扭矩监控（精选7篇）
扭矩监控 篇1
紧固件扭矩质量作为汽车制造总装配过程中重要的装配要求, 如何控制好扭矩质量成为一个突出的问题, 只依靠检测、简单记录数据, 单纯判定合格与否的“片面数据分析”的质量控制方法, 无法确定制程是否稳定, 也不能准确地做出预测;采用统计过程控制, 即应用SPC控制图对扭矩装配作业中的紧固件扭矩进行过程控制, 质量得到有效保证。
文章通过实例介绍SPC在扭矩监控中的具体运用。
1 SPC (Statistical Process Control) 控制原理及基本概念
SPC的质量控制方法运用统计学的原理和方法以控制图为工具对过程及其输出进行统计技术分析, 当过程变差原因是普通原因, 过程处于统计控制状态 (受控状态) , 当过程变差是特殊原因, 过程不处于统计控制状态 (非受控状态) , 采取适当措施达到统计控制状态。并保持统计控制状态从而提高过程能力。
SPC的直接目标:区分变异的特殊原因和普通原因。
SPC的终极目标:持续改进过程, 改进产品。
2 实战运用
2.1 选择控制图
(1) 控制图的选择方法 (图1) 。
(2) 确定选择X-R (均值和极差) 图
2.2 测量工具的选择
(1) 测量工具的选择原则 (图2) :测量必须保证始终产生准确和精密的结果, 测量工具的选择尤其重要。
(2) 测量工具:一是表盘式的扭矩扳手:很大程度上会受到操作员用力情况的影响, 出现错误的峰值和错误的值。二是转角功能的电子扭矩扳手:在测量扭矩值的时候配合螺栓的转动角度, 能够很好的避免人为因素的影响, 测量的准确度和重复性很高。
(3) 测量工具选用:转角功能的电子扭矩扳手。
2.3 收集数据
以样本容量恒定的子组形式报告, 并周性期的抽取子组。
(1) 选择子组大小, 频率和数据
一是子组大小:样本量据国标取5;二是子组频率:在适当的时间内收集足够的数据, 这样子组才能反映潜在的变化, 这些变化原因可能是换班/操作人员更换/材料批次不同等原因引起。对正在生产的产品进行监测的子组频率为每班2次;三是子组数:子组越多, 变差越有机会出现。一般为25组。
(2) 记录原始数据 (实例见表1)
2.4 计算参数
(1) 计算每个子组的均值 () 和极差R值 (实例见表2)
对每个子组计算:
(2) 根据过程数据计算实验控制限
首先计算极差的控制限, 再计算均值的控制限。
一是计算平均极差 (R) 及过程均值 (X) , (K表示子组数量)
实例计算:
二是计算控制限
控制限是由子组的样本容量以及反映在极差上的子组内的变差的量来决定的。
计算公式 (D4、D3、A2参数见表3)
实例计算:
2.5绘制控制图
2.5.1极差控制图 (图3)
2.5.2均值控制图 (图4)
2.6 分析及改进
一是分析控制图:
分析控制图的目的在于识别过程变化或过程均值不恒定的证据。 (即其中之一或两者均不受控) 进而采取适当的措施。
注1:R图和X图应分别分析, 但可进行比较, 了解影响过程的特殊原因。
注2:因为子组极差或子组均值的能力都取决于零件间的变差,
因此, 首先应分析R图。
从R图 (极差控制图) 上看, 三个点超出控制限 (图3) , 说明处于失控状态, 查看原始数据, 出现偏低的数值, 低于规范值 (监控范围值) 下限 (见表4) , 查找特殊原因。
导致出现变异 (特殊原因) 的原因是:
(1) 供应商批次零件状态有差异, 供应商冲头磨损导致安装孔边缘毛刺多且尖锐, 与螺栓接触不平整, 摩擦系数改变, 导致扭矩衰减。
(2) 支架焊点焊渣突出, 与车身安装面, 有一定的接触不平, 也导致扭力衰减。
二是排除特殊原因后重新采集数据进行数据补充, 重新计算, (计算过程略, 方法同上) 。
重新绘制控制图 (处于统计控制状态的极差控制图和均值控制图, 图5) :
2.7 计算过程能力指数 (CPK)
在过程的极差和均值都处于统计控制状态, 计算过程能力指数 (CPK) 值。
过程能力指数是一种表示制造过程水平高低的参数。
(1) 计算过程的标准偏差 (σ) :
d2是随样本容量变化的常数 (见表5)
(2) 过程能力是指按标准偏差为单位来描述的过程均值和规格界限的距离, 用Z来表示。
扭矩适用双边容差 (Z) , 计算:
(3) Zmin可转化为能力指数Cpk:
式中:UCL和LCL为工程规范上、下, σ为过程标准偏差
注:Z值为负值时说明过程均值超过规范。
(4) 与Cpk关联的参数 (见图7) 、计算方法及关联分析
Ca (Capability of Accuracy) :制程准确度; 比较制程实绩平均值与规格中心值一致的程度 (计算结果取绝对值)
Cp (Capability of Precision) :制程精密度; 比较规格公差宽度和制程变异宽度;
C:规格中心
T=USL-LSL规格公差
Ca值42.7%, 制程准确度差, 制程实际平均值与规格中心值存在较大偏差, 属等级C, 需采取措施;Cp值1.22, 数据较集中, 属等级B, 可持续改进提升到A级;Cpk值0.7, 能力不足, 制程不良较多, 必须提升能力。 (见表6)
2.8 综合分析结论
