基于MATLAB–GUI的螺栓緊固力加載數(shù)字化工藝技術(shù)研究*

趙 兵，李 恒，歐陽(yáng)蔚瑾，曹崇興，張守陽(yáng)

（1.青海大學(xué)，西寧 810016；2.南通大學(xué)，南通 226019）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力單元，其裝配的可靠性直接影響飛機(jī)的服役性能[1–3]。螺栓連接是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最典型的連接結(jié)構(gòu)，大量用于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和靜子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[4]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓連接緊固力一致性直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)靜剛度、臨界轉(zhuǎn)速、動(dòng)力響應(yīng)特性[5–6]，進(jìn)行螺栓連接緊固力一致性控制加載策略研究具有十分重要的意義[7]。當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓緊固連接通常采用扭矩法加載，通過(guò)扭矩扳手對(duì)其施加一定的扭矩達(dá)到緊固效果。扭矩扳手加載的總能量會(huì)被分解成3 種形式：（1）轉(zhuǎn)化為螺栓緊固力儲(chǔ)存在螺栓內(nèi)部形成拉伸應(yīng)力；（2）在螺紋副旋進(jìn)過(guò)程中以摩擦熱能的形式被消耗；（3）多數(shù)在螺母與被連接件支撐面接觸過(guò)程中以摩擦熱能的形式被消耗。因此，使用扭矩法加載的螺栓緊固力偏差通常在25%～50%[8–9]。此外，螺紋磨損、裝配誤差、被連接材料等也會(huì)對(duì)螺栓緊固力一致性控制產(chǎn)生影響[10–13]，迫切需要開(kāi)展螺栓緊固力加載工藝優(yōu)化方法探索。

目前，傳統(tǒng)的裝配過(guò)程展現(xiàn)方式相對(duì)匱乏，多是文字圖表形式，無(wú)法直觀展示裝配變化過(guò)程[14]。隨著計(jì)算軟件的發(fā)展，數(shù)字化處理工具在虛擬裝配、分析測(cè)試等領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。楊洋等[15]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有對(duì)接安裝工藝過(guò)程復(fù)雜、精度低等缺點(diǎn)提出了數(shù)字化安裝工藝，可為我國(guó)飛機(jī)自動(dòng)化裝配領(lǐng)域提供技術(shù)支持。韓志仁[16]和谷欣航[17]等基于CATIA Composer 開(kāi)發(fā)出飛機(jī)部件裝配進(jìn)度可視化的三維模型，對(duì)解決實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中裝配狀態(tài)信息反饋不直觀的問(wèn)題提供了思路。梁海波等[18]為檢驗(yàn)飛行器電氣產(chǎn)品的穩(wěn)定度、可靠性等性能指標(biāo)，采用MATLAB–GUI 這一工具箱開(kāi)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的測(cè)試分析軟件，有效提升了數(shù)據(jù)比對(duì)分析的效率。Zhou 等[19]采用知識(shí)圖譜的方法創(chuàng)建裝配過(guò)程的數(shù)字化工藝技術(shù)，該方法能有效地利用裝配過(guò)程知識(shí)生成裝配序列，并能有效地找到可用的裝配序列，對(duì)提高裝配工藝規(guī)劃的智能化水平具有一定的參考價(jià)值。

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓連接緊固工藝控制能力提升需求，首先進(jìn)行了扭矩法加載工藝試驗(yàn)，獲取不同潤(rùn)滑形式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[20]；然后，利用MATLAB 軟件編寫數(shù)據(jù)提取程序以生成相應(yīng)的扭拉曲線，并運(yùn)用圖形用戶界面（Graphical user interface，GUI）開(kāi)發(fā)虛擬加載輸入與輸出顯示界面，搭建螺栓虛擬加載平臺(tái)；最后，通過(guò)螺栓虛擬加載試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展扭矩轉(zhuǎn)角法虛擬加載試驗(yàn)，并對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行了相應(yīng)的評(píng)估。

