螺栓自动拧紧技术在阀门产品装配中的应用_吴昊夫

国内对螺栓拧紧技术的研究目前仍处于研究阶 段。近年来， 国内部分公司通过技术交流与合作 ， 已 初步掌握国际先进的拧紧设备制造关键技术 。如大 连组合机床研究所与瑞典 ATLAS 公司合作， 为江 西五十铃汽车厂研制了缸盖、 主轴承盖、 连杆及飞轮 的自动拧紧机。山东装配技术公司研制开发成功了 其产品包括 3 个系列 14 个 多轴螺纹装配系列工具，
（ 1． Zhejiang Provincial Energy Group City Gas Co． ， Ltd， Longquan China 323700 ， China； 2． China Nuclear Pow er Engineering Co． ， Ltd Shenzhen 518000 ， China； 3． Capital Aerospace M achinery Company ， Beijing 100076 ， China）
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规格， 额定扭矩为 5 ～ 3 500N ·m ， 最多可控制 40 个 〔5 〕 拧紧轴工作。 大连理工大学汪春华 等设计了基 成功 于工控机的多工位电动螺栓拧紧机控制系统 ， 应用于长春一汽集团公司变速箱厂， 实测工作节拍 小于 30s， 扭矩控制精度小于 3% ， 转角控制精度小 于 0. 1° 。 4 4. 1 基于螺栓自动拧紧技术的阀门螺栓组装配工艺 单轴自动拧紧设备的螺栓拧紧工艺试验 选取某螺栓自动拧紧机， 以某阀门入口法兰的
Abstract： Bolted joint is one of the most important joint modes for valves． Today ， most bolt tightening w ork is done by manual in Chinese valve factories， w hich leads to low reliability and efficiency． In this paper， w e apply automatic bolt tightening technology in the valve assembly process． The result of technological test show s that reliability and efficiency of the assembly process could be greatly improved by using single － axis automatic tools． The feasibility of developing multi － axis synchronous tightening technology for valve assembly is also discussed． Key words： valve； assembly ； automatic bolttightening ； multiaxis synchronous tightening 1 概述 螺栓连接是阀门产品中最主要的连接方式 。在 核电等领域中， 阀门产品多以环形螺栓组形 天燃气、 式存在， 其连接可靠性对产品的密封性和设计性能 一旦连接失效将引发严重后果。 都有着直接的影响， 例如， 液化天然气阀门螺栓连接失效极有可能引发 天然气外泄， 从而可能引发火灾和爆炸等
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拧紧工艺的局限性， 对螺栓自动拧紧技术的发展进 行了总结， 在此基础上应用某单轴自动拧紧设备进 行工艺试验， 并对螺栓组多轴同步拧紧技术进行了 可行性探讨。 2 2. 1 阀门螺栓手动拧紧工艺分析 阀门螺栓连接特点 螺栓连接的根本目的是利用螺纹紧固件将连接 体可靠的连接在一起， 而装配拧紧的实质是将螺栓 的轴向预紧力控制在适当的范围 。阀门产品中螺栓 连接具有螺栓数量多， 可靠性要求高和 90% 以上螺 栓以环形螺栓组形式存在等特点 。以某阀门产品为 例， 每个阀门都包含入口法兰、 出口法兰、 开腔作动 关腔作动筒和顶法兰 5 个法兰， 每个法兰均由 6 筒、
