò)實(shí)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輔助裝配（computer aided assembly，CAA）平臺的系統集成，對工作數據和實(shí)驗數據進(jìn)行存儲和分析，對電動(dòng)擰緊裝置的輸出扭矩和使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，基于區塊化和局域網(wǎng)數字技術(shù)，完成現場(chǎng)生產(chǎn)計算，滿(mǎn)足各類(lèi)自動(dòng)化流水線(xiàn)電動(dòng)擰緊裝置在線(xiàn)檢測，實(shí)現各擰緊工藝的擰緊質(zhì)量控制，完成“計量+產(chǎn)業(yè)”結合，保障高速列車(chē)關(guān)鍵部件的質(zhì)量要求，保障高速列車(chē)運行平穩可靠。

由于高速列車(chē)中螺栓種類(lèi)復雜，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(shí)螺栓的安裝結構、擰緊步數和間隔時(shí)間的不同也會(huì )對扭矩輸出產(chǎn)生一定的影響。因此如何確保扭矩在線(xiàn)檢測滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)工況要求，是本次研究的一個(gè)關(guān)鍵要素。

以轉向架組裝為例，裝配過(guò)程大致涉及41種螺栓，其中包含了高速列車(chē)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，不僅需要使校準過(guò)程滿(mǎn)足生產(chǎn)工況要求，還要使傳感器覆蓋各量程區間，滿(mǎn)足各扭矩、多角度擰緊裝置的在線(xiàn)檢測。

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

2.1 在線(xiàn)智能檢測設備整體架構

在線(xiàn)智能檢測設備由綜合校驗臺、便攜式動(dòng)態(tài)傳感器和擴展接口等構成。其中綜合校驗臺集成智能螺栓模擬器、液壓剎車(chē)模塊，可對實(shí)際生產(chǎn)工況的連接硬度進(jìn)行模擬，使校準過(guò)程最大程度符合生產(chǎn)工藝要求。同時(shí)，不同于普通的單一扭矩測量，該設備可進(jìn)行扭矩、角度控制、扭矩+角度控制和動(dòng)（靜）態(tài)扭矩測量等多種擰緊策略的扭矩檢測，為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)電動(dòng)擰緊裝置適應復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(guò)載保護裝置等部分構成，扭矩傳感器如圖2所示，模擬器結構示意圖如圖3所示，可通過(guò)設置參數，模擬現場(chǎng)各種螺栓連接的扭矩率大小。在測量過(guò)程中根據需求讀取峰值扭矩或動(dòng)態(tài)追蹤扭矩，并通過(guò)數字信號反饋至處理器中。集成液壓剎車(chē)模塊，在達到預設扭矩時(shí)進(jìn)行鎖死，可節省常規螺栓的反松步驟。此外，模擬器還可切換動(dòng)態(tài)模式或靜態(tài)模式，可分別進(jìn)行動(dòng)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 模擬器結構示意圖Fig.3 Simulator structure diagram

設備設有外界擴展功能，可通過(guò)連接扭矩傳感器及智能扭矩扳子，實(shí)現“螺紋連接掃描”功能，獲得螺栓實(shí)際連接特性，并進(jìn)行工況再現，使校準參數的設置更符合現場(chǎng)的實(shí)際情況。同時(shí)，擴展接口還可外接大量程扭矩模擬器，使校準能力范圍得到進(jìn)一步擴大。

2.1.2 便攜式動(dòng)態(tài)扭矩傳感器

為了滿(mǎn)足部分特殊角度的電動(dòng)擰緊裝置計量需求，配備動(dòng)態(tài)傳感器如圖4所示，最大量程可達5 000 N·m。通過(guò)數據傳輸裝置與專(zhuān)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，也可利用現場(chǎng)試驗測試件實(shí)現多角度電動(dòng)擰緊裝置的扭矩在線(xiàn)檢測，并通過(guò)扭矩控制圖實(shí)時(shí)分析，確保工件夾緊力滿(mǎn)足擰緊質(zhì)量要求。

圖4 動(dòng)態(tài)傳感器Fig.4 Dynamic sensor

2.2 綜合測試分析系統

綜合測試分析系統集成工具管理、測試、分析、監控和維護等多種功能，可對測量過(guò)程進(jìn)行數據分析，顯示擰緊過(guò)程曲線(xiàn)，同時(shí)也可進(jìn)行設備能力指數（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定性，滿(mǎn)足現場(chǎng)質(zhì)量控制要求。

2.2.1 擰緊點(diǎn)管理

該功能主要通過(guò)設置相應擰緊參數，如目標扭矩、擰緊步驟和轉速等，對擰緊點(diǎn)進(jìn)行統一管理。在后續進(jìn)行檢測任務(wù)時(shí)，可直接調用系統內存儲的擰緊點(diǎn)，并可根據實(shí)際工藝要求，修改個(gè)別參數。這樣一來(lái)，不僅減少擰緊參數的設置時(shí)間，也將參數標準化，有利于校準過(guò)程的質(zhì)量控制。

