高速列車電動擰緊裝置在線智能檢測技術的研究與應用

王 言，林永強，周 菁，趙興亮，史路陽

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

高速列車產業是支撐國家重大戰略實施和拉動國民經濟發展的重要支柱產業。保障高速列車平穩運行的一個關鍵部件就是動車組轉向架，其質量的優劣將直接影響高速列車的運行品質、動力性能和行車安全。由于轉向架由構架、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量是影響轉向架產品質量的重要因素，針對電動擰緊裝置的在線檢測與質量控制也成為生產過程中必不可少的一環。

目前國內外電動擰緊裝置的校準方式一般有2種：一種是利用靜態校準儀進行校準，另一種則是動態扭矩測試儀[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，即校準過程無法反映生產現場實際工況的擰緊狀態。

隨著“十四五”規劃的開展以及企業數字化工廠的不斷完善，擰緊工藝及擰緊裝置的復雜程度和自動化程度也逐漸提高，而機械架構使其在一定程度上無法滿足實驗室內部檢測要求。因此如何實現電動擰緊裝置的擰緊工藝質量的在線檢測，保證螺栓連接件的擰緊質量，保障高速列車運行平穩、可靠，已成為高速列車產業技術的重要研究課題，同時也是本次研究的主要方向。

1 總體思路

根據電動擰緊裝置的使用現狀，基于擰緊策略及質量控制標準，采用目前先進的綜合校驗臺，引入智能螺栓模擬器，集成液壓剎車模塊、便攜式動態傳感器等技術，輔以綜合測試分析系統，通過實際生產工況模擬、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，對工作數據和實驗數據進行存儲和分析，對電動擰緊裝置的輸出扭矩和使用狀態進行實時監控，基于區塊化和局域網數字技術，完成現場生產計算，滿足各類自動化流水線電動擰緊裝置在線檢測，實現各擰緊工藝的擰緊質量控制，完成“計量+產業”結合，保障高速列車關鍵部件的質量要求，保障高速列車運行平穩可靠。

2 技術方案

由于高速列車中螺栓種類復雜，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。同時螺栓的安裝結構、擰緊步數和間隔時間的不同也會對扭矩輸出產生一定的影響。因此如何確保扭矩在線檢測滿足實際生產工況要求，是本次研究的一個關鍵要素。

以轉向架組裝為例，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，不僅需要使校準過程滿足生產工況要求，還要使傳感器覆蓋各量程區間，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 在線智能檢測設備整體架構

在線智能檢測設備由綜合校驗臺、便攜式動態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、液壓剎車模塊，可對實際生產工況的連接硬度進行模擬，使校準過程最大程度符合生產工藝要求。同時，不同于普通的單一扭矩測量，該設備可進行扭矩、角度控制、扭矩+角度控制和動（靜）態扭矩測量等多種擰緊策略的扭矩檢測，為自動化生產線電動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，可通過設置參數，模擬現場各種螺栓連接的扭矩率大小。在測量過程中根據需求讀取峰值扭矩或動態追蹤扭矩，并通過數字信號反饋至處理器中。集成液壓剎車模塊，在達到預設扭矩時進行鎖死，可節省常規螺栓的反松步驟。此外，模擬器還可切換動態模式或靜態模式，可分別進行動態扭矩與靜態扭矩的測量，為不同情況下的質量控制提供保障。

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，可通過連接扭矩傳感器及智能扭矩扳子，實現“螺紋連接掃描”功能，獲得螺栓實際連接特性，并進行工況再現，使校準參數的設置更符合現場的實際情況。同時，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一步擴大。

2.1.2 便攜式動態扭矩傳感器

為了滿足部分特殊角度的電動擰緊裝置計量需求，配備動態傳感器如圖4所示，最大量程可達5 000 N·m。通過數據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，也可利用現場試驗測試件實現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量要求。

圖4 動態傳感器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，可對測量過程進行數據分析，顯示擰緊過程曲線，同時也可進行設備能力指數（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，滿足現場質量控制要求。

2.2.1 擰緊點管理

該功能主要通過設置相應擰緊參數，如目標扭矩、擰緊步驟和轉速等，對擰緊點進行統一管理。在后續進行檢測任務時，可直接調用系統內存儲的擰緊點，并可根據實際工藝要求，修改個別參數。這樣一來，不僅減少擰緊參數的設置時間，也將參數標準化，有利于校準過程的質量控制。

2.2.2 數據管理

測試軟件通過對試驗數據的分析，給出擰緊值合格與否的判定結論，并形成擰緊曲線。技術人員可根據曲線分析該電動擰緊裝置的使用性能及擰緊狀態。同時，系統可自動生成測試報告，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，是對生產設備能夠滿足要求及穩定性的能力評價。綜合測試分析系統可以通過采用數理統計的方法進行測量，考慮短期的離散，排除對過程有影響的非機器因素。實現在盡量短的時間內，相同的操作者、采用標準的作業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確與可靠。

2.3 設備連接及技術框架

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，首先需要調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，并設置連接硬度、扭矩閾值和采樣頻率等基本參數，而后進行扭矩輸出，通過綜合測試分析系統進行數據采集及處理，最終輸出測量結果。此外，也可根據需求串接動態扭矩傳感器，使測量范圍跨度進一步縮小，測量精確性進一步提高。設備連接圖如圖5所示、技術路線框架如圖6所示。

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

圖6 技術路線框架Fig.6 Technical route framework

3 應用驗證

3.1 在線智能檢測設備計量特性評估

3.1.1 誤差評估

假設電動擰緊裝置按照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]中的相關要求，利用0.1級標準扭矩扳子在量程范圍內均勻取點，對設備進行計量檢定。以100 N·m測量點為例，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]，對檢測設備進行獨立重復測量，取100 N·m為測量點，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，重復性通常也是校準結果的測量不確定度來源之一。

根據得到的誤差、重復性等系列測量結果，通過各不確定度分量進行擴展不確定度評定，最終確定本設備的擴展不確定度優于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

對于不同材質的結合面，由于存在不同程度的扭矩衰減，因此電動擰緊裝置在達到目標扭矩時所轉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]。

在生產現場選取一把狀態良好的電動擰緊裝置，測量范圍為（10～100）N·m。選取相應測量點，分別進行高扭矩率（硬連接）、低扭矩率（軟連接）連接方式下扭矩的在線檢測，同時，在相同環境下，相同的操作人員，用同一工具進行實際生產作業，工況模擬實驗數據如表4所示。

表4 工況模擬實驗數據Tab.4 Condition simulation experiment data

經試驗分析數據表明，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。在與現場工況進行實際比對之后，發現該智能螺栓模擬器所模擬的工況輸出扭矩與實際生產扭矩相差較小，由此可以確認該設備可有效模擬實際工況，避免因檢測和生產工況不一而帶來的數據誤差，對工件的擰緊質量有十足的保證。低、高扭矩率連接狀態下扭矩/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 高扭矩率連接狀態下扭矩/角度擰緊曲線Fig.8 Torque/Angle tightening curve under high torque rate connection condition

4 結論

電動擰緊裝置在線智能檢測技術利用工況模擬、智能分析和綜合管理，依托產業計量總體構架，實現各自動化生產線電動擰緊裝置的在線檢測及擰緊質量控制。通過數據采集、運算、分析以及曲線應用，使復雜的統計簡單化、形象化和直觀化，推進了數字化工廠生產線關鍵工序的智能化應用實施，建立了在線檢測標準模式，提升轉向架等關鍵零部件質量精度，提升高速列車運營安全性、可靠性和經濟性，提升高速列車產業在線檢測技術服務水平。