分析结论:综合衡量Ca和Cp, Ca较差, Cp较高, 说明中心偏移大, 但离散度 (数据集中度) 较好, 但Cpk较低。
2.9 采取措施
(1) 首先可减小中心偏移量 (减小Ca值)
规范中心 :C = (USL -LSL) /2 = (60 -45) /2 =52.5
制程实际平均值:X軏=49.3, 将X軏值提高接近规范中心值C, 减少中心偏移量。
减少中心偏移量的措施:将扭力操作工具-扭力扳手的设定值由50N.m调整为53N.m,
(2) 改善Cp值
让输出的数据量更稳定、变差小, 才能提高Cp值。从工艺方法方面进行改进。联接件应均匀受压, 分析支撑杆合件与车身连接特性、联接件形状、螺栓的分布情况, 按一定顺序逐次拧紧紧固件。图中编号为拧紧的顺序, 通过改善施加扭
力的操作工艺, 使输出的扭矩值更稳定, 减少变异和偏差。 (见图8)
(3) 对CPK重新评估
采集数据、统计计算 (略) ;
采取改进措施后, Ca值达到10.6%, Cp值达到1.45, Cpk值达到1.30不仅处于统计控制状态, 过程能力也达到了较好的水平。
3 结束语
在扭矩监控工作中运用SPC (统计过程控制) 的质量控制方法, 使用客观的数据, 科学的计算方法来判定是否合格、制造过程是否稳定, 为过程改进的决策提供科学的依据, 使制造过程能力不断提高 , 更有助于提高和促进制造水平、质量水平。
摘要：如何控制大批量产品质量, 满足产品质量更高的要求, SPC (统计过程控制) 的质量控制方法已广泛运用于各个领域。文章针对汽车制造过程的总装配阶段扭矩监控, 浅谈SPC (统计过程控制) 的质量控制方法的实战运用。
关键词：扭矩监控,SPC质量控制方法,实战运用
参考文献
[1]苗东升.系统科学精要[M].北京:中国人民大学出版社, 1998.
[2]孙静.接近零不合格过程的质量控制[M].北京:清华大学出版社, 2001.
[3]中国汽车技术研究中心.统计过程控制教材[M].第2版 (内部资料) .
扭矩法与扭矩转角法比较与分析 篇2
1 扭矩控制分析
螺纹, 特别是对于需要承受动载荷作用力的重要螺纹而言, 进行螺纹连接的根本在于:通过利用螺纹紧固件的方式, 实现螺纹与连接体的可靠连接。装配拧紧的根本则在于:将螺栓的轴向预紧力控制在合理区间内。
在对轴向预紧力进行控制的过程当中, 其上限与下限都应当有一定的控制标准:以上限控制标准为例, 该取值会受到螺栓以及被连接件强度水平的影响, 避免在预紧中出现拉长、脱扣、疲劳断裂、以及压缩破坏等方面的问题;以下限控制标准为例, 该取值则会受到连接结构的影响, 确保在整个拧紧过程当中螺纹与连接件能够始终保持紧密贴合的关系。
结合以往的工作经验来看认为螺栓轴向预紧力取值越高越有利。主要依据是, 预紧力的提升会使螺栓的抗疲劳性能以及抗松动性能得到改善。因此, 实际工作中, 应当通过对扭矩法或扭矩转角法的应用, 在对材料强度进行充分利用的基础之上, 尽可能的将螺栓拧紧至屈服极限, 以保障连接可靠, 控制零件尺寸。
2 扭矩法与扭矩转角法精度对比
下图 (见图1) 即为扭矩法与扭矩转角法的控制示意图。结合图1来看, 以图中 (1) 、 (2) 分别表示2条规格一致的螺纹连接件所对应特性曲线。两条曲线存在差异的主要因素是:材料因素, 热处理因素, 表面粗糙度因素, 尺寸精度因素, 表面清洁度因素, 表面润滑程度因素, 以及垫圈连接因素。两条特性曲线在统一外加扭矩作用力的影响下产生与之相对应的预紧力, 分别对应为F (1) 、F (2) 。因此, 可以计算所对应的预紧力误差取值为△F (△F=F (1) -F (2) ) 。
在图1所示的扭矩转角控制法作用下, (1) 、 (2) 两条特性曲线的含义与扭矩法控制下的特性曲线完全一致。控制过程当中可以先用贴紧扭矩M0预拧紧处理, 期间所产生的预紧力误差取值为△F0, 然后以M0 (起始扭矩作用力) 基础之上转动α角度, 使其能够与特性曲线 (1) 、 (2) 分别相交, 交点分别为c、d, 此期间所形成的预紧力差值可表示为△Fγ。在本控制方案下, 应当满足:
△F0=△Fγ
该公式下认为:在使用扭矩转角法进行控制的过程当中, 所诱发的轴向力散差基本倾向于稳定状态下, 期间所生成的预紧力差值为△F0。而在使用扭矩法对内燃机进行控制的过程当中, 相对应于M1扭矩时产生的预紧力差值应当为△F1。认为两者满足“△F0<△F1”。根据以上分析认为:在一般运行工况下, 使用扭矩转角控制法的控制精度明显高于扭矩控制法控制精度。
3 结束语
从内燃机制造角度上来说, 螺纹连接件作为关键性的构成要素之一, 其连接件的质量水平备受各方重视, 有关螺纹连接件的质量控制要求也更加的严格与具体。研究显示:合理应用新型的拧紧工艺技术能够确保螺栓轴向预紧力分布的合理性, 从而达到优化螺纹连接件连接效果的目的。在本文对拧紧工艺技术进行分析的过程当中认为:在变形区间一定的条件下, 由于螺栓与被连接体的刚度基本稳定, 故而应用扭矩转角控制法的控制精度明显高于扭矩控制法控制精度。提示未来实际工作中, 可以将扭矩转角控制法作为拧紧工艺的重点发展方向。
参考文献
[1]陈亭志.螺栓选型和装配扭矩的计算方法研究[J].机械工程师, 2014 (06) :77-79.
