齊峰

中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司懷柔北機(jī)務(wù)段 北京 101408

引言

目前HXN5抱軸螺栓的安裝方式不能避免超扭矩安裝，且由于扭矩過大，容易造成人員受傷。未提高檢修作業(yè)質(zhì)量、減少人員受傷，開發(fā)HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)是十分必要的。本文基于HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性，目前存在的裝配問題，提出針對性的解決方案，實(shí)現(xiàn)HXN5抱軸螺栓裝配的量值化、智能化。

1 HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性

HXN5抱軸螺栓的拆裝主要是由機(jī)車廠家對機(jī)車進(jìn)行C5修或者廠修時(shí)完成的。HXN5型內(nèi)燃機(jī)車在機(jī)務(wù)段內(nèi)檢修過程中發(fā)現(xiàn)抱軸螺栓發(fā)生松動(dòng)、斷裂等情況，需要對電機(jī)輪對進(jìn)行拆解、檢測、檢修，完成后再重新組裝。在輪對踏面磨耗到限需要臨時(shí)更換新輪對時(shí)，也需要對HXN5抱軸螺栓進(jìn)行拆裝。HXN5抱軸螺栓的拆裝是機(jī)務(wù)段檢修中必須掌握的一項(xiàng)檢修技術(shù)，提高HXN5抱軸螺栓裝配質(zhì)量也是“提質(zhì)增效”的重點(diǎn)之一。

2 當(dāng)前普遍的作業(yè)流程

HXN5抱軸螺栓的拆卸，一般采用大扭矩氣動(dòng)沖擊扳手進(jìn)行拆卸，大部分螺栓可以通過氣動(dòng)沖擊扳手直接拆卸下來，少部分螺栓由于生銹等原因，采用氣動(dòng)沖擊扳手無法拆卸，此時(shí)需要3個(gè)人采用加長加力桿人工拆卸，甚至需要?jiǎng)佑脷飧顚β菟ㄟM(jìn)行切割拆卸。

HXN5抱軸螺栓的安裝，一般采用氣動(dòng)沖擊扳手進(jìn)行依次預(yù)緊，然后再依次擰緊，使用氣動(dòng)沖擊扳手對每顆螺栓持續(xù)的沖擊式擰緊，之后再使用大扭矩的扭矩扳手對螺栓進(jìn)行復(fù)緊校驗(yàn)。由于HXN5抱軸螺栓擰緊的合格扭矩達(dá)到了1800Nm以上，1個(gè)人力量有限無法達(dá)到此扭矩值，需要2人甚至3人使用大扭矩的扭矩扳手對螺栓進(jìn)行復(fù)緊校驗(yàn)。此時(shí)用扭矩扳手進(jìn)行校驗(yàn)，顯示為合格。

3 當(dāng)前作業(yè)流程存在的問題和弊端

HXN5抱軸螺栓拆卸時(shí)如遇到需要人為采用加長加力桿拆卸時(shí)，經(jīng)常遇到螺栓突然松動(dòng)，此時(shí)容易造成人員受傷，已發(fā)生多起工人腰部扭傷事件。

由于大扭矩氣動(dòng)沖擊扳手無法精確控制扭矩，往往會造成HXN5抱軸螺栓過扭矩安裝。此時(shí)雖然使用大扭矩扳手進(jìn)行了復(fù)緊校驗(yàn)，顯示扭矩合格，但由于螺栓安裝扭矩超過正常的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值范圍，使螺栓的拉伸量超過螺栓的屈服強(qiáng)度。行車過程中的震動(dòng)導(dǎo)致過扭矩安裝的抱軸螺栓極其容易發(fā)生斷裂事故，已發(fā)生多起HXN5抱軸螺栓斷裂的情況。當(dāng)一顆螺栓斷裂后，其他螺栓應(yīng)力也會隨之發(fā)生改變，容易發(fā)生斷裂情況。如檢查檢修不及時(shí)，很容易造成重大事故的發(fā)生，對社會生產(chǎn)、財(cái)產(chǎn)和人身安全危害巨大。

