螺栓自动拧紧技术在阀门产品装配中的应用

萨丹哈

1、概述

　　螺栓连接是阀门产品中最主要的连接方式。在天燃气、核电等领域中，阀门产品多以环形螺栓组形式存在，其连接可靠性对产品的密封性和设计性能都有着直接的影响，一旦连接失效将引发严重后果。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。在阀门产品设计过程中，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，即利用表盘扳手、定力矩扳手或转角仪等工具进行手动装配，连接可靠性和生产效率较低。本文将螺栓自动拧紧技术引入阀门螺栓拧紧过程，剖析了传统人工拧紧工艺的局限性，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、阀门螺栓手动拧紧工艺分析

　　2.1、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、开腔作动筒、关腔作动筒和顶法兰5个法兰，每个法兰均由6～20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兰连接处内应力有着重要作用，在高频振动的工况下，过大的内应力可能成为连接部件产生裂纹的隐患，过小的预紧力又容易在振动工况下产生滑动甚至脱扣的危险，直接影响密封效果。因此，在装配过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

　　目前，国内阀门制造企业普遍采用手动拧紧方式。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顺序发生改变，造成同样的扭矩产生不同拧紧力的现象。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步预拧紧(施加非常小的力矩)，第2步施加设计要求的力矩，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。另一方面，拧紧速度无法保持均匀一致，会造成动摩擦力矩存在差异，影响装配精度。

　　(2)生产效率低，劳动强度大。整个拧紧过程完全依靠手动工具进行，由于各螺栓在位置上存在干涉，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。

　　(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、电子技术及自动检测于一体的机电一体化技术，其技术发展的最终产品为螺栓自动拧紧机。目前，螺栓自动拧紧技术在汽车装配、电子产品装配等行业中已得到了较广泛的应用。目前，国外对螺栓自动拧紧技术的起步较早，理论技术日趋成熟。市场占有率较高的公司包括瑞典ATLAS、德国BOSCH、美国STANLY、INGERSOLL-RAND、英格索兰INSIGHT、日本的DDK、ESTIC及韩国SETECH公司等。目前，电动拧紧机在国内外汽车行业中得到了广泛的应用。图2和图3分别为单轴和多轴拧紧技术的应用示例。

　　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多轴螺纹装配系列工具，其产品包括3个系列14个规格，额定扭矩为5～3500N·m，最多可控制40个拧紧轴工作。大连理工大学汪春华等设计了基于工控机的多工位电动螺栓拧紧机控制系统，成功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、基于螺栓自动拧紧技术的阀门螺栓组装配工艺

　　4.1、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螺栓组为研究对象进行拧紧工艺试验，该螺栓组包含10个螺栓，设计力矩要求为151N·m，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步再次拧紧至15N·m，3个操作过程中保持自动拧紧机转速为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。

　　(1)力矩施加精度较高。在手动拧紧方式下，超出力矩公差范围的螺栓共有2个，拧紧精度仅为11.2%，造成该问题的主要原因是人为因素所造成的影响。而在自动拧紧方式下，该自动拧紧机的ATC特性发挥了较好的作用，排除了其他因素可能造成的影响，拧紧精度达到3%，全部螺栓力矩均满足设计要求。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，即组成了多轴同步拧紧装置。相对于单轴拧紧技术，多轴同步拧紧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，此外螺栓数量也各不相同，主要集中为4、6、8、10、12、16、20、24等。另外，通常阀门体积较小，多数直径在120mm范围。

　　因此，阀门产品同步拧紧拧紧技术需满足一些特殊的要求。

      （1）具有较高的柔性(操作直径可变)，以满足不同直径螺栓组的需求。

      （2）考虑到螺栓组的螺栓数量规格较多，且自动拧紧机成本较高，在实际生产过程中通常无法做到完全同步拧紧，建议以部分同步拧紧方式代替，例如，一个3轴和一个4轴拧紧装置的组合可满足绝大多数阀门螺栓组的装配过程。

      （3）在满足力矩施加范围的基础上，尽量选择自身直径较小的自动拧紧工具，以避免在面对直径较小的螺栓组时产生干涉。

　　目前，绝大多数企业的螺栓自动拧紧机支持多轴并行工作模式，即电控箱组以其中一台电控箱为主机采用并联方式连接，实现多台拧紧机的同步控制与操作。因此，阀门螺栓多轴同步拧紧装置应设计实现柔性的拧紧机紧固工装。一种可行的方式是设计位置调整螺钉，用以调节拧紧机组的直径，以保证拧紧机组的直径在一定范围内可自由调整。

5、结语

　　经过对螺栓自动拧紧技术在阀门产品装配过程中应用的初步探索，试验证明单轴自动拧紧工艺技术的应用能够显著提高阀门螺栓拧紧过程的可靠性和装配效率，同时具有较好的自动防错功能和数字化处理能力。多轴同步拧紧技术能够在单轴拧紧技术的基础上避免法兰翘曲，成倍提高螺栓拧紧效率，并降低螺栓间拧紧过程中的相互影响，是阀门产品螺栓拧紧技术发展的必然趋势。因此，应在开发多轴同步拧紧装置的基础上，进一步深入研究阀门螺栓多轴拧紧工艺，提高阀门装配的可靠性和生产效率。