[2]孙宝章, 戴文斌, 左运发等.螺栓拧紧方法分析与应用[J].沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) , 2002 (04) :319-320.
[3]Arlindo Marques.组合轴承转角扭矩法的参数确定[J].柴油机设计与制造, 2009 (02) :50-56.
浅谈扭矩控制要点 篇3
关键词：扭矩控制,扭矩扳子
引言
我公司船用齿轮箱、工程机械变速箱等总成装配现场大量使用机械预置式扭矩扳子, 而指针式扭矩扳子主要用于检验。在实际装配过程中, 因操作工或管理者对标定工作的重要性不理解、对扭矩扳子的性能不熟悉, 经常发现一些不正确操作情况, 导致整机渗漏油或部件未拧紧问题屡次发生。为加强扭矩控制, 现从扭矩扳子的使用、扭矩的影响因素等几方面入手, 提出扭矩控制的要求。
1 使用前对扭矩扳子标定的重要性
装配现场扭矩扳子均纳入了测量设备管理范围, 已按计划进行周期检定, 确保不超期使用。为什么还要在现场配置标定器, 要求操作工使用前进行标定?那是因为装配现场中使用的扭矩扳子存在失准现象。失准的两个主要原因是:
(1) 扭矩扳子突变 (卡死或重复性差) 。由于扭矩扳子长时间、高频率的使用, 内部零件受到磨损, 变形, 致使扭矩发生突变。
(2) 扭矩扳手的漂移。由于扭矩扳子的量值是依靠弹簧传递, 在频繁使用中, 会产生一些漂移。漂移指扭矩扳子实际检测值与设定值之间的误差。
为避免漂移现象的发生, 公司里采用标定的方式进行控制。标定就是指每天在使用扭矩扳子前, 仅仅对扭矩扳子的设定值进行检测和了解扭矩扳手工作状况的工作。由于扭矩扳子在频繁的使用后, 容易产生漂移现象, 因此在工作开始前应对扭矩扳子进行校验即标定, 检查扭矩扳子的状态, 并及时调整漂移量, 确保扭矩扳子的准确性。
2 影响扭矩值的几大因素
经常有总成装配车间反映, 扭力扳子不准确。我们经过分析, 认为主要有以下几方面的原因:
2.1 扭矩扳子的量程
根据JJG707-2003《扭矩扳子》检定规程, 扭矩扳子的使用范围为其额定值的20%~100%。但我们经过现场装配过程中反复实验, 扭矩扳子的使用范围应进行缩小。一般情况下, 使用扭力扳子应使其量程满足工艺要求的1.3倍, 即对于工艺要求螺栓拧紧力矩为55Nm的, 应选择量程为80Nm的扭力扳手。在这种情况下使用时, 扭矩扳子弹簧有一个良好的预紧力, 同时又有足够的弹簧变形余量。弹簧的性能对扭矩扳子的使用准确度和使用寿命非常重要。
2.2 扭矩调整过程
预置式扭矩扳子的控制值是在一定范围内可调的。为满足工艺要求, 应在投入使用前进行正确的调整。对无小刻度的预置式扭矩扳子, 应将活动刻度调到主刻线的中心位置, 对有微调装置的扭矩扳子应先将主刻度调整到主刻线附近, 再将小刻度调整对齐小刻线, 扭矩值=主刻度值+小刻度值。如果调整不准确, 特别是对无小刻度的扭矩扳子, 后续操作再正确也不会得到准确的扭矩值。
2.3 零件之间的配合因素
零件之间的配合因素是指零件之间的配合尺寸是否与工艺相符, 螺纹联结件的螺纹尺寸是否合格等。比如我们在装配试车过程中发现, 不少整机上下箱体结合面之间存在漏油现象, 测定扭矩发现数值偏大。操作工认为结合面表面粗糙, 需要加大扭矩才会防止漏油。后在箱体加工工序控制粗糙度, 漏油情况得到很大的改善。
2.4 加力过程
加力过程有三个影响因素:一是加力点;二是加力方向;三是加力速度。
(1) 加力点
扭矩扳子有一个最佳有效的作用距离, 一般生产厂家均标识有手握刻度线, 这是扭矩扳子的最佳加力点位置。从加力点到扭矩扳子的方头, 是该扭矩扳子的最佳有效距离。在这点上用力, 扭矩值是比较准确的。而缩短或增加这段距离, 扭矩值都会随之增大或减少, 造成误差超差。
施加扭矩时, 手握在扭矩扳手手柄的中间刻度线位置。方头与套筒、螺母/螺栓稳固连接 (对开口/梅花系列扭矩扳手, 应将开口/梅花头完全插入/沉入螺母中) , 只能在扭矩扳手标注的方向上施力。
(2) 加力方向:应在±15度内加力 (水平方向和垂直方向) 。角度过大将会在扭紧螺栓上产生一个弯曲力, 同时将增大单边摩擦, 引起扭矩值不准。
(3) 加力速度
加力扭紧的过程中主测力弹簧不断的被压缩, 由于弹簧存在变形迟滞的现象, 在加力过程中应尽可能平稳, 使内部杠杆很好地配合, 才能保证扭矩值稳定。加力速度最好控制在 (0.5°~1.5°) /S, 这样施加的扭矩值准确度高、重复性好。
