我国电动扳手与钢结构中高强度螺栓施拧技术的发展

沈家骅

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　　100081）

我国电动扳手与钢结构中高强度螺栓施拧技术的发展

沈家骅

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081）

回顾了我国钢结构中高强度螺栓施拧技术的发展过程，介绍了采用扭矩法施拧的机理及影响施拧精度的主要因素，指出了目前施拧中存在的问题。在此基础上，提出利用新型电动扳手大幅度提高施拧精度和简化施拧工序的先进方法，对高强度螺栓施拧技术的提高具有重要参考价值。

高强度螺栓连接副；拧紧轴力；扭矩系数；施拧扭矩；电动扳手

在钢结构高强度螺栓施拧中，最为重要的是如何保证所有高强度螺栓连接副的拧紧轴力尽可能接近设计轴力（其它金属结构也有类似甚至更高的要求），这也是交通、建工等行业中的工程技术人员一直追求的目标。过高的轴力（即超拧）将使螺栓发生断裂或当时不断再经过一段时间后发生断裂 （即延迟断裂）；过低的轴力（即欠拧）将对结构的安全带来隐患。

1　我国第1代电动扳手

我国第1代电动扳手将电机最大输出扭矩通过齿轮传动减速放大了的扭矩作为电动扳手的最终输出扭矩，也就是说第1代电动扳手只能提供最大输出扭矩。20世纪60，70年代，由于当时我国高强度螺栓生产技术还比较落后，同批高强度螺栓连接副还不能按保证扭矩系数供货，因此在高强度螺栓施拧中只能采用转角法施工。由于当时第1代电动扳手输出扭矩还不够大，还不能满足施拧高强度螺栓连接副的要求，因此当时只能采用风动冲击扳手施拧。这种施拧方法施工工序极为繁琐，其施拧的精度也很低。

2　第2、第3代电动扳手

20世纪80年代，我国高强度螺栓连接副的生产技术有了很大提高，高强度螺栓生产厂可按保证连接副扭矩系数供货，这为高强度螺栓施拧采用扭矩法创造了必要条件。但是当时我国还没有定扭矩电动扳手，为架设九江长江大桥的需要，国家有关部门立项研制第2代定扭矩电动扳手。该项目由铁道部科学研究院、机械部上海电动工具研究所、铁道部大桥局、山东电动工具厂（山东中兴电动工具有限公司前身）4家单位协作完成。此项成果曾获得一机部科技成果三等奖。

扭矩法施拧是基于高强度螺栓连接副在施拧过程中存在着以下的关系

式中：M——施拧扭矩；

P——螺栓连接副的拧紧轴力；

d——螺栓连接副的公称直径；

K——螺栓连接副的扭矩系数，也就是螺栓连接副在拧紧过程中施拧扭矩M和螺栓连接副的拧紧轴力P的相关系数。

从公式（1）中可以看出，采用扭矩法施拧必须具备2个条件：一是同批的高强度螺栓连接副扭矩系数较为一致，二是要有能控制扭矩的电动扳手。高强度螺栓连接副扭矩系数是由螺栓生产厂提供保证的，在我国高强度螺栓国家标准中规定了同批高强度连接副中随机抽检8套进行扭矩系数检测，其扭矩系数平均值为0.110～0.150，标准偏差≤0.010 0，检测结果要符合以上的规定值。由于已测知高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值和所需螺栓连接副的设计轴力，只要按公式计算出所需的拧紧扭矩，并用定扭矩电动扳手施拧即可。用这种方法施拧螺栓连接副其施拧精度取决于施拧扭矩的准确性和高强度螺栓连接副的扭矩系数的离散度。

第2代电动扳手的原理是通过控制电动扳手输入电流强度来控制电动扳手的输出扭矩，配合当时我国高强度螺栓连接副的生产可按要求的扭矩系数供货，在这样情况下我国高强度螺栓施工开始可以采用扭矩法施工。与以往转角法施工相比，扭矩法施工大幅度简化了施工工序，其施拧精度也有较大提高。但是由于第2代电动扳手其扭矩精度为5%，其输出扭矩不能预先设定，必须在使用前进行输出扭矩标定。另外由于其可靠性还较差，为了安全起见在高强度螺栓施工规程中规定了高强度螺栓连接副终拧后必须进行终拧扭矩检查，所以用第2代电动扳手施拧时其工序仍然烦琐。在用第2代电动扳手进行高强度螺栓连接副施拧时，由于其扭矩精度及可靠性尚不够理想，另外由于高强度螺栓连接副扭矩系数离散性的存在，因此在这种施工技术中尚不可避免有部分高强度螺栓连接副存在超拧或欠拧现象，致使有部分高强度螺栓连接副发生断裂或轴力不足。

