HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统研究

齐峰

中国铁路北京局集团有限公司怀柔北机务段 北京 101408

引言

目前HXN5抱轴螺栓的安装方式不能避免超扭矩安装，且由于扭矩过大，容易造成人员受伤。未提高检修作业质量、减少人员受伤，开发HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统是十分必要的。本文基于HXN5抱轴螺栓拆装的必要性，目前存在的装配问题，提出针对性的解决方案，实现HXN5抱轴螺栓装配的量值化、智能化。

1 HXN5抱轴螺栓拆装的必要性

HXN5抱轴螺栓的拆装主要是由机车厂家对机车进行C5修或者厂修时完成的。HXN5型内燃机车在机务段内检修过程中发现抱轴螺栓发生松动、断裂等情况，需要对电机轮对进行拆解、检测、检修，完成后再重新组装。在轮对踏面磨耗到限需要临时更换新轮对时，也需要对HXN5抱轴螺栓进行拆装。HXN5抱轴螺栓的拆装是机务段检修中必须掌握的一项检修技术，提高HXN5抱轴螺栓装配质量也是“提质增效”的重点之一。

2 当前普遍的作业流程

HXN5抱轴螺栓的拆卸，一般采用大扭矩气动冲击扳手进行拆卸，大部分螺栓可以通过气动冲击扳手直接拆卸下来，少部分螺栓由于生锈等原因，采用气动冲击扳手无法拆卸，此时需要3个人采用加长加力杆人工拆卸，甚至需要动用气割对螺栓进行切割拆卸。

HXN5抱轴螺栓的安装，一般采用气动冲击扳手进行依次预紧，然后再依次拧紧，使用气动冲击扳手对每颗螺栓持续的冲击式拧紧，之后再使用大扭矩的扭矩扳手对螺栓进行复紧校验。由于HXN5抱轴螺栓拧紧的合格扭矩达到了1800Nm以上，1个人力量有限无法达到此扭矩值，需要2人甚至3人使用大扭矩的扭矩扳手对螺栓进行复紧校验。此时用扭矩扳手进行校验，显示为合格。

3 当前作业流程存在的问题和弊端

HXN5抱轴螺栓拆卸时如遇到需要人为采用加长加力杆拆卸时，经常遇到螺栓突然松动，此时容易造成人员受伤，已发生多起工人腰部扭伤事件。

由于大扭矩气动冲击扳手无法精确控制扭矩，往往会造成HXN5抱轴螺栓过扭矩安装。此时虽然使用大扭矩扳手进行了复紧校验，显示扭矩合格，但由于螺栓安装扭矩超过正常的标准扭矩值范围，使螺栓的拉伸量超过螺栓的屈服强度。行车过程中的震动导致过扭矩安装的抱轴螺栓极其容易发生断裂事故，已发生多起HXN5抱轴螺栓断裂的情况。当一颗螺栓断裂后，其他螺栓应力也会随之发生改变，容易发生断裂情况。如检查检修不及时，很容易造成重大事故的发生，对社会生产、财产和人身安全危害巨大。

发生螺栓断裂事故时，由于无法查询到螺栓装配时的实际扭矩值记录，这对事故原因的分析造成很大困扰。

4 螺栓断裂或松动的处理方式

断裂的螺栓一般采用电焊粘出；松动螺栓更换全新螺栓。此时需要将抱轴螺栓全部拆下，对电机、轮对等进行全面的检修、检测、评估等工作，确保无安全隐患后，将所有抱轴螺栓更换为全新螺栓，再进行重新安装[1]。电焊粘出的方式，对操作者的技术要求极高，操作不当很容易造成抱轴箱螺纹孔的损坏甚至报废，即便是操作得当也会对抱轴箱螺纹孔造成一定的损伤，因为高温容易使其材料的晶格结构发生变化，使其螺纹强度降低。

5 针对目前存在的问题提出解决方案

针对HXN5抱轴螺栓安装的一系列问题，开发设计HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统。系统构成为：上位服务器；定制化扭矩管理系统软件；预紧工具；精确控制扭矩的拧紧工具（电动或气动）；高精度定制化扭矩传感器；无线网络传输系统。