1 扭矩法試驗(yàn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓連接裝配過(guò)程中，通常在螺紋表面涂抹潤(rùn)滑脂，采用扭矩法擰緊加載。為探究螺栓連接緊固力一致性分布，本試驗(yàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)九級(jí)盤裝配時(shí)的緊固力進(jìn)行評(píng)估。因擰緊過(guò)程中潤(rùn)滑脂易產(chǎn)生積聚效應(yīng)，本研究在僅潤(rùn)滑螺栓、充分潤(rùn)滑、僅潤(rùn)滑螺母與無(wú)潤(rùn)滑下進(jìn)行緊固力的加載試驗(yàn)。具體潤(rùn)滑形式如表1所示。

表1 具體潤(rùn)滑形式（潤(rùn)滑劑為二硫化鉬潤(rùn)滑脂）Table 1 Specific lubrication areas(lubricant is MoS2 grease)

每潤(rùn)滑組隨機(jī)選取5 套同一批次生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專用螺紋緊固件，為更好地接近實(shí)際裝配情況，需要對(duì)試驗(yàn)套件進(jìn)行充分?jǐn)Q緊加載試驗(yàn)。同時(shí)，潤(rùn)滑脂每次試驗(yàn)后對(duì)螺紋緊固件進(jìn)行充分清洗，并進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。在SCHATZ 扭拉試驗(yàn)機(jī)上加載52 N·m 力矩用以獲得目標(biāo)緊固力30 kN。對(duì)每一組螺栓試驗(yàn)套件通過(guò)扭拉試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行15 次重復(fù)加載試驗(yàn)，得到相應(yīng)加載緊固力。為便于對(duì)比分析，將試驗(yàn)結(jié)果劃分為每5 次加載1 組，分布情況如圖1所示。

圖1 扭矩法加載緊固力分布情況Fig.1 Tightening force distribution by torque method loading

通過(guò)加載52 N·m 的力矩可以看出，緊固力（均是穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)）在不同潤(rùn)滑形式下出現(xiàn)了不同的分布情況。僅潤(rùn)滑螺栓組，緊固力多集中在25 kN 附近，緊固力相對(duì)比較穩(wěn)定；充分潤(rùn)滑組，緊固力分布在55 kN 附近，且首次加載緊固力分布在40 kN 附近；僅潤(rùn)滑螺母組，緊固力多分布在37.5 kN 上下；無(wú)潤(rùn)滑組，前5 次擰緊加載時(shí)緊固力波動(dòng)比較明顯，后10 次擰緊加載中緊固力多分布在15 kN 上下?？傮w上看，在僅潤(rùn)滑螺栓和僅潤(rùn)滑螺母時(shí)緊固力相對(duì)穩(wěn)定一些。對(duì)比圖1中的4 種情況可知，對(duì)于同一批次螺紋緊固件，在加載相同的扭矩、不同的潤(rùn)滑形式下其緊固力的差距非常大。從圖1（b）中可知，即使是采用相同的潤(rùn)滑形式，同一螺紋緊固件在不同擰緊加載次數(shù)下緊固力也會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)現(xiàn)象。

2 虛擬加載試驗(yàn)研究

2.1 虛擬系統(tǒng)總體架構(gòu)

借助MATLAB 豐富的工具插件、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及友好的人機(jī)交互界面，調(diào)用GUI 搭建螺栓虛擬加載平臺(tái)框架，如圖2所示。將扭矩法試驗(yàn)獲取的工藝數(shù)據(jù)資源導(dǎo)入所開(kāi)發(fā)的平臺(tái)后，經(jīng)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，平臺(tái)具有螺栓虛擬加載和圖形繪制兩個(gè)功能模塊，用戶將需求參數(shù)輸入到功能模塊后，調(diào)用相應(yīng)的算法即可在平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，最終以數(shù)據(jù)或圖形的方式輸出給用戶。