發(fā)生螺栓斷裂事故時(shí)，由于無法查詢到螺栓裝配時(shí)的實(shí)際扭矩值記錄，這對事故原因的分析造成很大困擾。

4 螺栓斷裂或松動(dòng)的處理方式

斷裂的螺栓一般采用電焊粘出；松動(dòng)螺栓更換全新螺栓。此時(shí)需要將抱軸螺栓全部拆下，對電機(jī)、輪對等進(jìn)行全面的檢修、檢測、評估等工作，確保無安全隱患后，將所有抱軸螺栓更換為全新螺栓，再進(jìn)行重新安裝[1]。電焊粘出的方式，對操作者的技術(shù)要求極高，操作不當(dāng)很容易造成抱軸箱螺紋孔的損壞甚至報(bào)廢，即便是操作得當(dāng)也會對抱軸箱螺紋孔造成一定的損傷，因?yàn)楦邷厝菀资蛊洳牧系木Ц窠Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其螺紋強(qiáng)度降低。

5 針對目前存在的問題提出解決方案

針對HXN5抱軸螺栓安裝的一系列問題，開發(fā)設(shè)計(jì)HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成為：上位服務(wù)器；定制化扭矩管理系統(tǒng)軟件；預(yù)緊工具；精確控制扭矩的擰緊工具（電動(dòng)或氣動(dòng)）；高精度定制化扭矩傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。

5.1 上位服務(wù)器

應(yīng)采用加固三防筆記本電腦，抗震動(dòng)、抗沖擊、寬溫運(yùn)行，IP5X防塵，IPX3防水，保證使用現(xiàn)場耐用度。

5.2 定制化扭矩管理系統(tǒng)

通過了解現(xiàn)有的其他管理系統(tǒng)軟件，對扭矩管理系統(tǒng)軟件提出以下要求。

5.2.1 軟件應(yīng)包含：登錄界面、操作界面、設(shè)置界面、人員及權(quán)限管理界面、查詢界面等。①登錄界面，可根據(jù)權(quán)限登錄軟件，不同權(quán)限人員登錄軟件后，軟件使用的權(quán)限等級不同。②操作界面，要求界面各功能模塊分區(qū)清晰、簡潔、易于操作。③設(shè)置界面，包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、扭矩設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置等功能。④人員及權(quán)限管理界面，包含人員管理，各人員的權(quán)限等級管理等功能。⑤查詢界面，要求可根據(jù)時(shí)間、人員、車號等信息進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。

5.2.2 數(shù)據(jù)庫必須為加密數(shù)據(jù)庫，避免數(shù)據(jù)泄密。數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)要求不可刪除，方便后期隨時(shí)查詢。

在一個(gè)道德意識淺薄、公共意識低下的社會環(huán)境下，不可能營造出高品位的會計(jì)人員職業(yè)道德。營造良好的會計(jì)從業(yè)環(huán)境，不是僅靠會計(jì)業(yè)界的努力就能做到的，而是依托社會各方面的變革與協(xié)調(diào)，尤其是應(yīng)與法律、各行各業(yè)的職業(yè)道德同步，只有這樣才能做好會計(jì)人員職業(yè)道德建設(shè)。

5.2.3 要求軟件可生成檢修報(bào)告，方便打印成紙質(zhì)資料進(jìn)行存檔。

5.2.4 軟件須預(yù)留接入段內(nèi)綜合管理系統(tǒng)的端口。滿足鐵路機(jī)車檢修管理信息化、量值化、智能化、自動(dòng)化的需求。

5.2.5 要求軟件進(jìn)行升級時(shí)，不影響升級前數(shù)據(jù)庫的查詢使用。

5.3 預(yù)緊工具

應(yīng)選用符合HXN5抱軸螺栓預(yù)緊扭矩需求的動(dòng)力工具（可采用小扭矩充電式?jīng)_擊扳手），采用可快充的鋰電池，長壽命的無刷電機(jī)，提高工作效率。

HXN5抱軸螺栓采用的是10.9級的高強(qiáng)度螺栓，必須分兩次進(jìn)行擰緊，第一次為初擰，初擰緊固到螺栓標(biāo)準(zhǔn)軸力（即設(shè)計(jì)預(yù)拉力）的60%～80%，初擰的扭矩值不得小于終擰扭矩值的30%，HXN5抱軸螺栓的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值為1860Nm，預(yù)緊的扭矩值應(yīng)≥558Nm，可選用600Nm的充電式?jīng)_擊扳手進(jìn)行預(yù)緊，不得使用預(yù)緊工具進(jìn)行長時(shí)間打緊，當(dāng)螺栓轉(zhuǎn)不動(dòng)時(shí)立即停止打緊，避免初擰扭矩過高，影響最終擰緊的扭矩精度。