5.1 上位服务器

应采用加固三防笔记本电脑，抗震动、抗冲击、宽温运行，IP5X防尘，IPX3防水，保证使用现场耐用度。

5.2 定制化扭矩管理系统

通过了解现有的其他管理系统软件，对扭矩管理系统软件提出以下要求。

5.2.1 软件应包含：登录界面、操作界面、设置界面、人员及权限管理界面、查询界面等。①登录界面，可根据权限登录软件，不同权限人员登录软件后，软件使用的权限等级不同。②操作界面，要求界面各功能模块分区清晰、简洁、易于操作。③设置界面，包含网络设置、扭矩设置、系统设置等功能。④人员及权限管理界面，包含人员管理，各人员的权限等级管理等功能。⑤查询界面，要求可根据时间、人员、车号等信息进行历史数据的查询。

5.2.2 数据库必须为加密数据库，避免数据泄密。数据库历史数据要求不可删除，方便后期随时查询。

在一个道德意识浅薄、公共意识低下的社会环境下，不可能营造出高品位的会计人员职业道德。营造良好的会计从业环境，不是仅靠会计业界的努力就能做到的，而是依托社会各方面的变革与协调，尤其是应与法律、各行各业的职业道德同步，只有这样才能做好会计人员职业道德建设。

5.2.3 要求软件可生成检修报告，方便打印成纸质资料进行存档。

5.2.4 软件须预留接入段内综合管理系统的端口。满足铁路机车检修管理信息化、量值化、智能化、自动化的需求。

5.2.5 要求软件进行升级时，不影响升级前数据库的查询使用。

5.3 预紧工具

应选用符合HXN5抱轴螺栓预紧扭矩需求的动力工具（可采用小扭矩充电式冲击扳手），采用可快充的锂电池，长寿命的无刷电机，提高工作效率。

HXN5抱轴螺栓采用的是10.9级的高强度螺栓，必须分两次进行拧紧，第一次为初拧，初拧紧固到螺栓标准轴力（即设计预拉力）的60%～80%，初拧的扭矩值不得小于终拧扭矩值的30%，HXN5抱轴螺栓的标准扭矩值为1860Nm，预紧的扭矩值应≥558Nm，可选用600Nm的充电式冲击扳手进行预紧，不得使用预紧工具进行长时间打紧，当螺栓转不动时立即停止打紧，避免初拧扭矩过高，影响最终拧紧的扭矩精度。

5.4 精确控制扭矩的拧紧工具

应采用失速式的气动或电动扭矩扳手，优点是此类扭矩扳手以电力或压缩空气作为动力，节省人力，提高工作效率，按下开关后，可持续不断的输出无冲击动力，相较于液压扳手，避免需要一直重复按动液压开关、转速低等问题，大大提高工作效率；相较于冲击扳手，此类扭矩扳手无冲击，无振动，低噪音，避免振动对螺栓、人体造成的伤害。

出于安全因素以及现场动力源的考虑，建议使用失速式气动扭矩扳手（无触电风险），采用高精密压缩空气压力控制原件，匹配的高精密气动马达，压缩空气流量均匀，压力动力曲线平缓，保证持续输出无冲击的稳定动力。配备的高精密齿轮减速机构，对气动马达输出的动力进行平稳放大。要求相关计量机构对其进行扭矩校准，确保输出扭矩值量值的可靠性。

5.5 高精度定制化扭矩传感器

扭矩传感器须由相关计量单位检定和校准，确保量值的统一和准确可靠。

经研究，可采用两种解决方案：

方案一：采用大扭矩数字扭矩扳手，HXN5抱轴螺栓使用精确控制扭矩的拧紧工具拧紧后，再使用大扭矩数字扭矩扳手进行依次复紧校验，并采集每颗螺栓的扭矩值上传至上位服务器。

此方案的弊端：增加一次拧紧工序，由于HXN5抱轴螺栓拧紧的合格扭矩达到了1800Nm以上，1个人力量有限无法达到此扭矩值，此时需要2人甚至3人使用大扭矩数字扭矩扳手对螺栓进行复紧校验，容易造成人员受伤。如人员配合不当，力度很难掌控，很容易超出合格的扭矩范围。

另外，不能杜绝数据人为造假，现场工人还可以采用以前的大扭矩气动冲击扳手进行拧紧，很容易使螺栓的拉伸量超过螺栓的屈服强度，此时再使用大扭矩数字扭矩扳手进行复紧，也可以得到各个螺栓的合格扭矩数值，但实际扭矩数值已超过合格扭矩。