圖2 虛擬加載平臺(tái)框架Fig.2 Framework building about virtual loading platforms

基于上述虛擬加載平臺(tái)框架開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的螺栓虛擬加載平臺(tái)的操作界面如圖3所示，界面中有試驗(yàn)件編號(hào)、加載次數(shù)、加載扭矩、轉(zhuǎn)角等錄入框。螺栓虛擬加載平臺(tái)共設(shè)置了3 個(gè)加載步，從左到右依次執(zhí)行。下面以扭矩轉(zhuǎn)角法加載為例，在目標(biāo)試驗(yàn)件框格中錄入1～4#，在加載次數(shù)框格中錄入1～8 次，在第1 加載步選擇扭矩加載數(shù)值錄入“26”，在第2 加載步選擇角度加載數(shù)值錄入“197”，對(duì)第3 加載步不做處理，單擊最下面的“計(jì)算”按鈕，即可在圖3中顯示出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

圖3 虛擬加載平臺(tái)操作界面Fig.3 Virtual loading platform operator interface

螺栓虛擬加載平臺(tái)圖形繪制操作界面如圖4所示。有目標(biāo)試驗(yàn)件和加載次數(shù)2 個(gè)輸入框格，輸出選項(xiàng)有T–F曲線、F–α曲線和T–α曲線3 個(gè)按鈕。當(dāng)錄入指定試驗(yàn)件和加載次數(shù)后，單擊相應(yīng)的繪圖按鈕，則在右側(cè)圖形輸出框格里會(huì)輸出相應(yīng)的扭拉關(guān)系曲線。下面以10#試驗(yàn)件，加載1～5 次為例，在目標(biāo)試驗(yàn)件框格中錄入“10”，在加載次數(shù)框格錄入1～5，錄入完成后單擊“F–α曲線”，右側(cè)圖形輸出框格里顯示出加載曲線。

圖4 虛擬加載平臺(tái)圖形繪制界面Fig.4 Virtual loading platform graphics drawing interface

2.2 擬合曲線的生成

由扭矩法試驗(yàn)獲取的初始扭矩和轉(zhuǎn)角存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后根據(jù)定義調(diào)用相應(yīng)的扭矩、轉(zhuǎn)角、緊固力等一系列結(jié)果。用虛擬系統(tǒng)對(duì)調(diào)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，即可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)角–緊固力、扭矩–緊固力擬合曲線。經(jīng)歸一化處理后得到的螺紋緊固件不同加載次數(shù)下的轉(zhuǎn)角–緊固力（α–F）、扭矩–緊固力（T–F）的關(guān)系，如圖5所示。

自我加壓的“鹽環(huán)定速度”需要超常規(guī)的組織協(xié)調(diào)。項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)前，建管單位精心部署，建立起嚴(yán)密的制度管理鏈條和現(xiàn)場(chǎng)管理規(guī)定，明確目標(biāo)，劃分職責(zé)。按照國(guó)內(nèi)一流揚(yáng)水工程，該項(xiàng)目采用“項(xiàng)目法人+專家組+運(yùn)行管理單位”的建管模式，按照“分類打捆、整體推進(jìn)、同步投運(yùn)”的建設(shè)思路，選擇一流設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、配備一流設(shè)備、選取一流施工單位，知難而進(jìn)，迎難而上，敢于擔(dān)當(dāng)，不斷把各項(xiàng)工作穩(wěn)步推進(jìn)，努力打造安全工程、樣板工程、精品工程。

