我國(guó)電動(dòng)扳手與鋼結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展

沈家驊

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　　100081）

我國(guó)電動(dòng)扳手與鋼結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展

沈家驊

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

回顧了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度螺栓施擰技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，介紹了采用扭矩法施擰的機(jī)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(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出利用新型電動(dòng)扳手大幅度提高施擰精度和簡(jiǎn)化施擰工序的先進(jìn)方法，對(duì)高強(qiáng)度螺栓施擰技術(shù)的提高具有重要參考價(jià)值。

高強(qiáng)度螺栓連接副；擰緊軸力；扭矩系數(shù)；施擰扭矩；電動(dòng)扳手

在鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓施擰中，最為重要的是如何保證所有高強(qiáng)度螺栓連接副的擰緊軸力盡可能接近設(shè)計(jì)軸力（其它金屬結(jié)構(gòu)也有類(lèi)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(biāo)。過(guò)高的軸力（即超擰）將使螺栓發(fā)生斷裂或當(dāng)時(shí)不斷再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生斷裂 （即延遲斷裂）；過(guò)低的軸力（即欠擰）將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)隱患。

1　我國(guó)第1代電動(dòng)扳手

我國(guó)第1代電動(dòng)扳手將電機(jī)最大輸出扭矩通過(guò)齒輪傳動(dòng)減速放大了的扭矩作為電動(dòng)扳手的最終輸出扭矩，也就是說(shuō)第1代電動(dòng)扳手只能提供最大輸出扭矩。20世紀(jì)60，70年代，由于當(dāng)時(shí)我國(guó)高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)技術(shù)還比較落后，同批高強(qiáng)度螺栓連接副還不能按保證扭矩系數(shù)供貨，因此在高強(qiáng)度螺栓施擰中只能采用轉(zhuǎn)角法施工。由于當(dāng)時(shí)第1代電動(dòng)扳手輸出扭矩還不夠大，還不能滿足施擰高強(qiáng)度螺栓連接副的要求，因此當(dāng)時(shí)只能采用風(fēng)動(dòng)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(dòng)扳手

20世紀(jì)80年代，我國(guó)高強(qiáng)度螺栓連接副的生產(chǎn)技術(shù)有了很大提高，高強(qiáng)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(qiáng)度螺栓施擰采用扭矩法創(chuàng)造了必要條件。但是當(dāng)時(shí)我國(guó)還沒(méi)有定扭矩電動(dòng)扳手，為架設(shè)九江長(zhǎng)江大橋的需要，國(guó)家有關(guān)部門(mén)立項(xiàng)研制第2代定扭矩電動(dòng)扳手。該項(xiàng)目由鐵道部科學(xué)研究院、機(jī)械部上海電動(dòng)工具研究所、鐵道部大橋局、山東電動(dòng)工具廠（山東中興電動(dòng)工具有限公司前身）4家單位協(xié)作完成。此項(xiàng)成果曾獲得一機(jī)部科技成果三等獎(jiǎng)。

扭矩法施擰是基于高強(qiáng)度螺栓連接副在施擰過(guò)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(chēng)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(guò)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(gè)條件：一是同批的高強(qiáng)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(dòng)扳手。高強(qiáng)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(guó)高強(qiáng)度螺栓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了同批高強(qiáng)度連接副中隨機(jī)抽檢8套進(jìn)行扭矩系數(shù)檢測(cè)，其扭矩系數(shù)平均值為0.110～0.150，標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.010 0，檢測(cè)結(jié)果要符合以上的規(guī)定值。由于已測(cè)知高強(qiáng)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(jì)軸力，只要按公式計(jì)算出所需的擰緊扭矩，并用定扭矩電動(dòng)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(zhǔn)確性和高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)的離散度。

第2代電動(dòng)扳手的原理是通過(guò)控制電動(dòng)扳手輸入電流強(qiáng)度來(lái)控制電動(dòng)扳手的輸出扭矩，配合當(dāng)時(shí)我國(guó)高強(qiáng)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(guó)高強(qiáng)度螺栓施工開(kāi)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(jiǎn)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(dòng)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(jìn)行輸出扭矩標(biāo)定。另外由于其可靠性還較差，為了安全起見(jiàn)在高強(qiáng)度螺栓施工規(guī)程中規(guī)定了高強(qiáng)度螺栓連接副終擰后必須進(jìn)行終擰扭矩檢查，所以用第2代電動(dòng)扳手施擰時(shí)其工序仍然煩瑣。在用第2代電動(dòng)扳手進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓連接副施擰時(shí)，由于其扭矩精度及可靠性尚不夠理想，另外由于高強(qiáng)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(qiáng)度螺栓連接副存在超擰或欠擰現(xiàn)象，致使有部分高強(qiáng)度螺栓連接副發(fā)生斷裂或軸力不足。

