液壓扳手綜述

張國龍 蔣亞南 李文昌 潘春暉 韓雨恒

（寧波大學科學技術(shù)學院，浙江寧波315212）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，大型設(shè)備面臨的安裝作業(yè)環(huán)境日益復(fù)雜。液壓扳手在施工現(xiàn)場的運用日益增多，用于完成對大扭矩螺紋的裝卸作業(yè)，這不僅減輕了人工作業(yè)的勞動強度，還有效提高了施工效率和安全性，對于保障工程項目的施工質(zhì)量與效率具有重大意義。液壓扳手已應(yīng)用于汽車、輪機、水利水電、化工裝備、船舶和道路橋梁施工等眾多行業(yè)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景[1]。

1 液壓扳手組成與工作原理

液壓扳手一般采用液壓油缸驅(qū)動方式，主要由扳手頭、油缸、殼體、銷軸和小型液壓站等零部件組成，其中油缸一般采用雙作用活塞缸。工作前，首先將扳手頭可靠卡住螺母等緊固件，然后空載啟動液壓泵，最后通過液壓閥控制液壓油的流動方向、壓力和速度。當油缸的無桿腔進油時，其活塞桿伸出，推動扳手頭向逆時針方向擺動，由于棘輪或鋸齒形結(jié)構(gòu)的存在，使扳手頭圍繞螺母軸線轉(zhuǎn)過一定角度，而螺母在摩擦扭矩的作用下保持靜止不動，以便為下一次擰緊作業(yè)做好準備；當油缸的有桿腔進油時，其活塞桿縮回并帶動夾頭向順時針方向擺動，使扳手頭帶動螺母一起圍繞螺桿的軸線轉(zhuǎn)過一定角度，完成一次擰緊作業(yè)。重復(fù)上述動作，即可完成螺母等緊固件的擰緊作業(yè)。反之，若改變扳手頭相對螺母等緊固件的卡緊方向，則可實現(xiàn)拆卸作業(yè)。

2 液壓扳手關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多功能扳手頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與抓取特性分析

為提高扳手的適應(yīng)性，減少施工所需扳手的種類，需開發(fā)出多功能扳手頭，提高扳手頭對緊固件的適應(yīng)能力，即單件扳手可應(yīng)用于多種緊固件的擰緊或拆卸作業(yè)。同時，為了改善扳手頭的受力狀況，需對扳手頭的抓取特性進行分析，設(shè)計抓取機構(gòu)和傳動機構(gòu)。因此，多功能扳手頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、抓取特性分析和傳動機構(gòu)設(shè)計是液壓扳手的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 輕量化設(shè)計制造技術(shù)

液壓扳手主要應(yīng)用于大型設(shè)備的施工作業(yè)，為減小作業(yè)操作空間需求，提高攜帶的方便性和靈活性，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和重量輕等特點。因此，需從液壓系統(tǒng)高壓化、關(guān)鍵零部件采用高強度合金材料和零部件的強度、變形、疲勞壽命有限元分析等設(shè)計制造方面采取相應(yīng)措施，通過輕量化設(shè)計制造技術(shù)提高液壓扳手的功率質(zhì)量比和靈活性[2]。

2.3 連續(xù)擰緊控制技術(shù)

為提高液壓開口扳手擰緊作業(yè)的效率與質(zhì)量，應(yīng)通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)擰緊作業(yè)，同時需對擰緊力矩進行精確控制。然而，由于工程施工現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，為保障設(shè)備的可靠性，高精度的伺服閥控制方案無法適用，因此開展高可靠性的連續(xù)擰緊控制技術(shù)研究也是液壓扳手的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.4 節(jié)能與智能控制診斷技術(shù)

隨著人們對液壓扳手等施工作業(yè)設(shè)備運行效率、智能化水平和可靠性的要求不斷提高，需開展對液壓動力源形式與節(jié)能控制措施的研究，減小系統(tǒng)運行過程中的能量損耗，提高液壓扳手整體能量利用率[3]；應(yīng)通過對液壓控制系統(tǒng)的智能化研究，提升整機自動化與智能化水平，同時利用智能監(jiān)測與診斷技術(shù)進行故障預(yù)報警，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益的雙贏[4]。因此，節(jié)能與智能控制診斷技術(shù)是液壓扳手的又一關(guān)鍵技術(shù)。

3 液壓扳手研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

美國HYTORC公司生產(chǎn)的AL-Ti合金液壓扳手，采用TITAL399材料，其結(jié)構(gòu)“輕薄短小”，并且設(shè)有超壓釋放閥，具有較高安全性[5]。此外，該扳手配有數(shù)字顯示器或高精度扭矩表，可直接讀出擰緊力矩，同時由于采用了單向棘輪及快速釋放桿設(shè)計，避免了普通液壓扳手由于棘輪少許逆轉(zhuǎn)及油缸推桿與機身間產(chǎn)生較大摩擦力而影響精度的情況。然而，該扳手只適用于內(nèi)外六角螺釘或螺母的擰緊場合，無法用于鋼筋或管路的擰緊。