圖5 1～5#螺栓平行試驗(yàn)下的加載曲線Fig.5 Loading curves under parallel test of 1–5# bolts

從圖5（a）和（c）的擬合曲線可以看出，對(duì)于不同螺栓其緊固力與角度的關(guān)系曲線比較穩(wěn)定，但從整體來(lái)看，α–F曲線之間并不是完全的正比例關(guān)系，存在一個(gè)轉(zhuǎn)折的過(guò)程，與貼合點(diǎn)效應(yīng)相匹配；從圖5（b）和（d）中可以看出，緊固力與扭矩的關(guān)系比較分散，隨著扭矩的增加緊固力分散程度增大。綜合對(duì)比圖5中的加載曲線可知，首先采用扭矩法克服摩擦因素的影響，螺母擰緊到貼合點(diǎn)位置以后使用轉(zhuǎn)角法來(lái)控制相應(yīng)的緊固力，這樣可以更好地發(fā)揮α–F擬合曲線近似線性段的作用。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 扭矩轉(zhuǎn)角法虛擬加載試驗(yàn)

取扭矩法中充分潤(rùn)滑時(shí)5 個(gè)樣本第1 次擰緊加載曲線為加載目標(biāo)扭矩的反演數(shù)據(jù)源，以30 kN 緊固力為目標(biāo)結(jié)果，反向提取充分潤(rùn)滑時(shí)5個(gè)樣本的加載扭矩，并求取均值為40 N·m，取加載目標(biāo)扭矩的40%作為初始扭矩[21]，可得初始加載扭矩為16 N·m。再利用上述情況下的5 個(gè)樣本α–F曲線的擬合斜率均值，計(jì)算初始扭矩后需要進(jìn)一步確定加載的轉(zhuǎn)角量，計(jì)算結(jié)果為146.6189°，以上述所得初始扭矩和轉(zhuǎn)角作為扭矩轉(zhuǎn)角法策略下的加載數(shù)據(jù)，開(kāi)展虛擬加載試驗(yàn)。

利用數(shù)字化虛擬平臺(tái)系統(tǒng)加載，其中扭矩轉(zhuǎn)角法具體加載數(shù)據(jù)如下：加載策略為扭矩轉(zhuǎn)角法，反向截取扭矩均值為40 N·m，初始扭矩均值為16 N·m，轉(zhuǎn)角均值為146.6189°。通過(guò)MATLAB–GUI 進(jìn)行虛擬環(huán)境下加載數(shù)據(jù)的回溯讀取，實(shí)現(xiàn)接近于實(shí)際工況的加載結(jié)果。以扭矩轉(zhuǎn)角法虛擬加載為例，每組目標(biāo)試驗(yàn)件為1～5#，第1 步：克服螺栓連接非線性段的影響，選定初始加載扭矩均值為16 N·m。第2 步：加載到貼合點(diǎn)后，選定角度加載值為146.6189°，不施加第3 步載荷，點(diǎn)擊“計(jì)算”操作后便可得到加載過(guò)程中的扭矩值、轉(zhuǎn)角值及緊固力的大小。

在4 種潤(rùn)滑作用下均采取相同的扭矩和轉(zhuǎn)角值（反向截取扭矩均值為40 N·m，初始扭矩均值為16 N·m，轉(zhuǎn)角均值為146.6189°）進(jìn)行相應(yīng)的虛擬加載試驗(yàn)，僅提取每組試驗(yàn)套件前5 次加載時(shí)的緊固力值，得到如圖6所示數(shù)據(jù)?？芍?，僅潤(rùn)滑螺栓組，緊固力多分布在30～35 kN；充分潤(rùn)滑組，緊固力多分布在42.5 kN上下；僅潤(rùn)滑螺母組，緊固力多分布在35～40 kN；無(wú)潤(rùn)滑組，緊固力多分布在35 kN 上下。與其他潤(rùn)滑形式相比，僅潤(rùn)滑螺栓組更加接近理論值。結(jié)果表明，加載相同的扭矩和轉(zhuǎn)角時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角法對(duì)充分潤(rùn)滑組、僅潤(rùn)滑螺母組、無(wú)潤(rùn)滑組修正效果不明顯。

圖6 扭矩轉(zhuǎn)角法加載緊固力分布Fig.6 Tightening force distribution by torque-angle control method