图4
力矩施加效果对比
的拧紧工具数量。 （ 3 ） 可进一步降低螺 栓 间 拧 紧 过 程 的 相 互 影 响， 提高装配精度。 多轴同步拧紧技术在汽车发动机和轮毂装配领 域已经得到了较好的应用。 与汽车等其他行业相 比， 阀门产品具有其自身的特点。如法兰规格多， 各 螺栓组的直径不同， 在 30 ～ 500mm 范围内变化， 此 6、 8、 10 、 12 、 外螺栓数量也各不相同， 主要集中为 4 、 16 、 20 、 24 等。 另外， 通常阀门体积较小， 多数直径
摘要 介绍了阀门螺栓装配采用手动方式拧紧的操作过程及其产品连接可靠性和生产效率的 现状。分析了手动方式拧紧螺栓工艺的局限性和螺栓自动拧紧技术的发展趋势 。提出了将螺栓自 动拧紧技术引入阀门螺栓拧紧过程的设想 ， 在此基础上应用某单轴自动拧紧设备进行了工艺试验 ， 并对螺栓组多轴同步拧紧技术在阀门产品装配中的应用进行了可行性探讨 。
螺栓组为研究对象进行拧紧工艺试验， 该螺栓组包 10 ， 151N · m ， 含 个螺栓 设计力矩要求为 自动拧紧 机的施加力矩范围为 7 ～ 23N · m 。 采用与手动拧 紧过程相同的对角线装配模式和三步拧紧策略 ， 第 1 步拧紧至 2N ·m ， 第 2 步拧紧至 15N · m ， 第3 步 3 个操作过程中保持自动拧紧 再次拧紧至 15N ·m ， 机转速为 600r / m 。 拧紧操作流程及参数通过管理 系统预先一次设定完成， 操作时仅需依次拧紧即可， 拧紧完成后， 用数显力矩扳手对施加的力矩效果进 行检验。 工艺试验结果如图 4 和图 5 所示， 与手动拧紧 相比， 自动拧紧方式具有一定的技术优势 。
。 在阀
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门产品设计过程中， 通常以单纯扭矩法或扭矩 + 转 角法对拧紧过程加以约束， 以保证连接可靠性 。 在制造过程中， 目前普遍采用手动拧紧方式， 即利用 定力矩扳手或转角仪等工具进行手动装 表盘扳手、 配， 连接可靠性和生产效率较低。 本文将螺栓自动 剖析了传统人工 拧紧技术引入阀门螺栓拧紧过程，
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5855 （ 2013 ） 04 0018 04 文章编号： 1002 -
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螺栓自动拧紧技术在阀门产品装配中的应用
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贺
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（ 1. 浙江省能源集团城市燃气有限公司， 浙江 龙泉 323700 ； 2. 中广核工程有限公司， 深圳 518000 ； 3. 首都航天机械公司， 北京 100076 ）
该自动拧紧机的 的影响。 而 在 自 动 拧 紧 方 式 下， ATC 特性发挥了较好的作用， 排除了其他因素可能 拧紧精度达到 3% ， 全部螺栓力矩均满 造成的影响， 足设计要求。此外， 两组试验数据的标准偏差对比 情况为 S 自动 = 0. 09 ＜ S 手动 = 0. 40 ， 可见在 10 个螺栓 所施加的力矩均匀程度方面， 自动拧紧方式也存在 较明显的优势。 （ 2 ） 生产效率显著提高。 手动方式拧紧 10 个 螺栓需约 22min， 而在自动拧紧方式下该时间缩短 为 1min， 生产效率提高了 20 余倍。 当螺栓的设计 力矩值增大时， 自动拧紧工艺在生产效率上的优势 会更加明显。 （ 3 ） 具备较好的自动防错功能和数字化处理功 能。整个装配过程依据预先设定的程序流程进行 ， 一旦出现漏拧紧或重复拧紧问题会及时报警 ， 避免 人为低档次事故发生。 此外， 所有实际拧紧力矩值 能够自动记录存储， 同时系统自带的分析软件可以 对拧紧全过程进行统计分析， 并且所有数据可以导 入与工控机相连的计算机系统， 整个操作过程工艺 可靠， 过程透明。 4. 2 阀门螺栓组多轴同步自动拧紧技术 由分析结果可知， 单轴自动拧紧技术的应用可 以大幅度提高螺栓的装配精度和效率 。将多个单轴 自动拧紧工具通过并联形式连接， 即组成了多轴同 。 多轴同步拧紧 步拧紧装置 相对于单轴拧紧技术， 技术存在更多的技术优势。 （ 1 ） 法兰螺栓同步拧紧， 可以更好的避免法兰 翘曲现象。 （ 2 ） 生产效率可以成倍增加， 其倍数等于包含