2.5 拧紧次数
扭矩扳子使用前应预加载2~3次, 因为每调整一个扭矩点, 扭矩扳子的内部弹簧、杠杆等都未处于最佳工作, 需要预扭一次才能配合良好, 第二、三次得到的扭矩值才是比较准确的。
3 规范扭矩控制要求
3.1 正确设定扭矩扳手设定值。
在设定扭矩扳手设定值时, 应充分考虑零件装配过程中各零件之间的配合, 零件悬挂时与落地后受力改变, 零件材质不同等造成最终扭矩变化等实际情况, 才能设定出合理的设定值。
3.2 规范装配工对扭矩扳子的使用
根据上述分析, 公司内部制定了《扭力扳手使用规定》, 并对装配工进行培训。调查现场不正确的使用方法, 并对结果进行检测, 发现存在以下情况:
3.3 规范螺栓的拧紧方法
拧紧方法是指需要按一定的先后顺序施加, 才能保证扭矩质量。如安装箱盖板的螺母共有4颗。在安装时, 如果按顺时针或逆时针 (1, 2, 4, 3或1, 3, 4, 2) 的顺序安装, 就会出现螺母1扭矩偏小的现象。如果采用交叉拧紧的方法 (1, 4, 2, 3) 的方法, 箱盖板受力均匀, 扭矩偏小的现象消除。
4 结语
扭矩质量控制对于整机渗漏油等质量故障起到非常重要的作用。要提高、监控扭矩质量, 还需要一些提高质量的工具, 如SPC (统计过程控制) , 通过反复实施, 扭矩质量才能达到目标。
参考文献
[1]GB/T15729-2008.手用扭力扳手通用技术条件
[2]JJG707-2033.扭矩扳子
扭矩扳子计量检定 篇4
随着计量工作在基层的开展与普及, 对检定人员的素质要求也越来越高。检定人员极端负责的工作态度有利于不断完善自己的专业知识, 在提高自身素质方面有着促进作用。因此, 扭矩扳子计量检定人员也需要具有高度负责的工作态度, 进而不断提高自身的专业素质。由于扭矩扳子检定过程比较复杂, 且检定过程中的任何差错都会影响检定的准确性, 因此, 提高计量检定人员的素质是完善基层计量检定工作的一个重要措施。提高计量检定人员的素质主要从以下几个方面来进行。
(1) 加强计量检定人员法规意识。各项规章制度上墙, 平时对检定人员进行法规教育。严禁以任何理由出具虚假数据和文件, 坚决杜绝利用计量结果侵犯委托方的利益。
(2) 加强计量检定人员资质的培训和取证工作。按照计量检定工作在基层的发展和实际需求, 从长远谋划, 按层次培训, 防止计量检定人员的断层、脱节。
(3) 加强计量检定人员同行间的相互交流和学习。同行间的相互交流和学习在一定程度上能够不断丰富自身的工作经验, 而且能够快速解决检定人员遇到的问题。
(4) 加强计量检定人员的考核力度。在考核过程中不仅要将专业理论知识作为重点, 而且还要加强实际操作能力的考核。通过考核检验检定人员的业务水平, 并以此作为下一步培训依据。
2 严格按照周期检定, 确保计量器具完好
扭矩扳子是一种带有扭矩测量机构的扭紧计量器具, 主要用于紧固螺栓和螺母, 并能测量出扭紧时的扭矩值, 检定周期一般不超过1年。扭矩扳子计量检定结果的准确性在一定程度上决定了工作质量的优劣, 如果出现误差严重时可能引起不必要的事故和损失。前期, 由于计量工作不被重视, 对计量设备的管理制度也不完善, 部分设备有损坏现象, 对计量工作造成一定难度, 极大的影响计量工作的正常开展。因此, 完善计量工作管理制度, 确保设备完好率, 也是开展计量工作的一项重要内容。
3 扭矩扳子检定结果的处理
扭矩扳子等级按照其所有检定点示值相对误差和示值重复性中最大值确定, 分为7个等级 (1等、2等、3等、4等、5等、6等和10等) , 计量检定的首要步骤就是计算扭矩扳子的示值相对误差和示值重复性。以示值相对误差和示值重复性为标准来衡量所检定扭矩扳子的各个点的示值。在对原始记录进行处理过程中, 应采用最大进位原则。示值相对误差和示值重复性的计算: (1) 示值相对误差: (2) 示值重复性:, 式中:T———扭矩扳子的标称值;———检定中标准装置3次指示的算术平均值;Tmax, Tmin———检定中标准装置3次指示的最大值和最小值。
例如:对测量范围为 (5-40) Nm的扭矩扳子进行检定, 分别得出表1、表2数据, 根据表1数据得出相对误差与示值重复性最大值为-2.8%, 根据最大进位原则并判定该扳子为3等;根据表2数据得出相对误差与示值重复性最大值为3.9%, 根据最大进位原则并判定该扳子为4等。