3.2 修正扭矩轉(zhuǎn)角法虛擬加載試驗(yàn)

因潤(rùn)滑條件對(duì)緊固力的影響比較明顯，進(jìn)一步在不同潤(rùn)滑形式下采用單獨(dú)修正方式，獲取不同潤(rùn)滑組的5 次加載測(cè)試數(shù)據(jù)得到α–F、T–F擬合曲線，并反向截取緊固力理論值為30 kN 時(shí)的扭矩作為反向截取扭矩，采用與扭矩轉(zhuǎn)角法中相同的方法求取轉(zhuǎn)角均值，取反向截取扭矩的40%作為初始扭矩，具體加載數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 修正扭矩轉(zhuǎn)角法加載數(shù)據(jù)Table 2 Modified torque-angle control method loading data

把表2中的數(shù)據(jù)輸入到虛擬加載系統(tǒng)，便可得到相應(yīng)的緊固力，僅提取其前5 次加載緊固力時(shí)分布結(jié)果如圖7所示。

圖7 修正扭矩轉(zhuǎn)角法加載緊固力分布Fig.7 Tightening force distribution by modified torque-angle control method

3.3 加載緊固力對(duì)比分析

對(duì)扭矩法及兩種改進(jìn)策略虛擬加載所得的緊固力區(qū)分不同潤(rùn)滑形式，統(tǒng)計(jì)其加載緊固力均值隨加載次數(shù)變化趨勢(shì)，僅取前5 次加載數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 不同策略下緊固力對(duì)比分析Fig.8 Comparative analysis of tightening force under different strategies

觀察圖8中緊固力均值分布情況可知，在扭矩法試驗(yàn)下，緊固力分散程度異常明顯；采用扭矩轉(zhuǎn)角法時(shí)緊固力多分布在30 kN 以上，在僅潤(rùn)滑螺栓作用下最貼近理論值；采用修正扭矩轉(zhuǎn)角法時(shí)，在僅潤(rùn)滑螺栓和無(wú)潤(rùn)滑作用下緊固力分布在30 kN以下，在充分潤(rùn)滑和僅潤(rùn)滑螺母作用下緊固力多分布在30 kN 以上。在首次加載時(shí)除僅潤(rùn)滑螺栓外其余3種潤(rùn)滑下緊固力均值均貼近理論值30 kN。對(duì)比圖8中的3 種策略可以清晰地發(fā)現(xiàn)，在使用扭矩轉(zhuǎn)角法虛擬加載策略下產(chǎn)生了一定的積極作用，為后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)提供理論性指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓連接緊固工藝控制能力提升需求，提出了一種基于MATLAB–GUI 的螺栓加載數(shù)字化工藝技術(shù)，采用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種螺栓緊固力加載工藝優(yōu)化方法的探索與緊固力加載效果評(píng)估。

（1）對(duì)比3 種策略下的試驗(yàn)結(jié)果可知，同批次螺栓在不同潤(rùn)滑形式下，擰緊次數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子緊固力會(huì)產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致同一加載條件下所得緊固力不一致。

（2）對(duì)扭矩法試驗(yàn)得到的擬合曲線進(jìn)行分析可知，采用轉(zhuǎn)角法控制緊固力比扭矩法控制展現(xiàn)出更好的效果，也為探索出更好的擰緊策略提供支持。

（3）通過(guò)虛擬加載后，得出了采用改進(jìn)策略進(jìn)行螺栓加載時(shí)其緊固力較扭矩法擰緊更貼近理論目標(biāo)值。在充分潤(rùn)滑下首次擰緊時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角法和修正扭矩轉(zhuǎn)角法加載后緊固力均值偏差較扭矩法試驗(yàn)分別降低了3.874 kN、10.006 kN。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中，受振動(dòng)、沖擊等外力因素影響在所難免，緊固力的一致性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有至關(guān)重要的影響。上述研究結(jié)果可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓連接緊固力加載工藝改進(jìn)提供參考。