張國(guó)龍 蔣亞南 李文昌 潘春暉 韓雨恒

（寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315212）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(chǎng)的運(yùn)用日益增多，用于完成對(duì)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(dòng)強(qiáng)度，還有效提高了施工效率和安全性，對(duì)于保障工程項(xiàng)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(jī)、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(chǎng)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(dòng)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(dòng)液壓泵，最后通過(guò)液壓閥控制液壓油的流動(dòng)方向、壓力和速度。當(dāng)油缸的無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，其活塞桿伸出，推動(dòng)扳手頭向逆時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)，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(guò)一定角度，而螺母在摩擦扭矩的作用下保持靜止不動(dòng)，以便為下一次擰緊作業(yè)做好準(zhǔn)備；當(dāng)油缸的有桿腔進(jìn)油時(shí)，其活塞桿縮回并帶動(dòng)夾頭向順時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)，使扳手頭帶動(dòng)螺母一起圍繞螺桿的軸線轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，完成一次擰緊作業(yè)。重復(fù)上述動(dòng)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(duì)螺母等緊固件的卡緊方向，則可實(shí)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(jì)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(duì)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(shí)，為了改善扳手頭的受力狀況，需對(duì)扳手頭的抓取特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)抓取機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，多功能扳手頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抓取特性分析和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是液壓扳手的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 輕量化設(shè)計(jì)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(diǎn)。因此，需從液壓系統(tǒng)高壓化、關(guān)鍵零部件采用高強(qiáng)度合金材料和零部件的強(qiáng)度、變形、疲勞壽命有限元分析等設(shè)計(jì)制造方面采取相應(yīng)措施，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)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?jǐn)Q緊作業(yè)的效率與質(zhì)量，應(yīng)通過(guò)電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)擰緊作業(yè)，同時(shí)需對(duì)擰緊力矩進(jìn)行精確控制。然而，由于工程施工現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(duì)液壓扳手等施工作業(yè)設(shè)備運(yùn)行效率、智能化水平和可靠性的要求不斷提高，需開展對(duì)液壓動(dòng)力源形式與節(jié)能控制措施的研究，減小系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(guò)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的智能化研究，提升整機(jī)自動(dòng)化與智能化水平，同時(shí)利用智能監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)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(shí)由于采用了單向棘輪及快速釋放桿設(shè)計(jì)，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(jī)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(chǎng)合，無(wú)法用于鋼筋或管路的擰緊。

美國(guó)Enerpac公司生產(chǎn)的鋼制中空液壓扳手包括六角驅(qū)動(dòng)盒、驅(qū)動(dòng)頭、旋轉(zhuǎn)接頭和反作用力臂等，可輸出最大扭矩達(dá)45 450 N·m，六角對(duì)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(diǎn)。單次操作螺母的旋轉(zhuǎn)角達(dá)30°，并且采用鍍鎳處理，以增強(qiáng)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(dòng)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

杜德機(jī)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(tái)、滑槽及銷軸，液壓缸組件與扳手體鉸接，扳手頭的凸臺(tái)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(dòng)方式進(jìn)行外六角螺栓或螺母的擰緊作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便且設(shè)定扭矩準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。然而，該扳手無(wú)法對(duì)直螺紋套筒進(jìn)行擰緊作業(yè)。

華北水利水電學(xué)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(jī)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(duì)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(qiáng)度材料；采用電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓扳手的自動(dòng)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(zhǎng)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(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前市場(chǎng)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(wú)法適用于鋼筋籠對(duì)接時(shí)直螺紋套筒或長(zhǎng)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(cè)、故障預(yù)報(bào)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(cè)大扭矩液壓扳手的設(shè)計(jì)[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(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015，44（2）：35-37.

[3]江超.目前液壓扳手設(shè)計(jì)制造技術(shù)分析以及改進(jìn)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(xué)，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(jì)與創(chuàng)新[J].液壓與氣動(dòng)，2003（6）：29-31.

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