国内气扳机产业的发展历程回顾

2019-01-10闫国瑞

凿岩机械气动工具 2019年4期

闫国瑞

1 前言

气扳机是螺纹紧固作业的主要工具，也是具有叶片式发动机的回转类气动工具产品家族中的大哥大，它麻雀虽小，但五脏俱全。气扳机属于技术密集型一类的产品，产量大，使用面广，制造难度较大。笔者多次见证过一些公司开发气扳机屡屡失败，数百万元投资打了水漂，现今仍有一些公司在气扳机产品的开发上如鲠在喉，骑虎难下。可以毫不夸张地说，谁能够攻占气扳机设计、制造这块高地，再继续开发其他回转类气动工具，比如气钻，气砂轮等产品，则是“会当凌绝顶，一览众山小”了。再进一步，如果能成功地开发出冲击式定扭矩气扳机，甚至油压脉冲定扭矩气扳机，并达到规模化量产，被市场认可，那就登上这块高地的巅峰了。

气扳机是我国凿岩机械与气动工具行业的标准化术语，这类产品的行业标准是JB/T 8411，此标准规定的产品规格范围为M6～M100，目前国内市场上较流行的称谓是风批（M2～M6）、风扳（M8～M20）、风炮（M24 ～M42），M42 以上的产品叫大风炮，产量不大。

2 发展历史

2.1 第一阶段：1953年～1966年

新中国成立前我国没有气动工具产业。1953年苏联有偿援建我国156 项重工业项目，史称156 工程。原沈阳风动工具厂（以下简称沈风厂）就是156 工程项目之一，由苏联最先进、最具实力的圣彼得堡气动工具厂对口援建，主要任务是生产我国矿山、水电工地急需的凿岩机，附带生产其他气动工具，据说苏联当时提供了气动凿岩机、气扳机、气砂轮、气钻、气铲、气动铆钉机、捣固机、气镐等共计13个产品的完整图纸。同时设计、工艺、检验、生产等方面的主要管理人员都派到圣彼得堡气动工具厂对口培训一年。沈风厂作为我国第一家气动工具企业诞生于1953年。大概在1955年沈风厂生产出了我国第一批气扳机。由于建国初期我国机电工业十分落后，气动工具的使用不多，当时主要是对苏联技术的学习、消化、吸收，直到1967年的10 多年里，气扳机技术基本上在原地踏步，发展缓慢，这个时期为气扳机发展的第一个阶段。

2.2 第二阶段：1967年～1992年

1966年美国侵略越南战争急速升级，战火有可能燃烧到我国，为保家卫国，中央开始了史上最大规模的备战，即三线建设：将东北、华北、华东及东南沿海的主要工厂、科研院所内迁到西北、西南的山区。沈风厂为首批搬迁单位之一，工厂一分为二，精兵良将数百人、精良设备数百台于1966年搬迁至甘肃省天水市天水县，成立了天水燎原风动工具厂（以下简称天风厂）。一同搬迁的还有沈阳风动工具研究所（1959年在沈风厂的基础上成立），到天水后改名天水风动工具研究所（以下简称天风所，现为天水凿岩机械气动工具研究所）。当时沈风厂、天风厂都生产凿岩机，回转类气动工具如气扳机、气钻、气砂轮等产品全部西迁，冲击类产品如气动铆钉机、气动捣固机、气镐等留沈风厂生产。当年三线建设时，同样一分为二搬迁到天水的还有沈阳第一机床厂（当年也属于156 工程项目），迁到天水后的厂名为天水星火机床厂。在沈阳、天水这两家工厂都是邻居，内迁厂名引用的是毛主席“星星之火，可以燎原”的名言。

如果说第一阶段是沈风厂一枝独秀，那么第二阶段则是五大方阵同场竞技。专业性国企天风所、天风厂、沈风厂、青岛前哨等为第一方阵的领跑者。第二方阵是长春第一汽车厂、十堰第二汽车厂、北京吉普汽车厂、南京汽车厂、洛阳第一拖拉机厂、常州戚墅堰机车车辆厂、济南机车车辆厂等国企的工具科，他们都生产自己使用的一部分气扳机。第三方阵是山东黄县北马气动（现烟台春龙集团公司的前身，与一汽对接专供）、江苏启动气动（与二汽对接专供）、上海民生（与石化及电力系统对接专供）、上海闸北气动、天津小型气动、佛山三洋气动，以及无锡、镇江、萧山、宁波等地生产气扳机或气螺刀的一些集体所有制企业。第四方阵是江苏、浙江、福建、广东的一些乡镇小厂，大概从1988年起生产气动工具零件，虽然规模小，但活力十足。第五方阵是1990年后我国台湾、香港的少数商家抢滩登陆京、沪、穗等一线城市开办商号，推销日本、欧美等国的各种气动工具，把气扳机最新国际产品展示给我们。