2.2.2 數據管理

測試軟件通過(guò)對試驗數據的分析，給出擰緊值合格與否的判定結論，并形成擰緊曲線(xiàn)。技術(shù)人員可根據曲線(xiàn)分析該電動(dòng)擰緊裝置的使用性能及擰緊狀態(tài)。同時(shí)，系統可自動(dòng)生成測試報告，并存儲至相應的管理架構中，有利于量值溯源與傳遞。

2.2.3 CMK能力測試

CMK即設備能力指數，是對生產(chǎn)設備能夠滿(mǎn)足要求及穩定性的能力評價(jià)。綜合測試分析系統可以通過(guò)采用數理統計的方法進(jìn)行測量，考慮短期的離散，排除對過(guò)程有影響的非機器因素。實(shí)現在盡量短的時(shí)間內，相同的操作者、采用標準的作業(yè)方法和相同的加工材料，保證電動(dòng)擰緊裝置CMK值不小于1.67，確保電動(dòng)擰緊裝置的使用準確與可靠。

2.3 設備連接及技術(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，因此在設備連接時(shí)，首先需要調試擰緊裝置的擰緊策略，然后將電動(dòng)擰緊裝置的方榫頭與模擬器接口連接，并設置連接硬度、扭矩閾值和采樣頻率等基本參數，而后進(jìn)行扭矩輸出，通過(guò)綜合測試分析系統進(jìn)行數據采集及處理，最終輸出測量結果。此外，也可根據需求串接動(dòng)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。設備連接圖如圖5所示、技術(shù)路線(xiàn)框架如圖6所示。

圖5 設備連接圖Fig.5 Device connection diagram

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

3.1 在線(xiàn)智能檢測設備計量特性評估

3.1.1 誤差評估

假設電動(dòng)擰緊裝置按照3級精度管理，則本設備的擴展不確定度應小于被校裝置擴展不確定度的1/3，根據JJG 797-2013《扭矩扳子檢定儀檢定規程》[2]中的相關(guān)要求，利用0.1級標準扭矩扳子在量程范圍內均勻取點(diǎn)，對設備進(jìn)行計量檢定。以100 N·m測量點(diǎn)為例，誤差測量數據如表2所示。

表2 誤差測量數據Tab.2 Error measurement data

通過(guò)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為施加的標準扭矩值（N·m）。

3.1.2 重復性評估

校準結果的重復性是指在一組重復性測量條件下，計量標準對同一對象重復測量所得示值或測得值間的一致程度，能夠反映計量標準相應參數校準結果的隨機誤差統計特征。依據JJF 1033-2016《計量標準考核規范》[3]，對檢測設備進(jìn)行獨立重復測量，取100 N·m為測量點(diǎn)，重復次數為10次，重復性測量數據如表3所示。

表3 重復性測量數據Tab.3 Repeatability measurement data

利用貝塞爾公式（2）對測得值進(jìn)行標準偏差計算為：

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。

所得到的標準偏差0.12 N·m即為重復性結果[4]，同時(shí)，重復性通常也是校準結果的測量不確定度來(lái)源之一。

根據得到的誤差、重復性等系列測量結果，通過(guò)各不確定度分量進(jìn)行擴展不確定度評定，最終確定本設備的擴展不確定度優(yōu)于0.5%，其精度可完全滿(mǎn)足電動(dòng)擰緊裝置的在線(xiàn)檢測。

3.2 綜合校驗臺工況模擬驗證

對于不同材質(zhì)的結合面，由于存在不同程度的扭矩衰減，因此電動(dòng)擰緊裝置在達到目標扭矩時(shí)所轉過(guò)的角度也存在一定的差異，這也就是常說(shuō)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%，相對應的角位移不小于650°[5]。

在生產(chǎn)現場(chǎng)選取一把狀態(tài)良好的電動(dòng)擰緊裝置，測量范圍為（10～100）N·m。選取相應測量點(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(xiàn)檢測，同時(shí)，在相同環(huán)境下，相同的操作人員，用同一工具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，工況模擬實(shí)驗數據如表4所示。

表4 工況模擬實(shí)驗數據Tab.4 Condition simulation experiment data

經(jīng)試驗分析數據表明，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果的主要原因之一。在與現場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)際比對之后，發(fā)現該智能螺栓模擬器所模擬的工況輸出扭矩與實(shí)際生產(chǎn)扭矩相差較小，由此可以確認該設備可有效模擬實(shí)際工況，避免因檢測和生產(chǎn)工況不一而帶來(lái)的數據誤差，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)Fig.8 Torque/Angle tightening curve under high torque rate connection condition

電動(dòng)擰緊裝置在線(xiàn)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)計量總體構架，實(shí)現各自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)電動(dòng)擰緊裝置的在線(xiàn)檢測及擰緊質(zhì)量控制。通過(guò)數據采集、運算、分析以及曲線(xiàn)應用，使復雜的統計簡(jiǎn)單化、形象化和直觀(guān)化，推進(jìn)了數字化工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵工序的智能化應用實(shí)施，建立了在線(xiàn)檢測標準模式，提升轉向架等關(guān)鍵零部件質(zhì)量精度，提升高速列車(chē)運營(yíng)安全性、可靠性和經(jīng)濟性，提升高速列車(chē)產(chǎn)業(yè)在線(xiàn)檢測技術(shù)服務(wù)水平。