熟练掌握、完成扭矩扳子的计量检定是保证工作安全的前提, 并且在提高工作质量上有一定的帮助。总而言之, 完善扭矩扳子计量检定工作需要相关计量检定人员能够具有高度的责任心, 不断提高自身的职业素质, 通过准确、熟练的技术来提高扭矩扳子计量检定水平。
摘要：扭矩扳子计量检定结果的准确性在一定程度上决定了工作质量的优劣, 如果出现误差严重时可能引起不必要的事故和损失。由此可见, 加强扭矩扳子计量检定工作是非常必要的。
关键词：扭矩扳子,计量,检定
参考文献
新型无扭矩井下电动钻具设计 篇5
圆轴扭转时的变形标志是两个横截面间绕轴的相对转角, 这也就是扭转角。计算公式如下:
其中:φ-圆轴两个横截面间绕成的相对转角;T-两截面之间扭矩;l-两个截面之间的距离;IP-截面极惯性矩, 且对于圆轴有:
由公式 (1) 可以看出, 当T、G、IP一定时, 圆轴两个横截面间绕成的相对转角与圆轴的长度成正比。因此, 传统的转盘钻井过程中, 由于钻柱的长度很长, 井口和井底产生的扭矩给钻柱造成很大的扭转变形, 且钻杆和井壁间产生旋转摩擦, 这对钻杆的损害非常大, 制作钻杆的成本也非常高。。
2 电动钻具改进思路
综合现有钻具的现状, 电动钻具对井下信息化的实现这一独特的优点无疑是未来钻井技术应保留并加以完善的重点, 显钻电动钻具存在的缺点是必需要解决的问键问题。本设计采用井下电机提供破岩动力, 保留了传统电动钻具中自动化和遥控技术的实现等优点, 并利用双主动轮圆锥齿轮组合作为动力传输介质, 在钻头处把原本竖方向上的扭矩分解为两个水平方向上大小相等、方向相反的扭矩, 两个扭矩在井下相互抵消, 使钻杆不承受扭矩, 并减小了钻柱的振动, 改善了井下电机的工况。
3 双主动轮圆锥齿轮组合
图1是本设计的主要原理图, 如图1所示, 在双主动轮圆锥齿轮组合结构中, 1和3都为主动轮, 2为从动轮, 两个主动轮旋转的轴线方向在水平方向上且两者的旋转方向相反, 从动轮的轴线方向在竖直方向上。例如:从右往左看主动轮3是顺时针旋转, 从右往左看主动轮1逆时针旋转, 则从上往下看从动轮是顺时针旋转。由此, 两个主动轮所承受的扭矩在水平方向上大小相等, 方向相反, 可以相互抵消。
1、3-圆锥齿轮 (主动轮) 2-圆锥齿轮 (从动轮)
4 设计方案
将双主动轮圆锥齿轮组合的动转原理应用到井下电动钻具的设计中可实现对钻头所受反扭矩的抵消。本设计由固定动力短接和旋转破岩短接两个部件构成。图2是本设计的整体结构示意图。
如图2, 整个结构的动力传输原理就如同图1所示的双主动轮圆锥齿轮组合结构, 圆锥齿轮4就相当于图1结构中的圆锥齿轮1, 圆锥齿轮5就相当于图1结构中的圆锥齿轮3, 旋转破岩短接18就相当于图1结构中的圆锥齿轮2, 齿轮4和齿轮5同时和旋转破岩短接上端的轮齿6啮合, 固定动力短接和旋转破岩短接之间通过轴承联接, 其中:轴承11、12、13、14、15都是深沟球轴承, 这五个轴承的作用是保证固定动力短接和旋转破岩短接能够在竖直方向上同轴相对转动。轴承16是推力球轴承, 其作用是用于承受竖直方向上的钻压, 防止钻压对上面五个深沟球轴承的损坏以及防止钻压对齿轮4、齿轮5与轮齿6啮合处造成的损坏。整个结构通过母螺纹8与钻铤联接, 通过母螺纹10与钻头联接。钻进时, M1和M2中通入同向电流, 同时分别驱动齿轮4和齿轮5转动, 则在水平方向上, 齿轮4和齿轮5的旋转方向是相反的。例如:从右往左看, 若齿轮5是顺时针旋转, 则齿轮4必定是逆时针旋转, 由此产生的最终效果是:从上往下看, 旋转破岩短接18是顺时针旋转。由于在此过程中M1和M2各自所承受的扭矩在水平方向上大小相等、方向相反, 两个扭矩即在固定动力短接的金属筒壁上相互抵消。月牙形结构9用于遮挡轴承16, 防止钻井液对其造成的损害, 同时可以使钻井液从固定动力短接的中空顺利过渡流入旋转破岩短接中。
17-固定动力短接18-旋转破岩短接4、5-圆锥齿轮6-旋转破岩短接顶部轮齿7-伞形结构8-母螺纹 (联接钻铤) 9-月牙形结构10-母螺纹 (联接钻头) 11、12、13、14、15-深沟球轴承16-推力球轴承
5 设计优点及应用
本设计的结构能保证在钻井过程中, 钻头的旋转不依赖于钻柱的转动, 消除了钻井过程中钻柱所承受的轴向扭矩, 降低了对钻杆抗扭强度的要求。此外, 由于钻柱不旋转, 钻杆外壁不再与井壁产生旋转摩擦, 且钻柱的振动小, 改善了井下电机的工况, 避免了传统钻具组合中由此给钻杆带来的损坏, 以上两点的实现减少了制作钻杆所需材料上的成本。