〔4 〕
图1
环形螺栓组对角线装配工艺
图2ห้องสมุดไป่ตู้
单轴拧紧技术应用
。
图3
多轴同步拧紧技术应用
（ 4 ） 当施加力矩点较多时， 容易出现重复施加 力矩或漏施加力矩的情况。 （ 5 ） 数字化程度差， 不支持自动记录。 操作者 每完成一项工作需要将完成状态及数据记录到纸质 质控卡， 生产效率较低， 工作过程不透明。 3 螺栓自动拧紧技术 螺栓自动拧紧技术是集机械传动 、 电气传动、 电
关键词 阀门； 装配； 螺栓连接； 自动拧紧技术； 多轴同步拧紧 文献标志码： A 中图分类号： TH134
Application of Automatic BoltTightening Technology in Valve Assembly Process
WU Haofu1 ， M O Jingfei2 ， WANG He3
图5
装配效率对比
作者简介： 吴昊夫（ 1986 － ） ， 男， 汉族， 浙江庆元人， 从事城市燃气建设、 运营和经营管理等工作。
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～ 20 个呈环形排列的双头螺栓组装配而成， 两者螺 栓总数均在 60 个以上。 合理而均匀的预紧力对法 在高频振动的工况 兰连接处内应力有着重要作用， 下， 过大的内应力可能成为连接部件产生裂纹的隐 过小的预紧力又容易在振动工况下产生滑动甚 患， 直接影响密封效果。因此， 在装配过 至脱扣的危险， 程中必须保证施加的力矩和转角满足设计要求 。 2. 2 手动阀门螺栓拧紧工艺及局限性 国内阀门制造企业普遍采用手动拧紧方 目前， 式。对于环形螺栓组， 除单个螺栓的拧紧质量外， 各 螺栓间的拧紧顺序对轴向预紧力的均匀分布有着重 要影响， 不同的拧紧顺序会造成螺栓的内应力产生 造成同样的扭矩产生不同拧紧力的 顺序发生改变， 〔3 〕 现象 。在手动拧紧模式下， 当前普遍采用如图 2 所示的对角线装配模式。 需要注意的是， 即使在对角线装配模式下， 由于 各螺栓间的拧紧过程存在相互影响， 为保证各螺栓 施加的力矩均匀， 通常采用 3 步拧紧策略， 即第 1 步 第 2 步施加设计要求 预拧紧（ 施加非常小的力矩 ） ， 的力矩， 第 3 步重复施加设计要求的力矩值。 受多种因素的影响， 手动拧紧工艺具有一定的 局限性。 （ 1 ） 力矩施加精度较低。 一方面， 在采用表盘 式扳手时主要依靠目视读数， 会存在一定误差。 另 拧紧速度无法保持均匀一致， 会造成动摩擦 一方面， 力矩存在差异， 影响装配精度。 （ 2 ） 生产效率低， 劳动强度大。 整个拧紧过程 由于各螺栓在位置上存在 完全依靠手动工具进行， 干涉， 操作扭力扳手需要不断的转换工位 ， 生产效率 较低， 劳动强度大， 在装配大型阀门 （ 高扭矩要求 ） 过程中该问题尤为突出。 （ 3 ） 易产生法兰翘曲， 影响密封性。 在对角线 装配模式下， 由于在对角线两端先后施加拧紧力 ， 容 ， 易造成法兰两端高和中间低的翘曲现象 引起阀门 泄漏
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子技术及自动检测于一体的机电一体化技术 ， 其技 螺栓 术发展的最终产品为螺栓自动拧紧机。 目前， 电子产品装配等行业中 自动拧紧技术在汽车装配、 已得到了较广泛的应用。 目前， 国外对螺栓自动拧 理论技术日趋成熟。 市场占有 紧技术的起步较早， 德国 BOSCH、 美国 率较高的公司包括瑞典 ATLAS 、 STANLY 、 INGEＲSOLL － ＲAND 、英 格 索 兰 INESTIC 及韩国 SETECH 公司 SIGHT 、 日本的 DDK 、 电动拧紧机在国内外汽车行业中得到了 等。目前， 广泛的应用 。图 2 和图 3 分别为单轴和多轴拧 紧技术的应用示例。