5.4 精確控制扭矩的擰緊工具

應(yīng)采用失速式的氣動(dòng)或電動(dòng)扭矩扳手，優(yōu)點(diǎn)是此類扭矩扳手以電力或壓縮空氣作為動(dòng)力，節(jié)省人力，提高工作效率，按下開關(guān)后，可持續(xù)不斷的輸出無沖擊動(dòng)力，相較于液壓扳手，避免需要一直重復(fù)按動(dòng)液壓開關(guān)、轉(zhuǎn)速低等問題，大大提高工作效率；相較于沖擊扳手，此類扭矩扳手無沖擊，無振動(dòng)，低噪音，避免振動(dòng)對螺栓、人體造成的傷害。

出于安全因素以及現(xiàn)場動(dòng)力源的考慮，建議使用失速式氣動(dòng)扭矩扳手（無觸電風(fēng)險(xiǎn)），采用高精密壓縮空氣壓力控制原件，匹配的高精密氣動(dòng)馬達(dá)，壓縮空氣流量均勻，壓力動(dòng)力曲線平緩，保證持續(xù)輸出無沖擊的穩(wěn)定動(dòng)力。配備的高精密齒輪減速機(jī)構(gòu)，對氣動(dòng)馬達(dá)輸出的動(dòng)力進(jìn)行平穩(wěn)放大。要求相關(guān)計(jì)量機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行扭矩校準(zhǔn)，確保輸出扭矩值量值的可靠性。

5.5 高精度定制化扭矩傳感器

扭矩傳感器須由相關(guān)計(jì)量單位檢定和校準(zhǔn)，確保量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確可靠。

經(jīng)研究，可采用兩種解決方案：

方案一：采用大扭矩?cái)?shù)字扭矩扳手，HXN5抱軸螺栓使用精確控制扭矩的擰緊工具擰緊后，再使用大扭矩?cái)?shù)字扭矩扳手進(jìn)行依次復(fù)緊校驗(yàn)，并采集每顆螺栓的扭矩值上傳至上位服務(wù)器。

此方案的弊端：增加一次擰緊工序，由于HXN5抱軸螺栓擰緊的合格扭矩達(dá)到了1800Nm以上，1個(gè)人力量有限無法達(dá)到此扭矩值，此時(shí)需要2人甚至3人使用大扭矩?cái)?shù)字扭矩扳手對螺栓進(jìn)行復(fù)緊校驗(yàn)，容易造成人員受傷。如人員配合不當(dāng)，力度很難掌控，很容易超出合格的扭矩范圍。

另外，不能杜絕數(shù)據(jù)人為造假，現(xiàn)場工人還可以采用以前的大扭矩氣動(dòng)沖擊扳手進(jìn)行擰緊，很容易使螺栓的拉伸量超過螺栓的屈服強(qiáng)度，此時(shí)再使用大扭矩?cái)?shù)字扭矩扳手進(jìn)行復(fù)緊，也可以得到各個(gè)螺栓的合格扭矩?cái)?shù)值，但實(shí)際扭矩?cái)?shù)值已超過合格扭矩。

方案二：研發(fā)設(shè)計(jì)專用扭矩傳感器。

使用標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，需要傳感器連接精確控制扭矩的擰緊工具后再連接套筒，需要設(shè)計(jì)定制加高反力臂，由于增加2個(gè)有間隙配合的連接，會大大增加機(jī)械連接的不穩(wěn)定性，同時(shí)影響整套系統(tǒng)最終扭矩輸出精度的穩(wěn)定性。

研發(fā)設(shè)計(jì)專用扭矩傳感器，據(jù)考察研究，可設(shè)計(jì)套筒形式的扭矩傳感器，此類型傳感器可以直接替代套筒來使用，機(jī)械連接性可靠。精確控制扭矩的擰緊工具直接作用于專用扭矩傳感器套筒，對HXN5螺栓進(jìn)行擰緊，傳感器內(nèi)部的彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量電橋，當(dāng)傳感器彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮?shí)現(xiàn)扭矩測量[2]。由傳感器套筒內(nèi)部的單片機(jī)進(jìn)行電信號采集，并通過計(jì)算將電信號轉(zhuǎn)換為扭矩?cái)?shù)值。當(dāng)精確控制扭矩的擰緊工具擰到合格扭矩停機(jī)時(shí)，扭矩傳感器套筒會采集此時(shí)的峰值扭矩，并通過工業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)如WiFi、Zig Bee或藍(lán)牙等傳輸方式，將扭矩?cái)?shù)值上傳至上位服務(wù)器。

