螺栓自動擰緊技術(shù)在閥門產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用

2013-11-01 吳昊夫 浙江省能源集團城市燃氣有限公司

  介紹了閥門螺栓裝配采用手動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。分析了手動方式擰緊螺栓工藝的局限性和螺栓自動擰緊技術(shù)的發(fā)展趨勢。提出了將螺栓自動擰緊技術(shù)引入閥門螺栓擰緊過程的設(shè)想,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用某單軸自動擰緊設(shè)備進行了工藝試驗,并對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。在天燃氣、核電等領(lǐng)域中,閥門產(chǎn)品多以環(huán)形螺栓組形式存在,其連接可靠性對產(chǎn)品的密封性和設(shè)計性能都有著直接的影響,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)計過程中,通常以單純扭矩法或扭矩+轉(zhuǎn)角法對擰緊過程加以約束,以保證連接可靠性。在制造過程中,真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)發(fā)現(xiàn)目前普遍采用手動擰緊方式,即利用表盤扳手、定力矩扳手或轉(zhuǎn)角儀等工具進行手動裝配,連接可靠性和生產(chǎn)效率較低。本文將螺栓自動擰緊技術(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,對螺栓自動擰緊技術(shù)的發(fā)展進行了總結(jié),在此基礎(chǔ)上應(yīng)用某單軸自動擰緊設(shè)備進行工藝試驗,并對螺栓組多軸同步擰緊技術(shù)進行了可行性探討。

2、閥門螺栓手動擰緊工藝分析

  2.1、閥門螺栓連接特點

  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,而裝配擰緊的實質(zhì)是將螺栓的軸向預(yù)緊力控制在適當?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。以某閥門產(chǎn)品為例,每個閥門都包含入口法蘭、出口法蘭、開腔作動筒、關(guān)腔作動筒和頂法蘭5個法蘭,每個法蘭均由6~20個呈環(huán)形排列的雙頭螺栓組裝配而成,兩者螺栓總數(shù)均在60個以上。合理而均勻的預(yù)緊力對法蘭連接處內(nèi)應(yīng)力有著重要作用,在高頻振動的工況下,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)緊力又容易在振動工況下產(chǎn)生滑動甚至脫扣的危險,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)計要求。

  2.2、手動閥門螺栓擰緊工藝及局限性

  目前,國內(nèi)閥門制造企業(yè)普遍采用手動擰緊方式。對于環(huán)形螺栓組,除單個螺栓的擰緊質(zhì)量外,各螺栓間的擰緊順序?qū)S向預(yù)緊力的均勻分布有著重要影響,不同的擰緊順序會造成螺栓的內(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。在手動擰緊模式下,當前普遍采用如圖2所示的對角線裝配模式。

  需要注意的是,即使在對角線裝配模式下,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)計要求的力矩,第3步重復(fù)施加設(shè)計要求的力矩值。受多種因素的影響,手動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主要依靠目視讀數(shù),會存在一定誤差。另一方面,擰緊速度無法保持均勻一致,會造成動摩擦力矩存在差異,影響裝配精度。

  (2)生產(chǎn)效率低,勞動強度大。整個擰緊過程完全依靠手動工具進行,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,勞動強度大,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。在對角線裝配模式下,由于在對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)當施加力矩點較多時,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,不支持自動記錄。操作者每完成一項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、螺栓自動擰緊技術(shù)

  螺栓自動擰緊技術(shù)是集機械傳動、電氣傳動、電子技術(shù)及自動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)品為螺栓自動擰緊機。目前,螺栓自動擰緊技術(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,國外對螺栓自動擰緊技術(shù)的起步較早,理論技術(shù)日趨成熟。市場占有率較高的公司包括瑞典ATLAS、德國BOSCH、美國STANLY、INGERSOLL-RAND、英格索蘭INSIGHT、日本的DDK、ESTIC及韓國SETECH公司等。目前,電動擰緊機在國內(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。