方案二：研发设计专用扭矩传感器。

使用标准扭矩传感器，需要传感器连接精确控制扭矩的拧紧工具后再连接套筒，需要设计定制加高反力臂，由于增加2个有间隙配合的连接，会大大增加机械连接的不稳定性，同时影响整套系统最终扭矩输出精度的稳定性。

研发设计专用扭矩传感器，据考察研究，可设计套筒形式的扭矩传感器，此类型传感器可以直接替代套筒来使用，机械连接性可靠。精确控制扭矩的拧紧工具直接作用于专用扭矩传感器套筒，对HXN5螺栓进行拧紧，传感器内部的弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当传感器弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量[2]。由传感器套筒内部的单片机进行电信号采集，并通过计算将电信号转换为扭矩数值。当精确控制扭矩的拧紧工具拧到合格扭矩停机时，扭矩传感器套筒会采集此时的峰值扭矩，并通过工业级无线网络如WiFi、Zig Bee或蓝牙等传输方式，将扭矩数值上传至上位服务器。

5.6 无线网络传输系统

应采用抗干扰能力强的工业级WiFi、Zig Bee或蓝牙等无线传输方式，工业级网络设备应具备防尘、防静电、抗浪涌等功能，保证数据在复杂的工业环境下的稳定传输。

根据铁总对网络安全的要求，无线网络必须为加密的局域性网络，禁止连接互联网，禁止任何不相关设备接入。

整套系统需要满足HXN5抱轴螺栓装配的工艺流程，须记录车号、工作班组、工作人员、装配时间、装配地点等信息，须能记录每颗螺栓对应的唯一实际扭矩值。

6 新解决方案解决的实际痛点

HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统解决了检修作业中各个螺栓没有对应扭矩记录的问题通过HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统的应用，结束了之前凭经验修车，出现螺栓松动或断裂事故后，由于没有各个抱轴螺栓实际的扭矩数值记录，导致无法找到事故真正的原因[3]。

6.1 检修量值化，智能化

HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统，可以记录检修车型，机车车号，检修作业位置，检修作业人员，检修作业时间，每一颗螺栓的实际对应扭矩值会实时上传至上位服务器，并自动生成检修报告，对所有数据进行永久性保存，方便后期随时查询相关数据。

6.2 减轻工人劳动强度

整个检修过程，全程配备动力工具。抱轴螺栓的拆卸，由失速式气动扭矩扳手进行拆卸，压缩空气作为动力源，杜绝因螺栓突然松动造成的人员受伤（如腰部扭伤）。抱轴螺栓的拧紧，螺栓预紧配备小扭矩充电式电动冲击扳手，拧紧过程由扭矩传感器配合失速式气动扭矩扳手，杜绝大型气动冲击扳手对人体的振动伤害，同时不需要再使用大扭矩的机械扭矩扳手进行复紧校验，减少腰部扭伤等人身伤害，大大减轻工人劳动强度。

6.3 提高检修质量

施加正确的扭矩对于确保正确的夹紧力和安全的螺栓连接至关重要，合格的扭矩范围是螺栓拧紧的关键指标。HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统的应用，确保了每颗抱轴螺栓的实际扭矩值都在合格范围内，既保证了抱轴箱的夹紧力，又避免因为超过螺栓的屈服强度而造成螺栓断裂的风险，使得抱轴螺栓的检修拧紧质量大大提高。

6.4 合格的装配可大大减少事故的发生

HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统的应用，提高检修质量的同时，会避免由于螺栓拧紧扭矩不合格造成的螺栓松动、断裂的风险，如检修不及时，很容易造成重大事故。

7 结束语

在铁总提出铁路机车检修管理信息化、量值化、智能化、自动化需求的前提下，鉴于国家铁路局关于印发《铁路计量发展规划（2021-2035年）》的通知[4]。针对HXN5抱轴螺栓拆装的必要性、作业流程、目前存在的弊端，提出HXN5抱轴螺栓装配扭矩管理系统的探索研发设计，从根本上实现了HXN5抱轴螺栓装配的信息化、智能化、自动化、扭矩量值化，符合并实现铁路计量发展规划的量值溯源。