在第二阶段的30 多年里，我国气动工具产业获得了长足的发展。五大方阵赛跑的结果是天风厂衰落，天风所全面退出产品研发，第三方阵高速发展，第四方阵崭露头角。

2.3 第二阶段时间划分的理由

1967年天风厂开始批量生产新一代气扳机B10A、B20A 等，标志着我国已经具备自主研发气扳机产品的实力。此后20 多年，天风厂一直发挥着行业的龙头作用。1992年春天邓小平南巡讲话发表之后，国内结束了市场经济“姓资姓社”的争论，实现了全民思想大解放，江苏、浙江、福建、广东的草根人士纷纷办起了气动工具厂，外商、外资大举进军国内气动行业。1992年以前虽然已经改革开放了，但重点在农业和农村，工业企业的手脚还是被束缚着。1985年北京五金国际博览会上外国气动工具首次亮相，美国芝加哥公司（CP）、日本不二公司（Fuj1）各自带来很多样机参展，在我国寻求合作伙伴，希望技术转让或合资生产气动工具，这是发达国家最早想打开中国气动工具市场大门的行动。国家第一机械部让天风厂与这两家外国公司接洽，结果是天风厂只买了几台气扳机展品，拿回来了几本样册。1987年在杭州召开的JB/T 8411-××××《冲击式气扳机》行业标准报批稿评审会议，前来参会的气扳机、气螺刀厂家还不到10 家。1992年国内气扳机产业虽然有了长足发展，但它依然受到计划经济的限制，规模不大。1992年是个拐点，跨过这个拐点后，我国气板机产业实现了数量和质量的迅猛发展，改写了我国气扳机产业的版图，跨进了一个发展新阶段。

2.4 第二阶段里不该忘却的故事

2.4.1 天风所、天风厂独领风骚二十多年

1966年内迁后的天风所对内承担天风厂的产品设计研发，对外是行业技术归口研究所，这样运作了20年，1986年天风所从天风厂独立出来，从事行业产品性能检测、技术标准管理等工作。

从1966 到1986的二十年里，气扳机、气螺刀类产品的自主研发取得了长足的发展。天风所吸收当时国外先进技术，先后开发了45 种新产品，其中B10A、B20A、B30、B39、BQ6、BQ14、BQ16、B76、B100 等具有行星齿轮减速器型，BGQ16、BGQ24、BG30、BG42 没有行星齿轮减速器，BQN42、BQN14、BQN18 属冲击式定扭矩气扳机，其中BQN42 采用扭矩+转角复合控制扭矩法，BQN14、BQN18 采用扭力杆弹性变形控制扭矩法；BZ10、BZ20、BZ30 属纯定扭矩直柄型组合气扳机，一次拧紧4～8个螺栓；L4A、LC4A、LS6Z21 系列的气螺刀有直柄及枪柄型，有中转速及低转速型，有单向旋转及双向旋转型，螺刀头带磁性、不带磁性，该系列气螺刀零件的通用率高达75%。L4A、LC4A 在1979年开发成功，在我国最早的北京牡丹牌、上海飞跃牌12 英寸黑白电视机总装线上使用。LS6Z21、LSC6Z21等24 种气螺刀，于1981年一次性开发成功，在南京跃进卡车总装线内饰工段使用，很受欢迎。当时除前哨有两款纯扭矩（失速型）、小规格的气螺刀外，国内气螺刀的生产还处于空白状态。B30、B39 两款气板机是长春一汽、南京汽车等厂总装线上紧固轮胎螺栓的指定工具。B76、B100 两款大型气扳机在西安高压电器研究所、浙江新安江水电站大电机地脚大螺栓紧固中一炮打响。B10A 气扳机更是汽车、拖拉机、柴油机等工厂总装线的必备工具。