第2代定扭矩電動(dòng)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(dāng)時(shí)架設(shè)九江長(zhǎng)江大橋施擰M27螺栓的需要。20世紀(jì)90年代，為滿足蕪湖長(zhǎng)江大橋M30螺栓的施擰，山東電動(dòng)工具廠又研制了最大輸出扭矩達(dá)到2 000 N·m的2000型定扭矩電動(dòng)扳手和用來(lái)初擰用的600型和1000型電動(dòng)扳手，將第2代定扭矩電動(dòng)扳手系列化。從20世紀(jì)80年代到目前，第2代定扭矩電動(dòng)扳手仍是我國(guó)高強(qiáng)度螺栓連接施擰的主要擰緊工具。

近幾年來(lái)由山東中興電動(dòng)工具有限公司與其他單位協(xié)作共同開(kāi)發(fā)研制出第3代電動(dòng)扳手。第3代電動(dòng)扳手的主要特點(diǎn)是在電動(dòng)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(guò)程中能設(shè)定、顯示和記錄電動(dòng)扳手的最終輸出扭矩，這就可以省去第2代電動(dòng)扳手使用前輸出扭矩?zé)┈嵉臉?biāo)定工作；另外由于在施擰時(shí)其施擰扭矩能及時(shí)記錄儲(chǔ)存，因此可以省去高強(qiáng)度螺栓連接副終擰后的扭矩檢查。此外，在第3代電動(dòng)扳手中還設(shè)有終擰轉(zhuǎn)角范圍的控制裝置，可以通過(guò)測(cè)量高強(qiáng)度螺栓從初擰到終擰的轉(zhuǎn)角，對(duì)終擰轉(zhuǎn)角過(guò)大（因扭矩系數(shù)過(guò)小而發(fā)生的超擰）和過(guò)小（因扭矩系數(shù)過(guò)大而發(fā)生的欠擰）的連接副報(bào)警。通過(guò)這一篩選，進(jìn)一步減少高強(qiáng)度螺栓的超擰和欠擰現(xiàn)象，提高了高強(qiáng)度螺栓的施擰質(zhì)量。

從以上情況看，第3代電動(dòng)扳手具有扭矩準(zhǔn)確，輸出扭矩可設(shè)定、顯示并可記錄儲(chǔ)存，在施擰過(guò)程中還可剔除扭矩系數(shù)過(guò)小或過(guò)大的高強(qiáng)度螺栓連接副，從而大幅度提高了高強(qiáng)度螺栓連接副的施擰精度；另外還大幅度簡(jiǎn)化了施工工序。采用第3代電動(dòng)扳手施擰高強(qiáng)度螺栓連接副，使我國(guó)高強(qiáng)度螺栓施工技術(shù)前進(jìn)了一大步，達(dá)到了世界上領(lǐng)先水平。在2014年11月第3代電動(dòng)扳手鑒定會(huì)上其優(yōu)異性能得到了與會(huì)專(zhuān)家一致好評(píng)。

3　第4代電動(dòng)扳手

第3代電動(dòng)扳手雖然具有輸出扭矩準(zhǔn)確的性能，但高強(qiáng)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(dòng)扳手還不能真正達(dá)到準(zhǔn)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(dòng)扳手的基礎(chǔ)上，最近由山東中興電動(dòng)工具有限公司與其他單位協(xié)作又共同開(kāi)發(fā)研制出第4代電動(dòng)扳手。這一代電動(dòng)扳手不僅能準(zhǔn)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(qiáng)度螺栓連接副的擰緊軸力。用戶只要在開(kāi)機(jī)前輸入所施擰連接副想要達(dá)到的擰緊軸力，開(kāi)動(dòng)第4代電動(dòng)扳手后就能自動(dòng)達(dá)到所需的擰緊軸力（目前其誤差為5%）。暫稱(chēng)這種電動(dòng)扳手為可控預(yù)緊力的電動(dòng)扳手。

第4代電動(dòng)扳手的工作原理是在電動(dòng)扳手上裝有數(shù)個(gè)傳感器，施擰時(shí)實(shí)時(shí)采集和計(jì)算傳感器采集的數(shù)據(jù)，測(cè)取每套螺栓連接副在擰緊過(guò)程中的摩阻情況（即螺栓連接副扭矩系數(shù)等），根據(jù)測(cè)得摩阻情況實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，最終達(dá)到準(zhǔn)確控制和顯示螺栓連接副終擰預(yù)緊力的目的。這項(xiàng)技術(shù)已獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：ZL201410300807.7），并試制出樣機(jī)，目前正在進(jìn)行各種工況試驗(yàn)，以完善其性能。據(jù)所了解的情況這是目前世界上最先進(jìn)的電動(dòng)扳手。

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

4　結(jié)語(yǔ)

第4代電動(dòng)扳手目前是世界上最先進(jìn)的電動(dòng)扳手，用來(lái)施擰高強(qiáng)度螺栓連接副，將使連接副的擰緊軸力更為準(zhǔn)確，施工更為簡(jiǎn)便，這將使電動(dòng)扳手和施擰技術(shù)發(fā)生革命性改變。如將這項(xiàng)技術(shù)推廣到其他行業(yè)中（如空客380飛機(jī)制造中要求機(jī)翼與機(jī)體連接的每套連接副的軸力都要進(jìn)行嚴(yán)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(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

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

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

［4］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 1231—2006鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［5］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 82—2011鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)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(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2016G003-G）