環(huán)形螺栓組對角線裝配工藝

圖1 環(huán)形螺栓組對角線裝配工藝

單軸擰緊技術(shù)應(yīng)用

圖2 單軸擰緊技術(shù)應(yīng)用

多軸同步擰緊技術(shù)應(yīng)用

圖3 多軸同步擰緊技術(shù)應(yīng)用

  國內(nèi)對螺栓擰緊技術(shù)的研究目前仍處于研究階段。近年來,國內(nèi)部分公司通過技術(shù)交流與合作,已初步掌握國際先進的擰緊設(shè)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,為江西五十鈴汽車廠研制了缸蓋、主軸承蓋、連桿及飛輪的自動擰緊機。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個系列14個規(guī)格,額定扭矩為5~3500N·m,最多可控制40個擰緊軸工作。大連理工大學(xué)汪春華等設(shè)計了基于工控機的多工位電動螺栓擰緊機控制系統(tǒng),成功應(yīng)用于長春一汽集團公司變速箱廠,實測工作節(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、基于螺栓自動擰緊技術(shù)的閥門螺栓組裝配工藝

  4.1、單軸自動擰緊設(shè)備的螺栓擰緊工藝試驗

  選取某螺栓自動擰緊機,以某閥門入口法蘭的螺栓組為研究對象進行擰緊工藝試驗,該螺栓組包含10個螺栓,設(shè)計力矩要求為151N·m,自動擰緊機的施加力矩范圍為7~23N·m。采用與手動擰緊過程相同的對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個操作過程中保持自動擰緊機轉(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,操作時僅需依次擰緊即可,擰緊完成后,用數(shù)顯力矩扳手對施加的力矩效果進行檢驗。

  工藝試驗結(jié)果如圖4和圖5所示,與手動擰緊相比,自動擰緊方式具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

力矩施加效果對比

圖4 力矩施加效果對比

裝配效率對比

圖5 裝配效率對比

  (1)力矩施加精度較高。在手動擰緊方式下,超出力矩公差范圍的螺栓共有2個,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。而在自動擰緊方式下,該自動擰緊機的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%,全部螺栓力矩均滿足設(shè)計要求。此外,兩組試驗數(shù)據(jù)的標準偏差對比情況為S自動=0.09<S手動=0.40,可見在10個螺栓所施加的力矩均勻程度方面,自動擰緊方式也存在較明顯的優(yōu)勢。

  (2)生產(chǎn)效率顯著提高。手動方式擰緊10個螺栓需約22min,而在自動擰緊方式下該時間縮短為1min,生產(chǎn)效率提高了20余倍。當螺栓的設(shè)計力矩值增大時,自動擰緊工藝在生產(chǎn)效率上的優(yōu)勢會更加明顯。

  (3)具備較好的自動防錯功能和數(shù)字化處理功能。整個裝配過程依據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序流程進行,一旦出現(xiàn)漏擰緊或重復(fù)擰緊問題會及時報警,避免人為低檔次事故發(fā)生。此外,所有實際擰緊力矩值能夠自動記錄存儲,同時系統(tǒng)自帶的分析軟件可以對擰緊全過程進行統(tǒng)計分析,并且所有數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入與工控機相連的計算機系統(tǒng),整個操作過程工藝可靠,過程透明。

  4.2、閥門螺栓組多軸同步自動擰緊技術(shù)

  由分析結(jié)果可知,單軸自動擰緊技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度提高螺栓的裝配精度和效率。將多個單軸自動擰緊工具通過并聯(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(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)動機和輪轂裝配領(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。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,且自動擰緊機成本較高,在實際生產(chǎn)過程中通常無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3軸和一個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擰緊工具,以避免在面對直徑較小的螺栓組時產(chǎn)生干涉。

  目前,絕大多數(shù)企業(yè)的螺栓自動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,實現(xiàn)多臺擰緊機的同步控制與操作。因此,閥門螺栓多軸同步擰緊裝置應(yīng)設(shè)計實現(xiàn)柔性的擰緊機緊固工裝。一種可行的方式是設(shè)計位置調(diào)整螺釘,用以調(diào)節(jié)擰緊機組的直徑,以保證擰緊機組的直徑在一定范圍內(nèi)可自由調(diào)整。

5、結(jié)語

  經(jīng)過對螺栓自動擰緊技術(shù)在閥門產(chǎn)品裝配過程中應(yīng)用的初步探索,試驗證明單軸自動擰緊工藝技術(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,同時具有較好的自動防錯功能和數(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。因此,應(yīng)在開發(fā)多軸同步擰緊裝置的基礎(chǔ)上,進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。