螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在閥門(mén)產(chǎn)品裝配中的應用
介紹了閥門(mén)螺栓裝配采用手動(dòng)方式擰緊的操作過(guò)程及其產(chǎn)品連接可靠性和生產(chǎn)效率的現狀。分析了手動(dòng)方式擰緊螺栓工藝的局限性和螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的發(fā)展趨勢。提出了將螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)引入閥門(mén)螺栓擰緊過(guò)程的設想，在此基礎上應用某單軸自動(dòng)擰緊設備進(jìn)行了工藝試驗，并對螺栓組多軸同步擰緊技術(shù)在閥門(mén)產(chǎn)品裝配中的應用進(jìn)行了可行性探討。
1、概述
螺栓連接是閥門(mén)產(chǎn)品中最主要的連接方式。在天燃氣、核電等領(lǐng)域中，閥門(mén)產(chǎn)品多以環(huán)形螺栓組形式存在，其連接可靠性對產(chǎn)品的密封性和設計性能都有著(zhù)直接的影響，一旦連接失效將引發(fā)嚴重后果。例如，液化天然氣閥門(mén)螺栓連接失效極有可能引發(fā)天然氣外泄，從而可能引發(fā)火災和爆炸等。在閥門(mén)產(chǎn)品設計過(guò)程中，通常以單純扭矩法或扭矩+轉角法對擰緊過(guò)程加以約束，以保證連接可靠性。在制造過(guò)程中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)發(fā)現目前普遍采用手動(dòng)擰緊方式，即利用表盤(pán)扳手、定力矩扳手或轉角儀等工具進(jìn)行手動(dòng)裝配，連接可靠性和生產(chǎn)效率較低。本文將螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)引入閥門(mén)螺栓擰緊過(guò)程，剖析了傳統人工擰緊工藝的局限性，對螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結，在此基礎上應用某單軸自動(dòng)擰緊設備進(jìn)行工藝試驗，并對螺栓組多軸同步擰緊技術(shù)進(jìn)行了可行性探討。
2、閥門(mén)螺栓手動(dòng)擰緊工藝分析
2.1、閥門(mén)螺栓連接特點(diǎn)
螺栓連接的根本目的是利用螺紋緊固件將連接體可靠的連接在一起，而裝配擰緊的實(shí)質(zhì)是將螺栓的軸向預緊力控制在適當的范圍。閥門(mén)產(chǎn)品中螺栓連接具有螺栓數量多，可靠性要求高和90%以上螺栓以環(huán)形螺栓組形式存在等特點(diǎn)。以某閥門(mén)產(chǎn)品為例，每個(gè)閥門(mén)都包含入口法蘭、出口法蘭、開(kāi)腔作動(dòng)筒、關(guān)腔作動(dòng)筒和頂法蘭5個(gè)法蘭，每個(gè)法蘭均由6～20個(gè)呈環(huán)形排列的雙頭螺栓組裝配而成，兩者螺栓總數均在60個(gè)以上。合理而均勻的預緊力對法蘭連接處內應力有著(zhù)重要作用，在高頻振動(dòng)的工況下，過(guò)大的內應力可能成為連接部件產(chǎn)生裂紋的隱患，過(guò)小的預緊力又容易在振動(dòng)工況下產(chǎn)生滑動(dòng)甚至脫扣的危險，直接影響密封效果。因此，在裝配過(guò)程中必須保證施加的力矩和轉角滿(mǎn)足設計要求。
2.2、手動(dòng)閥門(mén)螺栓擰緊工藝及局限性
目前，國內閥門(mén)制造企業(yè)普遍采用手動(dòng)擰緊方式。對于環(huán)形螺栓組，除單個(gè)螺栓的擰緊質(zhì)量外，各螺栓間的擰緊順序對軸向預緊力的均勻分布有著(zhù)重要影響，不同的擰緊順序會(huì )造成螺栓的內應力產(chǎn)生順序發(fā)生改變，造成同樣的扭矩產(chǎn)生不同擰緊力的現象。在手動(dòng)擰緊模式下，當前普遍采用如圖2所示的對角線(xiàn)裝配模式。
需要注意的是，即使在對角線(xiàn)裝配模式下，由于各螺栓間的擰緊過(guò)程存在相互影響，為保證各螺栓施加的力矩均勻，通常采用3步擰緊策略，即第1步預擰緊(施加非常小的力矩)，第2步施加設計要求的力矩，第3步重復施加設計要求的力矩值。受多種因素的影響，手動(dòng)擰緊工藝具有一定的局限性。
(1)力矩施加精度較低。一方面，在采用表盤(pán)式扳手時(shí)主要依靠目視讀數，會(huì )存在一定誤差。另一方面，擰緊速度無(wú)法保持均勻一致，會(huì )造成動(dòng)摩擦力矩存在差異，影響裝配精度。