5.6 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)級WiFi、Zig Bee或藍(lán)牙等無線傳輸方式，工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具備防塵、防靜電、抗浪涌等功能，保證數(shù)據(jù)在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下的穩(wěn)定傳輸。

根據(jù)鐵總對網(wǎng)絡(luò)安全的要求，無線網(wǎng)絡(luò)必須為加密的局域性網(wǎng)絡(luò)，禁止連接互聯(lián)網(wǎng)，禁止任何不相關(guān)設(shè)備接入。

整套系統(tǒng)需要滿足HXN5抱軸螺栓裝配的工藝流程，須記錄車號、工作班組、工作人員、裝配時(shí)間、裝配地點(diǎn)等信息，須能記錄每顆螺栓對應(yīng)的唯一實(shí)際扭矩值。

6 新解決方案解決的實(shí)際痛點(diǎn)

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)解決了檢修作業(yè)中各個(gè)螺栓沒有對應(yīng)扭矩記錄的問題通過HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)束了之前憑經(jīng)驗(yàn)修車，出現(xiàn)螺栓松動(dòng)或斷裂事故后，由于沒有各個(gè)抱軸螺栓實(shí)際的扭矩?cái)?shù)值記錄，導(dǎo)致無法找到事故真正的原因[3]。

6.1 檢修量值化，智能化

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)，可以記錄檢修車型，機(jī)車車號，檢修作業(yè)位置，檢修作業(yè)人員，檢修作業(yè)時(shí)間，每一顆螺栓的實(shí)際對應(yīng)扭矩值會實(shí)時(shí)上傳至上位服務(wù)器，并自動(dòng)生成檢修報(bào)告，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行永久性保存，方便后期隨時(shí)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

6.2 減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度

整個(gè)檢修過程，全程配備動(dòng)力工具。抱軸螺栓的拆卸，由失速式氣動(dòng)扭矩扳手進(jìn)行拆卸，壓縮空氣作為動(dòng)力源，杜絕因螺栓突然松動(dòng)造成的人員受傷（如腰部扭傷）。抱軸螺栓的擰緊，螺栓預(yù)緊配備小扭矩充電式電動(dòng)沖擊扳手，擰緊過程由扭矩傳感器配合失速式氣動(dòng)扭矩扳手，杜絕大型氣動(dòng)沖擊扳手對人體的振動(dòng)傷害，同時(shí)不需要再使用大扭矩的機(jī)械扭矩扳手進(jìn)行復(fù)緊校驗(yàn)，減少腰部扭傷等人身傷害，大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

6.3 提高檢修質(zhì)量

施加正確的扭矩對于確保正確的夾緊力和安全的螺栓連接至關(guān)重要，合格的扭矩范圍是螺栓擰緊的關(guān)鍵指標(biāo)。HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)的應(yīng)用，確保了每顆抱軸螺栓的實(shí)際扭矩值都在合格范圍內(nèi)，既保證了抱軸箱的夾緊力，又避免因?yàn)槌^螺栓的屈服強(qiáng)度而造成螺栓斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，使得抱軸螺栓的檢修擰緊質(zhì)量大大提高。

6.4 合格的裝配可大大減少事故的發(fā)生

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)的應(yīng)用，提高檢修質(zhì)量的同時(shí)，會避免由于螺栓擰緊扭矩不合格造成的螺栓松動(dòng)、斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，如檢修不及時(shí)，很容易造成重大事故。

7 結(jié)束語

在鐵總提出鐵路機(jī)車檢修管理信息化、量值化、智能化、自動(dòng)化需求的前提下，鑒于國家鐵路局關(guān)于印發(fā)《鐵路計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》的通知[4]。針對HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性、作業(yè)流程、目前存在的弊端，提出HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統(tǒng)的探索研發(fā)設(shè)計(jì)，從根本上實(shí)現(xiàn)了HXN5抱軸螺栓裝配的信息化、智能化、自動(dòng)化、扭矩量值化，符合并實(shí)現(xiàn)鐵路計(jì)量發(fā)展規(guī)劃的量值溯源。