美國Enerpac公司生產(chǎn)的鋼制中空液壓扳手包括六角驅(qū)動盒、驅(qū)動頭、旋轉(zhuǎn)接頭和反作用力臂等，可輸出最大扭矩達45 450 N·m，六角對邊尺寸范圍30～155 mm，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕及工作效率高等優(yōu)點。單次操作螺母的旋轉(zhuǎn)角達30°，并且采用鍍鎳處理，以增強抗腐蝕性能和在惡劣環(huán)境中的耐用性；由于配有銅襯套保證棘輪不與側(cè)壁接觸，延遲了使用壽命。此外，該公司生產(chǎn)的鋼制方驅(qū)液壓扳手包括動力頭、反作用力臂、六角方驅(qū)頭等部分，可輸出最大扭矩34 079 N·m，方驅(qū)尺寸為1/2～3/4英寸。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

杜德機械科技（上海）有限公司的林尚波發(fā)明了一種開口式液壓扭矩扳手，由扳手體、扳手頭、楔塊組件及液壓油缸組件等組成。其中，扳手體上設(shè)有圓孔及軸座，扳手頭上設(shè)有鉸軸、圓形凸臺、滑槽及銷軸，液壓缸組件與扳手體鉸接，扳手頭的凸臺設(shè)于扳手體的開口圓孔內(nèi)，扳手頭的鉸軸與油缸的活塞桿鉸接，楔塊組件置于扳手頭兩側(cè)的滑槽內(nèi)[6]。該扳手可以連續(xù)擺動方式進行外六角螺栓或螺母的擰緊作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便且設(shè)定扭矩準確等優(yōu)點。然而，該扳手無法對直螺紋套筒進行擰緊作業(yè)。

華北水利水電學院的袁昕、姚林曉等人開發(fā)了一種便攜式大扭矩液壓扳手，用于三門峽水電廠水輪機轉(zhuǎn)子法蘭盤螺釘組裝[7]。該扳手輸出扭矩為52 kN·m，重量小于60 kg，可單人操作。為了減小扳手尺寸和重量，該扳手采用偏心液壓缸結(jié)構(gòu)，使油道集成于缸壁上，以縮小對作業(yè)空間的要求；為提高功率質(zhì)量比，該系統(tǒng)采用超高壓液壓元件，關(guān)鍵零部件采用超高強度材料；采用電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓扳手的自動化控制。

杭州雷恩液壓設(shè)備制造有限公司的錢剛等人發(fā)明了一種穩(wěn)定性好且壽命長的液壓扭矩扳手，包括扳手本體、棘爪、棘輪、油缸和銷軸等，適用于普通內(nèi)、外六角螺釘或螺母的擰緊作業(yè)[8]。

4 結(jié)語

綜上所述，當前市場上已有的液壓扳手主要分為方頭式和中空式兩大類，可廣泛適用于各類設(shè)備的內(nèi)、外六角螺釘或螺母裝卸，但無法適用于鋼筋籠對接時直螺紋套筒或長管道接頭螺母的擰緊作業(yè)，故開展開口式液壓扳手的研制是今后的一大發(fā)展方向；為減小液壓扳手的質(zhì)量和操作空間需求，高壓化是液壓扳手的另一發(fā)展方向；提高液壓扳手的擰緊力矩控制精度、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)報警和智能化水平，保障施工質(zhì)量、效率和安全性，是液壓扳手的又一重要發(fā)展方向。

[1]朱英，趙煥.測大扭矩液壓扳手的設(shè)計[J].科技展望，2016（8）：161.

[2]楊金平，于忠海.基于ANSYS/FE-SAFE的液壓扳手連桿疲勞壽命仿真分析[J].機械設(shè)計與制造，2015，44（2）：35-37.

[3]江超.目前液壓扳手設(shè)計制造技術(shù)分析以及改進措施[J].科技展望，2015（24）：121-122.

[4]崔浩軍.基于ARM的液壓扳手泵控制器的研究[D].西安：西安科技大學，2013：1-3.

[5]陶磊.Al-Ti合金液壓扳手在電站檢修中的應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，1996（1）：62.

[6]林尚波.開口式液壓扭矩扳手：201310407323.8[P].2013-09-10.

[7]袁昕，姚林曉.便攜式大轉(zhuǎn)矩液壓扳手液壓系統(tǒng)設(shè)計與創(chuàng)新[J].液壓與氣動，2003（6）：29-31.

[8]李剡琦，錢剛.液壓扭矩扳手：201520693972.3[P].2015-09-09.