(2)生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強度大。整個(gè)擰緊過(guò)程完全依靠手動(dòng)工具進(jìn)行，由于各螺栓在位置上存在干涉，操作扭力扳手需要不斷的轉換工位，生產(chǎn)效率較低，勞動(dòng)強度大，在裝配大型閥門(mén)(高扭矩要求)過(guò)程中該問(wèn)題尤為突出。
(3)易產(chǎn)生法蘭翹曲，影響密封性。在對角線(xiàn)裝配模式下，由于在對角線(xiàn)兩端先后施加擰緊力，容易造成法蘭兩端高和中間低的翹曲現象，引起閥門(mén)泄漏。
(4)當施加力矩點(diǎn)較多時(shí)，容易出現重復施加力矩或漏施加力矩的情況。
(5)數字化程度差，不支持自動(dòng)記錄。操作者每完成一項工作需要將完成狀態(tài)及數據記錄到紙質(zhì)質(zhì)控卡，生產(chǎn)效率較低，工作過(guò)程不透明。
3、螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)
螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)是集機械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、電子技術(shù)及自動(dòng)檢測于一體的機電一體化技術(shù)，其技術(shù)發(fā)展的最終產(chǎn)品為螺栓自動(dòng)擰緊機。目前，螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在汽車(chē)裝配、電子產(chǎn)品裝配等行業(yè)中已得到了較廣泛的應用。目前，國外對螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的起步較早，理論技術(shù)日趨成熟。市場(chǎng)占有率較高的公司包括瑞典ATLAS、德國B(niǎo)OSCH、美國STANLY、INGERSOLL-RAND、英格索蘭INSIGHT、日本的DDK、ESTIC及韓國SETECH公司等。目前，電動(dòng)擰緊機在國內外汽車(chē)行業(yè)中得到了廣泛的應用。圖2和圖3分別為單軸和多軸擰緊技術(shù)的應用示例。
圖1 環(huán)形螺栓組對角線(xiàn)裝配工藝
圖2 單軸擰緊技術(shù)應用
圖3 多軸同步擰緊技術(shù)應用
國內對螺栓擰緊技術(shù)的研究目前仍處于研究階段。近年來(lái)，國內部分公司通過(guò)技術(shù)交流與合作，已初步掌握國際先進(jìn)的擰緊設備制造關(guān)鍵技術(shù)。如大連組合機床研究所與瑞典ATLAS公司合作，為江西五十鈴汽車(chē)廠(chǎng)研制了缸蓋、主軸承蓋、連桿及飛輪的自動(dòng)擰緊機。山東裝配技術(shù)公司研制開(kāi)發(fā)成功了多軸螺紋裝配系列工具，其產(chǎn)品包括3個(gè)系列14個(gè)規格，額定扭矩為5～3500N·m，最多可控制40個(gè)擰緊軸工作。大連理工大學(xué)汪春華等設計了基于工控機的多工位電動(dòng)螺栓擰緊機控制系統，成功應用于長(cháng)春一汽集團公司變速箱廠(chǎng)，實(shí)測工作節拍小于30s，扭矩控制精度小于3%，轉角控制精度小于0.1°。
4、基于螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的閥門(mén)螺栓組裝配工藝
4.1、單軸自動(dòng)擰緊設備的螺栓擰緊工藝試驗
選取某螺栓自動(dòng)擰緊機，以某閥門(mén)入口法蘭的螺栓組為研究對象進(jìn)行擰緊工藝試驗，該螺栓組包含10個(gè)螺栓，設計力矩要求為151N·m，自動(dòng)擰緊機的施加力矩范圍為7～23N·m。采用與手動(dòng)擰緊過(guò)程相同的對角線(xiàn)裝配模式和三步擰緊策略，第1步擰緊至2N·m，第2步擰緊至15N·m，第3步再次擰緊至15N·m，3個(gè)操作過(guò)程中保持自動(dòng)擰緊機轉速為600r/m。擰緊操作流程及參數通過(guò)管理系統預先一次設定完成，操作時(shí)僅需依次擰緊即可，擰緊完成后，用數顯力矩扳手對施加的力矩效果進(jìn)行檢驗。
工藝試驗結果如圖4和圖5所示，與手動(dòng)擰緊相比，自動(dòng)擰緊方式具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。
圖4 力矩施加效果對比
圖5 裝配效率對比
(1)力矩施加精度較高。在手動(dòng)擰緊方式下，超出力矩公差范圍的螺栓共有2個(gè)，擰緊精度僅為11.2%，造成該問(wèn)題的主要原因是人為因素所造成的影響。而在自動(dòng)擰緊方式下，該自動(dòng)擰緊機的ATC特性發(fā)揮了較好的作用，排除了其他因素可能造成的影響，擰緊精度達到3%，全部螺栓力矩均滿(mǎn)足設計要求。此外，兩組試驗數據的標準偏差對比情況為S自動(dòng)=0.09<S手動(dòng)=0.40，可見(jiàn)在10個(gè)螺栓所施加的力矩均勻程度方面，自動(dòng)擰緊方式也存在較明顯的優(yōu)勢。