上述45 种新产品中，B20A、B39、BQ6、BQ14、BQ16、BQN42、BZN10、BZN20、BZ30、B76、B100、LS6Z21、LSC6Z21、LS6Q21、LSC6Q21、LS8Z16、LSC8Z16、LS8Q16、LSCQ16 等共35 种气扳机、气螺刀开发时，一无样机，二无参考图纸，从零做起，属于完全自主开发，具有100%的原创性知识产权。这20年里天风所在气扳机、气螺刀类产品开发方面独领风骚，一直发挥着领头雁的作用，填补了多项国内空白，获得了多个国内单项第一。青岛前哨厂开发的两款小型气扳机在航空系统很受欢迎，济南机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂、洛阳第一拖拉机厂生产的QB30、QB42 两款中型气扳机也有不少用户。第一方阵和第二方阵为我国诸多重工业部门提供了各种规格的气扳机，这是我国螺纹紧固气动工具发展历程中第二阶段的一个成长期。

2.4.2 无私的技术提供和支持

在第二历史阶段值得一提的一个情况是，天风所、天风厂的所有产品图纸、技术资料对国内都是公开的，毫无保留的，有求必应，晒蓝图供给，一公斤蓝图只收几元钱的纸张费，连一张介绍信都不需要。这种计划经济时期技术无厂界的模式，使得对气动工具感兴趣的山东、江苏、浙江等地的人民公社社办小作坊、街道小作坊很快进入了气动工具行业，把气动工具制造技术由少数国企推广到了全国，为以后的全面发展铺设了一条大道。

2.4.3 一个插曲——无意插柳柳成荫

国内气动工具生产起步较早、发展较快的公司，应为原青岛前哨气动工具厂（以下简称前哨厂）。它的前身是原航空工业部所属的一所中等专业学校。60年代初，我国从英国购进了四架三叉飞机，供中央领导人专用（1971年林某外逃时乘座的就是三叉机），每架飞机进口时带有一套英国迪索特公司（Desoutter）的精密气动工具（维修备用），其中一套气动工具作为战备物资，留存在这所学校里。1966年文化大革命开始，学校停课了，几个无事可做又不甘寂寞的老师出于好奇，拆开了这套工具里面的小气扳机、气钻、铆钉机等，一下子就着迷了。由于飞机制造、维修大量需要这类工具，不久他们成立了气动工具制造厂，之后又去天风所、天风厂学习取经，收集了大量技术资料，大概于1969年正式建厂，专门生产小型气动工具，主要供我国航空航天系统使用，在小型精密气动工具方面占有了一席之地。

2.4.4 气扳机冲击器动态高速摄影

由于文化大革命的动乱严重冲击了工厂、高校、科研院所的正常工作，许多技术人员没事做了，但有些人不甘逍遥，主动找活干。1966年由天风所和铁道部戚墅堰机车车辆厂（以下简称戚机厂）牵头，中科院长沙矿冶研究所爆破力学实验室、南京工学院（现东南大学）机械系、长春第一汽车制造厂、铁道部武汉大桥局等单位的几个人自愿结合，组成联合攻关小组，从1966年开始的一年多时间里，利用长沙矿冶研究所闲置的、具有当时国际先进水平的高速摄像机，对戚墅堰机车厂生产的QB30 气扳机内冲击器的冲击过程做了详细的动态摄影，得到了冲击瞬时动作图片数百张，并加工出外径尺寸不同的多种冲击筒及不同刚度的压缩弹簧，互相搭配，反复调整冲击器回转冲击时的转动惯量，寻求可产生最大冲击扭矩的零件之最佳几何尺寸，采集了近千个数据，分析比较、优化产品结构，根据这轮实验研究改进的产品，及时运用到了当年南京长江大桥建设中的高强度螺栓紧固作业，受到了用户的表扬。这是我国冲击式气扳机产品首次自发的，不计报酬的，具有创新意义的产、学、研三结合科研工作。主要参加人员有：刘林一、黄锡恺、吴灵光、王臻、富治荣、季德元、陈绍琴等。

