摘要：现如今，我国的城市建设在不断的加快，地铁的建设在我国在不断的加快，螺纹联接是地铁车辆常用的设计结构，带力矩的螺栓紧固过程是车辆装配的重要组成部分，对螺栓紧固的装配力矩进行有效实施与控制不仅可以满足车辆装配质量及安全性能的要求，同时对于车辆的运行及维修保养提供了有力保证。文章介绍了轨道车辆力矩紧固的分类和螺栓紧固方法，着重研究了装配生产中常采用的扭矩拧紧法，对操作过程中力矩施加的工具及其校准仪器的精度和使用方法进行了分析，并提出了切实有效的带力矩螺栓紧固的工艺过程控制方法。
关键词：螺纹联接；力矩紧固；工艺过程控制
引言
螺栓连接是目前地铁车辆组装过程中常见的连接结构。但在正常的车辆组装过程中，螺栓断裂、螺纹滑丝等失效形式时有发生，造成生产延误。在螺栓产品合格基础上，螺栓连接现场装配主要涉及调整垫片、拧紧添加剂的使用等装配因素，这些因素对螺栓连接的影响程度如何，尚未有明确结论，目前多看到的是车辆运营过程中螺栓连接失效的分析研究。为此，本文以地铁车辆组装用量较大的M8×30规格普通外六角不锈钢螺栓为实验对象，研究调整垫片厚度、数量及其组合，油脂和紧固剂使用与否等装配因素对螺栓连接失效的影响程度。本文采用单因素和多因素正交实验，利用方差和极差分析方法处理实验数据，以得到理论依据，为地铁车辆装配螺栓提供参考，从而提高车辆装配的效率和可靠度。
1力矩紧固分类
在轨道车辆装配工艺中，螺纹连接分成3个风险等级：高风险-H级、中等风险-M级和小风险-G级。高风险-H级螺栓连接，指对生命和身体将会受到直接或间接的伤害，或对轨道车辆的操作存在的失效风险。拧紧力矩要求在图纸中标注。如车钩或空调等系统部件的安装螺栓、车下箱体或制动设备与车体的螺栓连接等。对于H级螺栓连接在工艺过程控制中不仅要求安装时将达到的检验值进行记录，同时尺寸大于M8的螺栓连接应使用一支记号笔以对比色在螺母和螺栓头上以及被紧固件上做防松标记。中等风险-M级的螺纹连接，指对轨道车辆直接或间接地引起故障，在严重的情况下，会扰乱车辆正常运营的失效风险。拧紧力矩也要求在图纸中标注。如脚蹬、辅助风缸以及其他重量较轻、起辅助功能的附件的安装。M级的螺纹连接在生产过程中不强制要求记录并形成文件。小风险-G级的螺纹连接，指故障可在车辆下一次进入车间时进行维修的螺纹连接失效或断裂风险。如电缆线槽的安装，客室及司机室的内装墙板和顶板，及其内部配套部件的紧固。G级的螺纹连接可使用常用的插口扳手或棘轮扳手进行安装，不限定拧紧力矩。
2螺栓紧固方法
2.1实验方案
尽管单因素实验所得到的结果在一定程度上反映了装配因素对实验指标的影响程度，但无法准确判断各因素对指标影响的主次顺序，而这一点对现场生产中螺栓连接的工艺安排有着重要的指导价值，故必须通过多因素实验进一步加以判断。最大失效力矩和最小失效力矩分别对应着螺栓连接在装配生产过程中推荐使用或尽可能避免的作业工况，因此，实验因素水平也依据这两个指标进行选择。另外，在地铁车辆现场装配中，由于装配空间限制，螺栓拧紧时，有时需要固定螺栓拧紧螺母，有时需要固定螺母拧紧螺栓，故多因素实验中也考虑了该因素对螺栓连接失效的影响。考察螺栓连接最易失效工况时，以最小失效力矩为实验指标，以单因素实验时失效力矩最小的两种垫片组合（2×2mm+1×1mm和5×1mm）、紧固方式（紧固螺母、紧固螺栓）及添加剂（油脂、紧固剂）为影响因素。考察螺栓连接最不易失效工况时，以螺栓连接最大失效力矩为实验指标，以单因素实验时失效力矩最大的两种垫片组合（0和5×2mm）、紧固方式（紧固螺母、紧固螺栓）及添加剂（无添加剂、油脂）为影响因素。
