介紹了閥門螺栓裝配采用手動(dòng)方式擰緊的操作過程及其產(chǎn)品連接可靠性和生產(chǎn)效率的現(xiàn)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(shì)。提出了將螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)引入閥門螺栓擰緊過程的設(shè)想，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用某單軸自動(dòng)擰緊設(shè)備進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，并對(duì)螺栓組多軸同步擰緊技術(shù)在閥門產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性探討。

1、概述

　　螺栓連接是閥門產(chǎn)品中最主要的連接方式。在天燃?xì)�、核電等領(lǐng)域中，閥門產(chǎn)品多以環(huán)形螺栓組形式存在，其連接可靠性對(duì)產(chǎn)品的密封性和設(shè)計(jì)性能都有著直接的影響，一旦連接失效將引發(fā)嚴(yán)重后果。例如，液化天然氣閥門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(zāi)和爆炸等。在閥門產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通常以單純扭矩法或扭矩+轉(zhuǎn)角法對(duì)擰緊過程加以約束，以保證連接可靠性。在制造過程中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)發(fā)現(xiàn)目前普遍采用手動(dòng)擰緊方式，即利用表盤扳手、定力矩扳手或轉(zhuǎn)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)引入閥門螺栓擰緊過程，剖析了傳統(tǒng)人工擰緊工藝的局限性，對(duì)螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用某單軸自動(dòng)擰緊設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并對(duì)螺栓組多軸同步擰緊技術(shù)進(jìn)行了可行性探討。

2、閥門螺栓手動(dòng)擰緊工藝分析

　　2.1、閥門螺栓連接特點(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(yù)緊力控制在適當(dāng)?shù)姆秶�。閥門產(chǎn)品中螺栓連接具有螺栓數(shù)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)。以某閥門產(chǎn)品為例，每個(gè)閥門都包含入口法蘭、出口法蘭、開腔作動(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(shù)均在60個(gè)以上。合理而均勻的預(yù)緊力對(duì)法蘭連接處內(nèi)應(yīng)力有著重要作用，在高頻振動(dòng)的工況下，過大的內(nèi)應(yīng)力可能成為連接部件產(chǎn)生裂紋的隱患，過小的預(yù)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(xiǎn)，直接影響密封效果。因此，在裝配過程中必須保證施加的力矩和轉(zhuǎn)角滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.2、手動(dòng)閥門螺栓擰緊工藝及局限性

　　目前，國(guó)內(nèi)閥門制造企業(yè)普遍采用手動(dòng)擰緊方式。對(duì)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?qū)�軸向預(yù)緊力的均勻分布有著重要影響，不同的擰緊順序會(huì)造成螺栓的內(nèi)應(yīng)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(xiàn)象。在手動(dòng)擰緊模式下，當(dāng)前普遍采用如圖2所示的對(duì)角線裝配模式。

　　需要注意的是，即使在對(duì)角線裝配模式下，由于各螺栓間的擰緊過程存在相互影響，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(yù)擰緊(施加非常小的力矩)，第2步施加設(shè)計(jì)要求的力矩，第3步重復(fù)施加設(shè)計(jì)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，在采用表盤式扳手時(shí)主要依靠目視讀數(shù)，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(qiáng)度大。整個(gè)擰緊過程完全依靠手動(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(zhuǎn)換工位，生產(chǎn)效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，在裝配大型閥門(高扭矩要求)過程中該問題尤為突出。

　　(3)易產(chǎn)生法蘭翹曲，影響密封性。在對(duì)角線裝配模式下，由于在對(duì)角線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(xiàn)象，引起閥門泄漏。

　　(4)當(dāng)施加力矩點(diǎn)較多時(shí)，容易出現(xiàn)重復(fù)施加力矩或漏施加力矩的情況。

　　(5)數(shù)字化程度差，不支持自動(dòng)記錄。操作者每完成一項(xiàng)工作需要將完成狀態(tài)及數(shù)據(jù)記錄到紙質(zhì)質(zhì)控卡，生產(chǎn)效率較低，工作過程不透明。

3、螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)

　　螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)是集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、電子技術(shù)及自動(dòng)檢測(cè)于一體的機(jī)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(jī)。目前，螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在汽車裝配、電子產(chǎn)品裝配等行業(yè)中已得到了較廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外對(duì)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(guó)BOSCH、美國(guó)STANLY、INGERSOLL-RAND、英格索蘭INSIGHT、日本的DDK、ESTIC及韓國(guó)SETECH公司等。目前，電動(dòng)擰緊機(jī)在國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖2和圖3分別為單軸和多軸擰緊技術(shù)的應(yīng)用示例。

圖1 環(huán)形螺栓組對(duì)角線裝配工藝

圖2 單軸擰緊技術(shù)應(yīng)用

圖3 多軸同步擰緊技術(shù)應(yīng)用

　　國(guó)內(nèi)對(duì)螺栓擰緊技術(shù)的研究目前仍處于研究階段。近年來，國(guó)內(nèi)部分公司通過技術(shù)交流與合作，已初步掌握國(guó)際先進(jìn)的擰緊設(shè)備制造關(guān)鍵技術(shù)。如大連組合機(jī)床研究所與瑞典ATLAS公司合作，為江西五十鈴汽車廠研制了缸蓋、主軸承蓋、連桿及飛輪的自動(dòng)擰緊機(jī)。山東裝配技術(shù)公司研制開發(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(guī)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(shè)計(jì)了基于工控機(jī)的多工位電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)，成功應(yīng)用于長(zhǎng)春一汽集團(tuán)公司變速箱廠，實(shí)測(cè)工作節(jié)拍小于30s，扭矩控制精度小于3%，轉(zhuǎn)角控制精度小于0.1°。