2.4.5 气扳机冲击器运动学与动力学研究

在长沙矿冶研究所做动态高速摄影的这种冲击器结构很复杂，它由行星齿轮减速器输出轴上的两个人字螺旋槽、两个钢球、压缩圆柱弹簧，具有端面离合器的冲击筒等零件组成。天风厂现生产的B10A、B20A、B30、B39 等产品就是这种结构。根据联合攻关小组的实验资料，黄锡恺教授（我国高等院校第一部《机械原理》教材主编，博导）对当时气扳机冲击器的运动学进行了深入的理论分析研究，推导出一套完整的冲击器结构设计计算数学公式。但这次对冲击器的科学实验，只涉及运动学及动能转换，即高速回转冲击动能转换成输出扭矩方面的研究，没有进行冲击器零件力学分析和疲劳寿命探讨。这个研究成果于1968年发别发布在原南京工学院和原戚机厂的科技小报上。由于文化大革命的动乱不断升级，这个产、学、研三结合工作小组不久被迫解散了。不知何故，黄锡恺教授的论文没有在公开出版的刊物上发表。事隔多年，如今找其论文也不容易了。

1978年原南京工学院机械系颜景平教授（博导）对黄锡恺教授关于冲击器设计计算理论又做了更深入的探究，把这个问题作为连续三届本科毕业生的毕业论文课题，最后得出结论：冲击式气扳机的马达功率、压缩弹簧的刚度、冲击器的转动惯量，这三个参数紧密关联，存在一个最佳的匹配关系，当这三个参数优化配置时，气扳机传动轴的输出扭矩才达到最高。笔者按颜教授的理论做了验证，对本厂BQ16 气扳机冲击器零件的几何尺寸按此理论进行了优化调整，输出扭矩明显提高，取得了良好的效果。颜教授的文章分两期发表于《凿岩机械与气动工具》杂志上。这是我国高校学者对气扳机产品所做的深入的、系统的、具有原创性的探索研究。

2.4.6 气扳机行星齿轮减速器运动学与几何设计计算研究

早期的气扳机、气螺刀都具有一级甚至二级行星齿轮减速器。气钻、气马达、气动攻丝机的行星气动减速器更是标准配置。早期高校《机械原理》教材专门有一章讲述行星齿轮减速器，现行的大型《设计手册》以及《机修手册》都有行星齿轮减速器的设计计算资料，但是读过之后思路模糊，不知设计计算从何处入手。而且尴尬的是，按照这些资料设计制造的行星齿轮减速器，总装后大多会出现运动干涉，甚至卡死不转的现象，成功率太低，这是当时气扳机、气螺刀产品开发工作中令人头疼的一个难题。

黄锡恺针对气扳机行星齿轮减速器模数一般较小，太阳齿轮数特别少的特点，提出了一套专门的几何设计计算公式，其中关于三种齿轮齿数的配置要求，能保证装配的同心条件、邻接条件、重叠系数、滑动系数等技术要求；关于变位系数的选择，保证了太阳轮及行星齿轮加工时允许微量根切但无顶切（严重的顶切会致使齿顶热处理后局部脱碳），且二者具有齿根等弯曲力学强度。这是最早为气扳机行星齿轮减速器量身定制的几何设计计算。王云鹏在参考苏联有关参数的基础上介绍了行星齿轮减速器的三个行星轮非均布（即三个行星齿轮的圆心不是构成等边三角形，而是等腰三角形，这种结构在欧美的气动工具样机上很常见）的设计计算经验公式。笔者在深入学习、数次试制、反复验证的基础上总结归纳出专门针对气扳机行星齿轮减速器常用角变位、准少齿差（Z1+2Z2≠Z3）特点的设计计算公式和流程、齿轮测绘及反求工程的公式和流程，并介绍了多于一个的行星轮作为这种机构运动学的虚约束，是导致行星齿轮减速器运动干涉的根本机理，还介绍了准少齿差配齿计算、针对行星轮系的“几何设计变位系数”和针对行星轮加工的“工艺变位系数”的概念。这些资料为轻量化、无均载机构的气扳机、气螺刀专用行星齿轮减速器的开发提供了简洁而可行的参考，运用这套资料曾为广东省机械研究所开发的小马达（测绘瑞典Atlas 产品）里的行星减速器样机，送英国权威机构检验，认为可以与Atlas的减速器零件互换，受到了很好的评价。高学军后来在《凿岩机械气动工具》杂志上发表了紧凑型行星齿轮减速器的几篇论文，把这个技术又向前推进了一步。