第2代定扭矩电动扳手的第1款最大输出扭矩为1 500 N·m的1500型产品，满足了当时架设九江长江大桥施拧M27螺栓的需要。20世纪90年代，为满足芜湖长江大桥M30螺栓的施拧，山东电动工具厂又研制了最大输出扭矩达到2 000 N·m的2000型定扭矩电动扳手和用来初拧用的600型和1000型电动扳手，将第2代定扭矩电动扳手系列化。从20世纪80年代到目前，第2代定扭矩电动扳手仍是我国高强度螺栓连接施拧的主要拧紧工具。

近几年来由山东中兴电动工具有限公司与其他单位协作共同开发研制出第3代电动扳手。第3代电动扳手的主要特点是在电动扳手中装有扭矩传感器，其输出扭矩稳定性好、精度较高，并且在施拧过程中能设定、显示和记录电动扳手的最终输出扭矩，这就可以省去第2代电动扳手使用前输出扭矩烦琐的标定工作；另外由于在施拧时其施拧扭矩能及时记录储存，因此可以省去高强度螺栓连接副终拧后的扭矩检查。此外，在第3代电动扳手中还设有终拧转角范围的控制装置，可以通过测量高强度螺栓从初拧到终拧的转角，对终拧转角过大（因扭矩系数过小而发生的超拧）和过小（因扭矩系数过大而发生的欠拧）的连接副报警。通过这一筛选，进一步减少高强度螺栓的超拧和欠拧现象，提高了高强度螺栓的施拧质量。

从以上情况看，第3代电动扳手具有扭矩准确，输出扭矩可设定、显示并可记录储存，在施拧过程中还可剔除扭矩系数过小或过大的高强度螺栓连接副，从而大幅度提高了高强度螺栓连接副的施拧精度；另外还大幅度简化了施工工序。采用第3代电动扳手施拧高强度螺栓连接副，使我国高强度螺栓施工技术前进了一大步，达到了世界上领先水平。在2014年11月第3代电动扳手鉴定会上其优异性能得到了与会专家一致好评。

3　第4代电动扳手

第3代电动扳手虽然具有输出扭矩准确的性能，但高强度螺栓连接副的拧紧轴力还受到螺栓连接副扭矩系数离散的影响，所以第3代电动扳手还不能真正达到准确控制螺栓连接副的拧紧轴力的目的。在成功研制出第3代电动扳手的基础上，最近由山东中兴电动工具有限公司与其他单位协作又共同开发研制出第4代电动扳手。这一代电动扳手不仅能准确控制输出扭矩，而且还能设定、显示和记录所施拧的高强度螺栓连接副的拧紧轴力。用户只要在开机前输入所施拧连接副想要达到的拧紧轴力，开动第4代电动扳手后就能自动达到所需的拧紧轴力（目前其误差为5%）。暂称这种电动扳手为可控预紧力的电动扳手。

第4代电动扳手的工作原理是在电动扳手上装有数个传感器，施拧时实时采集和计算传感器采集的数据，测取每套螺栓连接副在拧紧过程中的摩阻情况（即螺栓连接副扭矩系数等），根据测得摩阻情况实时调整控制参数，最终达到准确控制和显示螺栓连接副终拧预紧力的目的。这项技术已获得了国家发明专利（专利号：ZL201410300807.7），并试制出样机，目前正在进行各种工况试验，以完善其性能。据所了解的情况这是目前世界上最先进的电动扳手。

第4代电动扳手不仅能控制施拧连接副达到所需的拧紧轴力，而且对于拧入机体内的高强度螺栓连接副也能达到此要求，这是以往施拧中难以做到的。另外用第4代电动扳手施拧的连接副还可以多次重复使用。

4　结语

第4代电动扳手目前是世界上最先进的电动扳手，用来施拧高强度螺栓连接副，将使连接副的拧紧轴力更为准确，施工更为简便，这将使电动扳手和施拧技术发生革命性改变。如将这项技术推广到其他行业中（如空客380飞机制造中要求机翼与机体连接的每套连接副的轴力都要进行严格控制），也将使螺栓连接技术产生质的提高。

［1］陈绍蕃，顾强.钢结构基础［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TBJ 214—92铁路钢桥高强度螺栓连接规定［S］.北京：中国铁道出版社，1992.

［4］国家质量监督检验检疫总局，中国标准化管理委员会. GB/T 1231—2006钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 82—2011钢结构高强度螺栓连接技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

（责任审编孟庆伶）

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本刊编辑部

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

沈家骅（1942— ），男，研究员。

U445.34

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.02

1003-1995（2016）07-0006-03

2016-03-16；

2016-03-22

中国铁路总公司科技研究开发计划（2016G003-G）