液压扳手综述

张国龙 蒋亚南 李文昌 潘春晖 韩雨恒

（宁波大学科学技术学院，浙江宁波315212）

0 引言

随着经济社会的发展，大型设备面临的安装作业环境日益复杂。液压扳手在施工现场的运用日益增多，用于完成对大扭矩螺纹的装卸作业，这不仅减轻了人工作业的劳动强度，还有效提高了施工效率和安全性，对于保障工程项目的施工质量与效率具有重大意义。液压扳手已应用于汽车、轮机、水利水电、化工装备、船舶和道路桥梁施工等众多行业，具有广阔的市场应用前景[1]。

1 液压扳手组成与工作原理

液压扳手一般采用液压油缸驱动方式，主要由扳手头、油缸、壳体、销轴和小型液压站等零部件组成，其中油缸一般采用双作用活塞缸。工作前，首先将扳手头可靠卡住螺母等紧固件，然后空载启动液压泵，最后通过液压阀控制液压油的流动方向、压力和速度。当油缸的无杆腔进油时，其活塞杆伸出，推动扳手头向逆时针方向摆动，由于棘轮或锯齿形结构的存在，使扳手头围绕螺母轴线转过一定角度，而螺母在摩擦扭矩的作用下保持静止不动，以便为下一次拧紧作业做好准备；当油缸的有杆腔进油时，其活塞杆缩回并带动夹头向顺时针方向摆动，使扳手头带动螺母一起围绕螺杆的轴线转过一定角度，完成一次拧紧作业。重复上述动作，即可完成螺母等紧固件的拧紧作业。反之，若改变扳手头相对螺母等紧固件的卡紧方向，则可实现拆卸作业。

2 液压扳手关键技术

2.1 多功能扳手头结构设计与抓取特性分析

为提高扳手的适应性，减少施工所需扳手的种类，需开发出多功能扳手头，提高扳手头对紧固件的适应能力，即单件扳手可应用于多种紧固件的拧紧或拆卸作业。同时，为了改善扳手头的受力状况，需对扳手头的抓取特性进行分析，设计抓取机构和传动机构。因此，多功能扳手头结构设计、抓取特性分析和传动机构设计是液压扳手的关键技术之一。

2.2 轻量化设计制造技术

液压扳手主要应用于大型设备的施工作业，为减小作业操作空间需求，提高携带的方便性和灵活性，应具有结构紧凑、体积小和重量轻等特点。因此，需从液压系统高压化、关键零部件采用高强度合金材料和零部件的强度、变形、疲劳寿命有限元分析等设计制造方面采取相应措施，通过轻量化设计制造技术提高液压扳手的功率质量比和灵活性[2]。

2.3 连续拧紧控制技术

为提高液压开口扳手拧紧作业的效率与质量，应通过电气控制系统实现连续平稳拧紧作业，同时需对拧紧力矩进行精确控制。然而，由于工程施工现场工作环境恶劣，为保障设备的可靠性，高精度的伺服阀控制方案无法适用，因此开展高可靠性的连续拧紧控制技术研究也是液压扳手的关键技术之一。

2.4 节能与智能控制诊断技术

随着人们对液压扳手等施工作业设备运行效率、智能化水平和可靠性的要求不断提高，需开展对液压动力源形式与节能控制措施的研究，减小系统运行过程中的能量损耗，提高液压扳手整体能量利用率[3]；应通过对液压控制系统的智能化研究，提升整机自动化与智能化水平，同时利用智能监测与诊断技术进行故障预报警，实现经济效益与社会效益的双赢[4]。因此，节能与智能控制诊断技术是液压扳手的又一关键技术。

3 液压扳手研究现状

3.1 国外研究现状

美国HYTORC公司生产的AL-Ti合金液压扳手，采用TITAL399材料，其结构“轻薄短小”，并且设有超压释放阀，具有较高安全性[5]。此外，该扳手配有数字显示器或高精度扭矩表，可直接读出拧紧力矩，同时由于采用了单向棘轮及快速释放杆设计，避免了普通液压扳手由于棘轮少许逆转及油缸推杆与机身间产生较大摩擦力而影响精度的情况。然而，该扳手只适用于内外六角螺钉或螺母的拧紧场合，无法用于钢筋或管路的拧紧。