参考文献
[1]易先忠, 钟守炎, 水运震, 井下动力钻具的现状与发展[J].石油机械, 1995.
[2]符达良.井下动力钻具的发展及其在推广应用中的问题[J].石油机械, 1999.
[3]刘春全, 徐茂林, 汤平汉, 井下动力钻具的现状及发展[J].钻采工艺, 2008.
基于接触单元的扭矩施加法 篇6
在实际工程问题中,扭矩无处不在。如攻丝的丝锥、车床的光杆、搅拌轴、汽车传动轴等等,都是受扭构件,承受扭矩作用。为了更好地分析上述构件在扭(转)矩作用下的变形、应力、应变等物理量,现代先进设计制造分析方法引入有限元来模拟结构在外载荷作用下的响应问题。对于很多工程模型,必须考虑结构的一些几何特征,如轴的键槽、丝锥的螺纹面等。因此,实体模型上扭矩的施加就成为一个非常关键的问题。这包括扭矩施加的形式、位置,不同方式施加的扭矩会导致整体刚度矩阵的不同,最终会导致应力集中,影响结果的评定。ANSYS作为全球最通用的大型有限元分析软件之一,其强大的分析功能已为国内外一致认同,现已成为许多领域结果评定的行业标准。由于ANSYS中不能直接对实体单元施加力矩,因此国内有些学者就采用若干对力偶的形式来代替扭矩[1,2],该方法容易导致局部应力集中;改进的方法引入一些特殊单元如刚性连接rbe3单元[3]、多点约束mpc184单元[4]、集中质量mass21单元等,通过引入这些特殊单元,能够比较好地实现扭矩的施加,特殊单元的引入改变了整体刚度矩阵;本文提出采用接触单元能够很好地解决扭矩的施加问题。
2 基于接触单元的扭矩施加法
接触本来是作为非线性(状态非线性)分析的重要手段,也可以用来完成扭矩的施加。首先选择扭矩施加截面上的一点作为pilot点,通过定义该pilot点与截面的接触关系,生成接触单元[5],从而激活实体单元的转动自由度。最终扭矩施加到pilot点上,下面以一个具体实例来进行说明。
2.1 实例
现以长为200mm、直径为100mm的钢管为例,说明扭矩的施加。钢管材料视为线弹性,其弹性模量及泊松比分别为:E=2×1011Pa,μ=0.3。钢管一端固定,另一端受1000N·m扭矩作用。
2.2 理论分析
该实例为一圆柱受扭矩作用下的变形问题,根据材料力学经典理论有[6]:
最大切应力
扭转角
最大变形量
2.3 有限元分析
有限元分析一般分为三个模块:前处理模块、求解模块以及后处理模块。其中前处理模块包括模型的建立、单元定义、材料属性定义、划分网格;求解模块包括:定义分析类型、施加边界条件(约束及载荷)、求解;后处理模块包括:计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到内部结构)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[7]。
为了更好地确定pilot点,在扭矩作用面上定义一个硬点,由于硬点的存在导致网格划分不能采用映射划分或是扫略划分[8]。因此单元选择带中间节点的四面体单元solid92,指定单元尺寸为10,节点、单元数目见表1所示。
在完成了网格划分以及材料属性的赋予,需要创建接触单元。ANSYS提供了多种生成接触单元的方法,可以通过命令流直接生成接触单元,也可以通过ANSYS自带的接触向导生成接触单元。本文主要是基于后者的阐述。进入接触向导以后,Target Type选择Pilot Node Only,拾取硬点所在的节点作为pilot点,选择扭矩所在平面作为接触面,耦合所有自由度,完成接触单元的自动创建。接触单元创建以后,施加约束和载荷(扭矩,扭矩可以直接施加到硬点上,也可以施加到硬点所在的节点上)。由于该问题单元划分得较密,所以求解方法选择PCG(预条件共轭梯度法,该方法针对大规模问题很有效)。后处理查看结果如图1所示。
3 结果分析
从图1可以看出采用接触单元来施加扭矩,无论是应力还是位移都和理论解析解吻合得相当好,而且采用该方法不会导致明显的应力集中,也不需要引入特殊单元,只需要借助于ANSYS本身自带的接触向导就可以很容易地生成接触单元。表2将理论解与该方法的数值解进行了对比。
4 结语
