我國電動扳手與鋼結(jié)構(gòu)中高強度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展

沈家驊

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　　100081）

我國電動扳手與鋼結(jié)構(gòu)中高強度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展

沈家驊

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

回顧了我國鋼結(jié)構(gòu)中高強度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展過程，介紹了采用扭矩法施擰的機理及影響施擰精度的主要因素，指出了目前施擰中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，提出利用新型電動扳手大幅度提高施擰精度和簡化施擰工序的先進方法，對高強度螺栓施擰技術(shù)的提高具有重要參考價值。

高強度螺栓連接副；擰緊軸力；扭矩系數(shù)；施擰扭矩；電動扳手

在鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓施擰中，最為重要的是如何保證所有高強度螺栓連接副的擰緊軸力盡可能接近設(shè)計軸力（其它金屬結(jié)構(gòu)也有類似甚至更高的要求），這也是交通、建工等行業(yè)中的工程技術(shù)人員一直追求的目標。過高的軸力（即超擰）將使螺栓發(fā)生斷裂或當時不斷再經(jīng)過一段時間后發(fā)生斷裂 （即延遲斷裂）；過低的軸力（即欠擰）將對結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患。

1　我國第1代電動扳手

我國第1代電動扳手將電機最大輸出扭矩通過齒輪傳動減速放大了的扭矩作為電動扳手的最終輸出扭矩，也就是說第1代電動扳手只能提供最大輸出扭矩。20世紀60，70年代，由于當時我國高強度螺栓生產(chǎn)技術(shù)還比較落后，同批高強度螺栓連接副還不能按保證扭矩系數(shù)供貨，因此在高強度螺栓施擰中只能采用轉(zhuǎn)角法施工。由于當時第1代電動扳手輸出扭矩還不夠大，還不能滿足施擰高強度螺栓連接副的要求，因此當時只能采用風(fēng)動沖擊扳手施擰。這種施擰方法施工工序極為繁瑣，其施擰的精度也很低。

2　第2、第3代電動扳手

20世紀80年代，我國高強度螺栓連接副的生產(chǎn)技術(shù)有了很大提高，高強度螺栓生產(chǎn)廠可按保證連接副扭矩系數(shù)供貨，這為高強度螺栓施擰采用扭矩法創(chuàng)造了必要條件。但是當時我國還沒有定扭矩電動扳手，為架設(shè)九江長江大橋的需要，國家有關(guān)部門立項研制第2代定扭矩電動扳手。該項目由鐵道部科學(xué)研究院、機械部上海電動工具研究所、鐵道部大橋局、山東電動工具廠（山東中興電動工具有限公司前身）4家單位協(xié)作完成。此項成果曾獲得一機部科技成果三等獎。

扭矩法施擰是基于高強度螺栓連接副在施擰過程中存在著以下的關(guān)系

式中：M——施擰扭矩；

P——螺栓連接副的擰緊軸力；

d——螺栓連接副的公稱直徑；

K——螺栓連接副的扭矩系數(shù)，也就是螺栓連接副在擰緊過程中施擰扭矩M和螺栓連接副的擰緊軸力P的相關(guān)系數(shù)。

從公式（1）中可以看出，采用扭矩法施擰必須具備2個條件：一是同批的高強度螺栓連接副扭矩系數(shù)較為一致，二是要有能控制扭矩的電動扳手。高強度螺栓連接副扭矩系數(shù)是由螺栓生產(chǎn)廠提供保證的，在我國高強度螺栓國家標準中規(guī)定了同批高強度連接副中隨機抽檢8套進行扭矩系數(shù)檢測，其扭矩系數(shù)平均值為0.110～0.150，標準偏差≤0.010 0，檢測結(jié)果要符合以上的規(guī)定值。由于已測知高強度螺栓連接副的扭矩系數(shù)平均值和所需螺栓連接副的設(shè)計軸力，只要按公式計算出所需的擰緊扭矩，并用定扭矩電動扳手施擰即可。用這種方法施擰螺栓連接副其施擰精度取決于施擰扭矩的準確性和高強度螺栓連接副的扭矩系數(shù)的離散度。

第2代電動扳手的原理是通過控制電動扳手輸入電流強度來控制電動扳手的輸出扭矩，配合當時我國高強度螺栓連接副的生產(chǎn)可按要求的扭矩系數(shù)供貨，在這樣情況下我國高強度螺栓施工開始可以采用扭矩法施工。與以往轉(zhuǎn)角法施工相比，扭矩法施工大幅度簡化了施工工序，其施擰精度也有較大提高。但是由于第2代電動扳手其扭矩精度為5%，其輸出扭矩不能預(yù)先設(shè)定，必須在使用前進行輸出扭矩標定。另外由于其可靠性還較差，為了安全起見在高強度螺栓施工規(guī)程中規(guī)定了高強度螺栓連接副終擰后必須進行終擰扭矩檢查，所以用第2代電動扳手施擰時其工序仍然煩瑣。在用第2代電動扳手進行高強度螺栓連接副施擰時，由于其扭矩精度及可靠性尚不夠理想，另外由于高強度螺栓連接副扭矩系數(shù)離散性的存在，因此在這種施工技術(shù)中尚不可避免有部分高強度螺栓連接副存在超擰或欠擰現(xiàn)象，致使有部分高強度螺栓連接副發(fā)生斷裂或軸力不足。