(2)生產(chǎn)效率顯著(zhù)提高。手動(dòng)方式擰緊10個(gè)螺栓需約22min，而在自動(dòng)擰緊方式下該時(shí)間縮短為1min，生產(chǎn)效率提高了20余倍。當螺栓的設計力矩值增大時(shí)，自動(dòng)擰緊工藝在生產(chǎn)效率上的優(yōu)勢會(huì )更加明顯。
(3)具備較好的自動(dòng)防錯功能和數字化處理功能。整個(gè)裝配過(guò)程依據預先設定的程序流程進(jìn)行，一旦出現漏擰緊或重復擰緊問(wèn)題會(huì )及時(shí)報警，避免人為低檔次事故發(fā)生。此外，所有實(shí)際擰緊力矩值能夠自動(dòng)記錄存儲，同時(shí)系統自帶的分析軟件可以對擰緊全過(guò)程進(jìn)行統計分析，并且所有數據可以導入與工控機相連的計算機系統，整個(gè)操作過(guò)程工藝可靠，過(guò)程透明。
4.2、閥門(mén)螺栓組多軸同步自動(dòng)擰緊技術(shù)
由分析結果可知，單軸自動(dòng)擰緊技術(shù)的應用可以大幅度提高螺栓的裝配精度和效率。將多個(gè)單軸自動(dòng)擰緊工具通過(guò)并聯(lián)形式連接，即組成了多軸同步擰緊裝置。相對于單軸擰緊技術(shù)，多軸同步擰緊技術(shù)存在更多的技術(shù)優(yōu)勢。
(1)法蘭螺栓同步擰緊，可以更好的避免法蘭翹曲現象。
(2)生產(chǎn)效率可以成倍增加，其倍數等于包含的擰緊工具數量。
(3)可進(jìn)一步降低螺栓間擰緊過(guò)程的相互影響，提高裝配精度。
多軸同步擰緊技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機和輪轂裝配領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好的應用。與汽車(chē)等其他行業(yè)相比，閥門(mén)產(chǎn)品具有其自身的特點(diǎn)。如法蘭規格多，各螺栓組的直徑不同，在30～500mm范圍內變化，此外螺栓數量也各不相同，主要集中為4、6、8、10、12、16、20、24等。另外，通常閥門(mén)體積較小，多數直徑在120mm范圍。
因此，閥門(mén)產(chǎn)品同步擰緊擰緊技術(shù)需滿(mǎn)足一些特殊的要求。
(1)具有較高的柔性(操作直徑可變)，以滿(mǎn)足不同直徑螺栓組的需求。
(2)考慮到螺栓組的螺栓數量規格較多，且自動(dòng)擰緊機成本較高，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中通常無(wú)法做到完全同步擰緊，建議以部分同步擰緊方式代替，例如，一個(gè)3軸和一個(gè)4軸擰緊裝置的組合可滿(mǎn)足絕大多數閥門(mén)螺栓組的裝配過(guò)程。
(3)在滿(mǎn)足力矩施加范圍的基礎上，盡量選擇自身直徑較小的自動(dòng)擰緊工具，以避免在面對直徑較小的螺栓組時(shí)產(chǎn)生干涉。
目前，絕大多數企業(yè)的螺栓自動(dòng)擰緊機支持多軸并行工作模式，即電控箱組以其中一臺電控箱為主機采用并聯(lián)方式連接，實(shí)現多臺擰緊機的同步控制與操作。因此，閥門(mén)螺栓多軸同步擰緊裝置應設計實(shí)現柔性的擰緊機緊固工裝。一種可行的方式是設計位置調整螺釘，用以調節擰緊機組的直徑，以保證擰緊機組的直徑在一定范圍內可自由調整。
5、結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)對螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在閥門(mén)產(chǎn)品裝配過(guò)程中應用的初步探索，試驗證明單軸自動(dòng)擰緊工藝技術(shù)的應用能夠顯著(zhù)提高閥門(mén)螺栓擰緊過(guò)程的可靠性和裝配效率，同時(shí)具有較好的自動(dòng)防錯功能和數字化處理能力。多軸同步擰緊技術(shù)能夠在單軸擰緊技術(shù)的基礎上避免法蘭翹曲，成倍提高螺栓擰緊效率，并降低螺栓間擰緊過(guò)程中的相互影響，是閥門(mén)產(chǎn)品螺栓擰緊技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此，應在開(kāi)發(fā)多軸同步擰緊裝置的基礎上，進(jìn)一步深入研究閥門(mén)螺栓多軸擰緊工藝，提高閥門(mén)裝配的可靠性和生產(chǎn)效率。