通过集中力偶来代替扭矩会导致明显的应力集中,虽然通过圣维南原理选择远离集中力作用的区域,该方法也能达到足够的精度要求。但该方法需要确定集中力的大小,集中力大小与模型尺寸、网格疏密程度均有关,因此该方法具有一定的模型依赖性。对于大型问题还需要采用APDL语言进行集中力的自动计算、施加,不利于工程应用;rbe3刚性连接单元需要配合mass21集中质量单元联合作用完成扭矩的施加,需要人为指定权系数、主从节点之间的自由度关系。rbe3施加了一个分布力,没有引入额外的刚度,相反把原有的刚度遗漏了。并且该方法载荷同节点的距离发生关系,会导致变形比理论值偏大;mpc184多点约束单元同样需要配合mass21单元[9],该方法荷载分布和节点的距离没有关系,但是对大规模问题而言需要利用APDL进行单元的自动生成;cerig命令定义了一个刚性面,无形中增强了结构刚度。
因此本文提出基于接触单元的扭矩施加法,该方法采用接触单元既不需要配合使用其他的单元,又不会造成应力集中,且容易掌握不易出错,是ANSYS中扭矩施加的一种很好的方法。
参考文献
[1]许平,高利,孙东明,董为民.ANSYS软件中扭矩施加方法的研究[J].机电产品开发与创新,2006(11):172-173.
[2]姜广彬,崔学政.ANSYS中的扭矩分析[J].电子机械工程,2005(6):57-59.
[3]张琪,刘莉.导弹固有特性的有限元分析[J].弹箭与制导学报,2008(4):6-8.
[4]吕毅宁,吕振华.焊点连接模型对结构刚度的有限元模拟精度的影响分析[J].工程力学,2009(10):171-176.
[5]ANSYS 11.0 Documentation[Z].
[6]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[7]张应迁,张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[8]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程-机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.
基于扭矩控制的最高车速限制系统 篇7
据国家统计局网站公布的《2014年国民经济和社会发展统计公报》显示, 2014年年末全国民用汽车保有量达到15447万辆, 机动车驾驶人突破3亿人, 其中汽车驾驶人超过2.46亿人。随着经济社会持续快速发展, 群众购车刚性需求旺盛, 我国汽车保有量继续呈快速增长趋势。2014年新注册汽车2188万辆, 保有量净增1707万辆, 两项指标均达历史最高水平。根据数据, 我国近5年机动车年均增量1500多万辆, 机动车驾驶人数量也呈现大幅增长趋势, 年均增量2057万人。中国已经全面步入汽车社会。[1]
同时车辆交通事故的发生概率却逐年急剧上升。造成交通事故的因素有很多, 其中车辆行驶速度是决定交通事故严重程度的重要因素。因此非常有必要对车辆行驶速度进行限制。
1、我国相关限速要求
国家标准《GB24407-2012专用校车安全技术条件》要求:专用校车出厂时调定的最高车速应不大于80km/h;[2]工信部联产业[2011]632号文件《关于进一步提高大中型客货车安全技术性能加强车辆<公告>管理和注册登记管理工作的通知》明确要求:公路客车、旅游客车最高车速不得超过100km/h。自2012年3月1日起 (即自235批《公告》开始) 新发布的产品 (含新产品及变更扩展产品) 均应符合632号文件的技术要求;2012年8月31日前企业应完成《公告》内产品的整改工作, 逾期仍不符合要求的产品将暂停或撤销《公告》[3,4]。
我国对营运类车辆和专用校车的安全法规要求十分明确, 要限制相关车辆的最高行驶速度, 因此研制相应的最高车速限制系统相当必要。
目前, 市场上有一种拉线型限速器用于车辆的最高车速限制。其原理是通过限制加速踏板的开度达到限制最高车速的目的。使用该种限速装置需要对限速车辆进行改装, 即需额外增加成本。而本文讨论的基于扭矩的最高车速限制控制器是集成在电控柴油发动机的电控单元ECU中, 无需增加硬件成本。优点为系统集成度高, 可靠性好且免于维护。
2、最高车速限制系统结构