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2.2轻量化设计
优化后安全吊的质量为０．８２９ｋｇ，比优化前的质量小很多，意味着在同等振动加速度情况下，铝合金安全吊的螺栓要比原结构安全吊的螺栓受力小很多。为保证轻量化后的安全吊依然满足强度要求，将安全吊大应力区增厚，将远离大应力区结构减薄。在２１．３ｋＮ起吊载荷作用下铝合金安全吊应力分布见图２，最大应力约为１０８．８ＭＰａ，小于材料的屈服应力（２６０ＭＰａ）。
2.3屈服点拧紧法
屈服点拧紧法是将螺栓拧紧至螺纹材料屈服极限点的控制方法。此方法结合转角控制法，通过对扭矩-转角曲线斜率的连续计算并判断屈服点。先将螺栓拧紧到某一个规定的起始力矩，以此点为起始，设备监控拧紧曲线的斜率值的变化，如果斜率下降到超过设定值时，此时表明螺栓拉伸到至屈服点，工具可停止施力。屈服点拧紧法克服了摩擦系数和转角起始点对拧紧质量的影响，充分发挥螺纹件咬合强度，从而使装配精度获得提高。但是这种方法不仅要求螺栓具有良好性能和装配结构优化设计，同时易受干扰因素影响，需要较为精密的控制设备，从而加大了控制难度。
2.4金相检测
对螺栓疲劳裂纹源区的断口金相试样抛光后检查，发现该区域内无材料冶金缺陷，源区断口金相试样上显示其表面无氧化脱碳；断裂螺栓基本的金相组织为回火索氏体和少量的块状铁素体组织，并且有晶界显现现象。检测结果符合螺栓金相要求。
2.5因素主次排序分析
1）考察对最小失效力矩指标的影响程度，根据各因素Ｒ值，Ｒ值越大表示该因素的变化对实验指标的影响越大，所以单因素作用的主次顺序为添加剂B＞垫片组合A＞紧固方式C。两因素交互作用的主次顺序为B×C＞A×B＞A×C，即添加剂与紧固方式交互作用＞垫片组合与添加剂交互作用＞垫片组合与紧固方式交互作用。根据同因素k值比较，k值小的水平为优水平，所以3个因素共同作用下的最不利组合，即最易导致螺栓连接失效的装配工况为：使用2个2mm垫片和1个1mm垫片（A1）、加油脂（B1）并紧固螺母（C1），因此，装配过程中应尽可能避开此装配工况。2）考察对最大失效力矩指标的影响程度，根据各因素Ｒ值比较，单因素作用的主次顺序为添加剂B＞紧固方式C＞垫片组合A。两因素交互作用的主次顺序为B×C＞A×B＞A×C，即添加剂与紧固方式交互作用＞垫片组合与添加剂交互作用＞垫片组合与紧固方式交互作用。同因素k值比较，k值大的水平为优水平，所以3个因素共同作用下的最有利组合，即最不易导致螺栓连接失效的装配工况为：使用5个2mm垫片（A2）、不使用添加剂（B1）并紧固螺母（C2），因此，装配过程中可推荐此装配工况。
结语
在轨道车辆装配工艺中，对螺纹连接的质量有着高标准和严要求，所以正确选择和使用力矩工具至关重要，同时对螺栓扭矩的有效控制直接关系到产品的安全性和稳定性。本文详细介绍了基于扭矩拧紧法的带力矩的螺栓紧固的校验工具和工艺过程控制方法，有效地满足了地铁车辆的装配要求。
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论文作者:李桂琴,李冰,王茂润,张瑞,胡墨臣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
标签：螺栓论文; 力矩论文; 紧固论文; 因素论文; 垫片论文; 车辆论文; 组合论文; 《基层建设》2019年第31期论文;