第2代定扭矩電動扳手的第1款最大輸出扭矩為1 500 N·m的1500型產(chǎn)品，滿足了當時架設(shè)九江長江大橋施擰M27螺栓的需要。20世紀90年代，為滿足蕪湖長江大橋M30螺栓的施擰，山東電動工具廠又研制了最大輸出扭矩達到2 000 N·m的2000型定扭矩電動扳手和用來初擰用的600型和1000型電動扳手，將第2代定扭矩電動扳手系列化。從20世紀80年代到目前，第2代定扭矩電動扳手仍是我國高強度螺栓連接施擰的主要擰緊工具。

近幾年來由山東中興電動工具有限公司與其他單位協(xié)作共同開發(fā)研制出第3代電動扳手。第3代電動扳手的主要特點是在電動扳手中裝有扭矩傳感器，其輸出扭矩穩(wěn)定性好、精度較高，并且在施擰過程中能設(shè)定、顯示和記錄電動扳手的最終輸出扭矩，這就可以省去第2代電動扳手使用前輸出扭矩?zé)┈嵉臉硕üぷ?；另外由于在施擰時其施擰扭矩能及時記錄儲存，因此可以省去高強度螺栓連接副終擰后的扭矩檢查。此外，在第3代電動扳手中還設(shè)有終擰轉(zhuǎn)角范圍的控制裝置，可以通過測量高強度螺栓從初擰到終擰的轉(zhuǎn)角，對終擰轉(zhuǎn)角過大（因扭矩系數(shù)過小而發(fā)生的超擰）和過?。ㄒ蚺ぞ叵禂?shù)過大而發(fā)生的欠擰）的連接副報警。通過這一篩選，進一步減少高強度螺栓的超擰和欠擰現(xiàn)象，提高了高強度螺栓的施擰質(zhì)量。

從以上情況看，第3代電動扳手具有扭矩準確，輸出扭矩可設(shè)定、顯示并可記錄儲存，在施擰過程中還可剔除扭矩系數(shù)過小或過大的高強度螺栓連接副，從而大幅度提高了高強度螺栓連接副的施擰精度；另外還大幅度簡化了施工工序。采用第3代電動扳手施擰高強度螺栓連接副，使我國高強度螺栓施工技術(shù)前進了一大步，達到了世界上領(lǐng)先水平。在2014年11月第3代電動扳手鑒定會上其優(yōu)異性能得到了與會專家一致好評。

3　第4代電動扳手

第3代電動扳手雖然具有輸出扭矩準確的性能，但高強度螺栓連接副的擰緊軸力還受到螺栓連接副扭矩系數(shù)離散的影響，所以第3代電動扳手還不能真正達到準確控制螺栓連接副的擰緊軸力的目的。在成功研制出第3代電動扳手的基礎(chǔ)上，最近由山東中興電動工具有限公司與其他單位協(xié)作又共同開發(fā)研制出第4代電動扳手。這一代電動扳手不僅能準確控制輸出扭矩，而且還能設(shè)定、顯示和記錄所施擰的高強度螺栓連接副的擰緊軸力。用戶只要在開機前輸入所施擰連接副想要達到的擰緊軸力，開動第4代電動扳手后就能自動達到所需的擰緊軸力（目前其誤差為5%）。暫稱這種電動扳手為可控預(yù)緊力的電動扳手。

第4代電動扳手的工作原理是在電動扳手上裝有數(shù)個傳感器，施擰時實時采集和計算傳感器采集的數(shù)據(jù)，測取每套螺栓連接副在擰緊過程中的摩阻情況（即螺栓連接副扭矩系數(shù)等），根據(jù)測得摩阻情況實時調(diào)整控制參數(shù)，最終達到準確控制和顯示螺栓連接副終擰預(yù)緊力的目的。這項技術(shù)已獲得了國家發(fā)明專利（專利號：ZL201410300807.7），并試制出樣機，目前正在進行各種工況試驗，以完善其性能。據(jù)所了解的情況這是目前世界上最先進的電動扳手。

第4代電動扳手不僅能控制施擰連接副達到所需的擰緊軸力，而且對于擰入機體內(nèi)的高強度螺栓連接副也能達到此要求，這是以往施擰中難以做到的。另外用第4代電動扳手施擰的連接副還可以多次重復(fù)使用。

4　結(jié)語

第4代電動扳手目前是世界上最先進的電動扳手，用來施擰高強度螺栓連接副，將使連接副的擰緊軸力更為準確，施工更為簡便，這將使電動扳手和施擰技術(shù)發(fā)生革命性改變。如將這項技術(shù)推廣到其他行業(yè)中（如空客380飛機制造中要求機翼與機體連接的每套連接副的軸力都要進行嚴格控制），也將使螺栓連接技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的提高。

［1］陳紹蕃，顧強.鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TBJ 214—92鐵路鋼橋高強度螺栓連接規(guī)定［S］.北京：中國鐵道出版社，1992.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國標準化管理委員會. GB/T 1231—2006鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈技術(shù)條件［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 82—2011鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

（責(zé)任審編孟慶伶）

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本刊編輯部

Development of Electric Wrench and Improvement of High Strength Bolt Tightening Technique in Steel Structure in China

SHEN Jiahua
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Improvement of high strength bolt tightening technique in steel structure in China was reviewed in this paper.It illustrated the fundamental mechanism of torque-pretension tightening technique and main factors affecting accuracy of tightening.It pointed out the existing problems in the tightening process，also introduced a new generation electric wrench which significantly improved tightening accuracy and simplified tightening process.It provided guidance for improvement of high strength bolt tightening technique.

High strength bolt assembly；Axial force of tightening；T orque-pretension coefficient；T orque at pretensioning；Electric wrench

沈家驊（1942— ），男，研究員。

U445.34

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.02

1003-1995（2016）07-0006-03

2016-03-16；

2016-03-22

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2016G003-G）