传统柴油机电控系统采用基于油量的控制算法, 每循环喷油量由发动机转速和负荷 (油门踏板开度) 确定出基本喷油量, 然后根据烟度、大气压力、冷却液温度和发动机热负荷等因素进行修正, 得到最终的喷油量。基于油量的控制算法完全以发动机为控制对象, 而忽略了发动机附件 (如空调、发电机、高压油泵等) 和整车上其他部件的扭矩需求, 不便于整车控制系统的集成和扩展。现代柴油机管理系统以扭矩为媒介, 将大量不同形式的需求, 如驾驶员通过油门踏板开度提出的扭矩需求、巡航控制扭矩需求、低怠速控制需求、电气系统的需求和外部干涉需求等这些需求经过扭矩协调后再转换成相应的喷油量, 经发动机燃烧后产生扭矩输出。目前, 多数的柴油机均采用基于扭矩的电控系统。基于扭矩控制策略的简略结构如图1所示。驾驶员通过加速踏板提出扭矩需求, 系统考虑到附件的需求、发动机保护限制等因素, 然后经过驾驶性的扭矩滤波和补偿等, 最终控制输出为发动机喷油量。
最高车速限制系统内嵌在发动机电控系统扭矩结构中 (图1中虚线框部分所示) 。最高车速限制系统控制输出车速限制扭矩, 该扭矩参与电控系统扭矩计算最终得到发动机喷油量。如图2所示的闭环系统中, 车速传感器测量到的实际车速经过反馈与设定的最高车速值进行比较, 得到车速偏差值ΔV。该车速差值ΔV经过限速控制器的计算输出限制最高车速的扭矩值Trq_lim。此扭矩值与驾驶员通过加速踏板提出的驾驶员扭矩需求值Trq_drive进行比较运算, 输出最小值Trq用于计算发动机喷油量。这种方案的特点是, 当驾驶员通过加速踏板提出的扭矩需求小于最高车速限制扭矩时, 发动机输出不受限速的影响。即在最高车速限值以下行驶, 车辆的性能不受任何影响。同时, 空调等外部扭矩需求的补偿在最高车速控制器之后, 因此, 虽然最高车速受到了限制, 但是不会影响车辆的正常扭矩需求控制 (如空调等) 。即虽然车辆的最高车速受到了限制, 但是车辆的驾驶性和舒适性不会受到影响。
3、限速控制器
限速控制器的核心是一个PI控制器。考虑到PI控制器的参数适应性, 系统根据车辆的档位状态设置了不同的PI控制器参数。即限速系统根据车辆运行在不同档位选择相应的控制参数, 这样做的好处是避免了一套控制参数难以满足对限速控制精度的要求。车速信号首先经过预处理模块, 经过该模块处理后再传递到PI控制器。PI控制器的控制输出最终还受到幅值限制。图3所示为限速控制器的结构。
为了保证限速的平稳, 避免车速限制时出现较大的上、下超调。限速分为三个状态:自由驾驶、限速状态1、限速状态2。车速低于标定值V2时, 此时车速距离最高车速限值还有一定的差距, 车辆处于自由驾驶状态, 车辆不受限速控制器的影响。车速处于标定值V2和V3之间时, 最高车速限制控制器提前进行预控制, 此时控制量较小, 对发动机的影响平缓, 即限速状态1。当车速大于标定值V3, 车速已经接近最高车速限值, PI的闭环控制会保证车辆限速的效果。当车速降低到标定值V1以下, 车辆进入自由驾驶状态退出限速状态。限速的三个状态如图4所示。
4、标定及应用效果
限速车辆为一台匹配1.9L国四排放柴油机的轻型客车。限速车辆的技术参数如表1所示。
在限速车辆上首先标定最高车速限值, 如标定最高车速限值为80km/h或者100km/h等。然后标定好进入限速状态和退出限速状态的三个速度阈值V1、V2和V3。最后标定相应档位的PI控制参数, PI控制参数标定的指标是确保车辆进入限速状态时车速稳态误差较小, 上下超调较小。标定结束后将数据固化在ECU中, 最终在道路上对车辆限速进行验证。验证结果如图5和图6所示。
图5、图6为车辆最高限速80km/h和100km/h时的车速响应曲线。从车速曲线可以看到限速效果很理想。同时验证过程中车辆在平路, 上坡、下坡等路面行驶时且开关空调等负载变化时, 限速控制器可以自动的控制最高车速稳定在给定的设定值。且驾驶感受平顺性良好。
5、结论
本文讨论的采用基于扭矩控制的最高车速限制系统, 它内嵌在ECU中。通过标定可以适应不同的车速限值, 同时无需更改车辆原有的硬件设计, 具有很强的适应性和便利性。本系统完全可以满足相关法规对车辆限速的要求。
参考文献
[1]《2014年国民经济和社会发展统计公报》http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799.html.
[2]GB24407-2012专用校车安全技术条件.
[3]工信部联产业[2011]632号文件《关于进一步提高大中型客货车安全技术性能加强车辆<公告>管理和注册登记管理工作的通知》.