2.4.7 气扳机大检测、大调访、全国联合设计

1977年起天风所组织有关单位搞了一次大规模的气扳机产品研发大会战，历时两年之久。参加单位有：天风所、天风厂、济南机车车辆厂工艺处、长春第一汽车制造厂工艺处、北京吉普汽车厂工艺处、南京汽车厂工艺处、洛阳第一拖拉机厂工具车间、十堰第二汽车制造厂、山东章丘向公、山东黄县北马、天津小型、上海闸北、广州造船厂、广州文冲船厂、镇江、无锡等地的十几家专业气动工具厂。这次大会战由天风所的刘科学、鞠复海和高瑞增负责，天风所的王臻、济南机车车辆厂的刘林一为正、副技术总负责人，这次大会战有检测、调访、联合设计三大战役。

2.4.7.1 调集多个厂家的多种产品集中检测

各厂家把自己的气扳机产品每种5 台，送到天风所做免费检测，共检测了几百台，为以后的冲击式气扳机行业标准起草积累了丰富的原始数据，也让各个厂家看到了自己产品的差距，收到了互学互比的效果。

2.4.7.2 大规模调访用户

气扳机产品集中检测后由王臻、刘林一带队，上述单位各有1～2 人参加，共20 多人对全国的气扳机主要用户做了调研考察，摸清了用户的诉求。被调访的单位有：洛阳一拖，济南机车，青岛四方车辆，大连造船厂，大连组合机床厂，长春一汽，北京吉普，南京卡车，十堰二汽，广州造船，广州文冲船厂等，调访历时两个多月。

2.4.7.3 调动全行业力量，实施联合设计

1978年春开始进行气扳机全国联合设计工作，王臻、刘林一为总设计师，调访组的人员全部参加，先是在无锡气动工具厂里办公，后来转战到山东章丘向公风动工具厂，共历时四个月。这次联合设计是在分析上面检测、调访资料的基础上进行的，开发了M6、M10、M16、M20、M30、M42、M76、M100 等一个系列的8 种产品，基本结构还是行星齿轮减速型，曾在长沙矿院做过高速摄影的那种冲击器。气马达、行星齿轮减速器、冲击器三大结构都做了深入的设计计算，写成了书面材料。值得一提的是，M6、M16、M76、M100 四种机型设计时没有国外样机，也无参考资料，全部从零起步。不像现在国外样机唾手可得，那时国外样机要用外汇购买，还特别昂贵，样机为稀世之宝。M6的设计主管是北京吉普汽车厂工艺科的高世雄，M76的设计主管是南京汽车厂工艺科的张柯庆，M100的设计主管是济南机车厂工艺科的刘林一，他们三个人都是非气动专业厂的工程师。1980年M100 由天风所试制了五台，一举成功。此气扳机的机重有100 多千克，用吊车挂起来只需一名工人手扶着就可以操作了，说明气扳机振动很小。这么大的产品，没有样机，靠自行设计、自主研发，后来的40 多年里再也没有出现过这样的盛况。

2.4.8 气螺刀模块化大型设计

1979年天风所做了一轮产品结构模块化的大型设计，王云鹏为总设计师，有四位年轻工程师参加，历时两年多，共开发了4 大系列，100 多种各类小型气动工具，其中螺纹类的有：气螺刀24 种，中小型气扳机（具有减速器）4 种，攻丝机6 种，产品零件通用率高达75%左右，样机试制一次性成功，全部通过了技术鉴定，部分产品成为天风厂的主导产品，多年在生产。

2.4.9 高转速型气扳机研发

1981年起天风所又成功开发了BG16、BG24、BG30、BG42 四种新型气扳机，历时三年，全部通过了技术鉴定，形成了小批量生产。它们没有行星齿轮减速器，冲击结构为双环锤，是仿照美国IR公司的产品，具有当时国际先进水平。这是国内最早生产这类结构的气扳机。

2.4.10 储能式气扳机——中国人的发明专利

气扳机冲击器的结构设计难度极大，水很深，目前都是仿照国外的样机。但是原上海民生电器厂早在上个世纪70年代就自主研发了储能式气扳机，搞出了一个系列数种产品。这类气扳机重量较轻，扭矩较大，很受石油、化工、电力等行业无悬挂装置高空作业场合的欢迎，后来申请了中国专利，这是中国人真正的、没有水分的发明专利，是我国气扳机发展史上的一个亮点。