美国Enerpac公司生产的钢制中空液压扳手包括六角驱动盒、驱动头、旋转接头和反作用力臂等，可输出最大扭矩达45 450 N·m，六角对边尺寸范围30～155 mm，具有结构紧凑、重量轻及工作效率高等优点。单次操作螺母的旋转角达30°，并且采用镀镍处理，以增强抗腐蚀性能和在恶劣环境中的耐用性；由于配有铜衬套保证棘轮不与侧壁接触，延迟了使用寿命。此外，该公司生产的钢制方驱液压扳手包括动力头、反作用力臂、六角方驱头等部分，可输出最大扭矩34 079 N·m，方驱尺寸为1/2～3/4英寸。

3.2 国内研究现状

杜德机械科技（上海）有限公司的林尚波发明了一种开口式液压扭矩扳手，由扳手体、扳手头、楔块组件及液压油缸组件等组成。其中，扳手体上设有圆孔及轴座，扳手头上设有铰轴、圆形凸台、滑槽及销轴，液压缸组件与扳手体铰接，扳手头的凸台设于扳手体的开口圆孔内，扳手头的铰轴与油缸的活塞杆铰接，楔块组件置于扳手头两侧的滑槽内[6]。该扳手可以连续摆动方式进行外六角螺栓或螺母的拧紧作业，具有结构简单、使用方便且设定扭矩准确等优点。然而，该扳手无法对直螺纹套筒进行拧紧作业。

华北水利水电学院的袁昕、姚林晓等人开发了一种便携式大扭矩液压扳手，用于三门峡水电厂水轮机转子法兰盘螺钉组装[7]。该扳手输出扭矩为52 kN·m，重量小于60 kg，可单人操作。为了减小扳手尺寸和重量，该扳手采用偏心液压缸结构，使油道集成于缸壁上，以缩小对作业空间的要求；为提高功率质量比，该系统采用超高压液压元件，关键零部件采用超高强度材料；采用电气控制系统，实现液压扳手的自动化控制。

杭州雷恩液压设备制造有限公司的钱刚等人发明了一种稳定性好且寿命长的液压扭矩扳手，包括扳手本体、棘爪、棘轮、油缸和销轴等，适用于普通内、外六角螺钉或螺母的拧紧作业[8]。

4 结语

综上所述，当前市场上已有的液压扳手主要分为方头式和中空式两大类，可广泛适用于各类设备的内、外六角螺钉或螺母装卸，但无法适用于钢筋笼对接时直螺纹套筒或长管道接头螺母的拧紧作业，故开展开口式液压扳手的研制是今后的一大发展方向；为减小液压扳手的质量和操作空间需求，高压化是液压扳手的另一发展方向；提高液压扳手的拧紧力矩控制精度、状态监测、故障预报警和智能化水平，保障施工质量、效率和安全性，是液压扳手的又一重要发展方向。

[1]朱英，赵焕.测大扭矩液压扳手的设计[J].科技展望，2016（8）：161.

[2]杨金平，于忠海.基于ANSYS/FE-SAFE的液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析[J].机械设计与制造，2015，44（2）：35-37.

[3]江超.目前液压扳手设计制造技术分析以及改进措施[J].科技展望，2015（24）：121-122.

[4]崔浩军.基于ARM的液压扳手泵控制器的研究[D].西安：西安科技大学，2013：1-3.

[5]陶磊.Al-Ti合金液压扳手在电站检修中的应用[J].华北电力技术，1996（1）：62.

[6]林尚波.开口式液压扭矩扳手：201310407323.8[P].2013-09-10.

[7]袁昕，姚林晓.便携式大转矩液压扳手液压系统设计与创新[J].液压与气动，2003（6）：29-31.

[8]李剡琦，钱刚.液压扭矩扳手：201520693972.3[P].2015-09-09.