卡箍拧紧力矩与等效压紧力之间的关系

2022-03-28刘士玉崔永森冷雪鑫

大众标准化 2022年3期

秦奋，刘士玉，崔永森，冷雪鑫，陈长

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336）

1 前言

国家法规和行业标准针对卡箍拧紧力矩和等效压紧力没有建立明确的关系。都是“拧紧”进行描述。在现实生产中技能人员的培训只能经验传授，没有定量描述，卡箍装配质量问题分析归结到人员培训，不可根治。目前，随着生产模块化，部件通用化，卡箍在试验试制、工业生产、工程施工、生活维修等领域被广泛使用。受卡箍自生一致性影响和被拧紧材料特性不同影响，拧紧力矩与密封情况都不能进行标准化。特别是在工业生产中卡箍拧紧都是经验传递，无法具体量化，使得产品质量受人工技能、工作态度等影响较大。通过文章描述的方法建立起来可量化的卡箍拧紧力矩与等效压紧力的关系。可以进行自动化拧紧参数匹配，也可以进行技能人员肌肉记忆训练。

2 试验装置与试验方法

2.1 薄膜压力测试系统制作方法

图1为测试系统的压力采集部分。笔者使用某系列薄膜压力传感器。由于要验证拧紧扭矩和产生压力的关系，所以选择一款柔性的薄膜压力传感器。无压力的时候会有10 MΩ的电阻，当有压力触发后，电阻会从几百KΩ到几千KΩ，压力越大电阻越小。

图1 薄膜压力传感器

薄膜压力传感器形变量变化会导致其输出电阻值发生变化。由于单片机模拟量采集引脚无法直接采集电阻值，所以需要线性电压转换模块将电阻值转换为电压值。

薄膜压力传感器受力产生的电阻信号经线性电压转换模块转换为电压信号。单片机采集电压信号后通过公式计算转换，将电压值转换为相对应的压力值，并通过串口输出。

图2为Arduino UNO开发板，将线性电压转换模块AO引脚接入单片机模拟量采集引脚，见图2。根据工程量模拟量转换公式编写程序，公式如下：

图2 Arduino UNO 开发板

工程量当前值即为输出压力值。工程量上下限即为压力传感器的检测压力上下限。模拟量上下限为单片机模拟量口对应的上下限值。将数据代入公式中即可计算出压力值。程序中还需添加串口读取程序，方便在实验中直接读取模拟量口数据，读取的数据可以直接保存至Excel软件，方便后期进行分析处理。程序截图如图3：

图3 程序截图

PRESS_MIN为传感器最小量程（单位g）

PRESS_MAX为传感器最大量程（单位g）

VOLTAGE_MIN为模拟量下限

VOLTAGE_MAX为模拟量上限

将模拟量上下限及工程量上下限值带入程序中，即可在串口实时反馈出工程量当前值（图4），即压力值。

图4 串口界面

2.2 传感器标定

因为传感器的精度直接影响实验数据的准确，所以每组实验前都需要对传感器进行标定。砝码每年广电计量都会进行年检，认定砝码质量为标准质量。将砝码平稳地压在薄膜压力传感器上面，通过串口反馈出的压力值进行调节。电压转换模块上带有电位器，只需调节电位器就可以调节至标准点。每次标定时都需压住3 min以上，保证薄膜压力传感器在测量过程中不会发生形变。

2.3 不同管径工装

首先根据日常紧固的管径制作了工装（图5）。分别选取15.2 mm、16.9 mm、21.1 mm、28.8 mm、31.0 mm等尺寸进行验证，验证不同管径，不同材质结构胶管拧紧力矩与等效压紧力的关系。

图5 不同管径工装

3 试验结果与分析

3.1 试验过程及数据采集

将薄膜压力传感器放置在工装表面，并用胶管套在工装外表面。卡箍卡在薄膜压力传感器相对应位置，准备进行拧紧。起始设定扭矩为5 Nm，每次拧紧90°，拧紧至5 Nm后第一组数据测量结束。松掉卡箍，调节设定扭矩，更换为6 Nm。以此类推，更换扭矩值步长为1 Nm,直至卡箍损坏，1 Nm数据记录全过程。抽取一组数据作为案例（31 mm管径工装），数据记录见表1：

表1 部分原始数据

横坐标计量扭矩值，纵坐标计量时间，表格填写内容为某一扭矩在一段时间内拧紧卡箍产生的压力值。获取到初始数据后需要进行数据筛选与处理，先将数据整合为曲线图，通过曲线图观察数据的异常点，将异常点删除后保存数据。各扭矩数据采集处理结束后整合到一张曲线图表中，横轴时间单位为S,纵轴压力单位为g,如图7：

图7 数据转换为折线图

通过数据分析可以看出，拧紧力矩与等效压紧力不是线性关系，在初始阶段，拧紧力矩与等效压紧力矩以一个常量斜率关系对应，到达一定扭矩后部分卡箍持续增加拧紧力矩，等效压紧力不再增加，部分卡箍等效压紧力还能以另外一个斜率增加，最终所有卡箍等效压紧力都不再随着拧紧力矩增大而增加。把第一拐点定义为A、第二拐点定义为B，通过样件最终状主观评价超过A点的样件就会进入风险状态，见图8～图10。通过统计研究验证发现，在拧紧到A点，最为合适见图11。