4、基于螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)的閥門螺栓組裝配工藝

　　4.1、單軸自動(dòng)擰緊設(shè)備的螺栓擰緊工藝試驗(yàn)

　　選取某螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)，以某閥門入口法蘭的螺栓組為研究對(duì)象進(jìn)行擰緊工藝試驗(yàn)，該螺栓組包含10個(gè)螺栓，設(shè)計(jì)力矩要求為151N·m，自動(dòng)擰緊機(jī)的施加力矩范圍為7～23N·m。采用與手動(dòng)擰緊過程相同的對(duì)角線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)操作過程中保持自動(dòng)擰緊機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/m。擰緊操作流程及參數(shù)通過管理系統(tǒng)預(yù)先一次設(shè)定完成，操作時(shí)僅需依次擰緊即可，擰緊完成后，用數(shù)顯力矩扳手對(duì)施加的力矩效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　工藝試驗(yàn)結(jié)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(shì)。

圖4 力矩施加效果對(duì)比

圖5 裝配效率對(duì)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(jī)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(dá)到3%，全部螺栓力矩均滿足設(shè)計(jì)要求。此外，兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比情況為S自動(dòng)=0.09<S手動(dòng)=0.40，可見在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(shì)。

　　(2)生產(chǎn)效率顯著提高。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(dāng)螺栓的設(shè)計(jì)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(shì)會(huì)更加明顯。

　　(3)具備較好的自動(dòng)防錯(cuò)功能和數(shù)字化處理功能。整個(gè)裝配過程依據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序流程進(jìn)行，一旦出現(xiàn)漏擰緊或重復(fù)擰緊問題會(huì)及時(shí)報(bào)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(chǔ)，同時(shí)系統(tǒng)自帶的分析軟件可以對(duì)擰緊全過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并且所有數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入與工控機(jī)相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)操作過程工藝可靠，過程透明。

　　4.2、閥門螺栓組多軸同步自動(dòng)擰緊技術(shù)

　　由分析結(jié)果可知，單軸自動(dòng)擰緊技術(shù)的應(yīng)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)擰緊工具通過并聯(lián)形式連接，即組成了多軸同步擰緊裝置。相對(duì)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(shì)。

　　(1)法蘭螺栓同步擰緊，可以更好的避免法蘭翹曲現(xiàn)象。

　　(2)生產(chǎn)效率可以成倍增加，其倍數(shù)等于包含的擰緊工具數(shù)量。

　　(3)可進(jìn)一步降低螺栓間擰緊過程的相互影響，提高裝配精度。

　　多軸同步擰緊技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和輪轂裝配領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用。與汽車等其他行業(yè)相比，閥門產(chǎn)品具有其自身的特點(diǎn)。如法蘭規(guī)格多，各螺栓組的直徑不同，在30～500mm范圍內(nèi)變化，此外螺栓數(shù)量也各不相同，主要集中為4、6、8、10、12、16、20、24等。另外，通常閥門體積較小，多數(shù)直徑在120mm范圍。

　　因此，閥門產(chǎn)品同步擰緊擰緊技術(shù)需滿足一些特殊的要求。

　　(1)具有較高的柔性(操作直徑可變)，以滿足不同直徑螺栓組的需求。

　　(2)考慮到螺栓組的螺栓數(shù)量規(guī)格較多，且自動(dòng)擰緊機(jī)成本較高，在實(shí)際生產(chǎn)過程中通常無(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足絕大多數(shù)閥門螺栓組的裝配過程。

　　(3)在滿足力矩施加范圍的基礎(chǔ)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(duì)直徑較小的螺栓組時(shí)產(chǎn)生干涉。

　　目前，絕大多數(shù)企業(yè)的螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)支持多軸并行工作模式，即電控箱組以其中一臺(tái)電控箱為主機(jī)采用并聯(lián)方式連接，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)擰緊機(jī)的同步控制與操作。因此，閥門螺栓多軸同步擰緊裝置應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)柔性的擰緊機(jī)緊固工裝。一種可行的方式是設(shè)計(jì)位置調(diào)整螺釘，用以調(diào)節(jié)擰緊機(jī)組的直徑，以保證擰緊機(jī)組的直徑在一定范圍內(nèi)可自由調(diào)整。

5、結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過對(duì)螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在閥門產(chǎn)品裝配過程中應(yīng)用的初步探索，試驗(yàn)證明單軸自動(dòng)擰緊工藝技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提高閥門螺栓擰緊過程的可靠性和裝配效率，同時(shí)具有較好的自動(dòng)防錯(cuò)功能和數(shù)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(chǔ)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程中的相互影響，是閥門產(chǎn)品螺栓擰緊技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，應(yīng)在開發(fā)多軸同步擰緊裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究閥門螺栓多軸擰緊工藝，提高閥門裝配的可靠性和生產(chǎn)效率。