影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素分析

王建國(guó) 趙亞軍 康琳琦

摘 ?要：扭矩扳手也可以稱為扭力扳手或者力矩扳手，可以調(diào)節(jié)和設(shè)置扭矩應(yīng)用，在設(shè)備作業(yè)中，廣泛應(yīng)用。基于此，文章通過(guò)分析扭矩扳手工作原理以及優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步分析了影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的相關(guān)因素，最后分析了扭矩扳手正確的使用方法以及計(jì)量方法，以期能夠在實(shí)際應(yīng)用中加強(qiáng)管理，嚴(yán)格控制誤差，提高應(yīng)用準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：扭矩扳手;準(zhǔn)確性;影響因素

中圖分類號(hào)：TS914.51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0066-02

Abstract： Torque wrench is a kind of wrench which can be used to adjust and set torque. It is widely used in equipment operation. Based on this， by analyzing the working principle and advantages of torque wrench， this paper further analyzes the relevant factors that affect the accuracy of torque wrench， and finally analyzes the method to correctly use it and the method to conduct measurement using the torque wrench， in order to strengthen management in practical application， strictly control errors and improve application accuracy of the torque wrench.

Keywords： torque wrench; accuracy; influencing factors

引言

隨著制造工業(yè)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備功能逐漸增加，功能模塊安裝也成為影響設(shè)備質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，螺紋的裝配扭矩與裝配質(zhì)量和產(chǎn)品的安全性能關(guān)系密切，螺紋連接作為安裝重要工序，為了體現(xiàn)出連接緊密性和可靠性，需要在應(yīng)用設(shè)備過(guò)程中，嚴(yán)格控制扭矩扳手的誤差，規(guī)范操作方法，保證設(shè)備螺栓的連接質(zhì)量，達(dá)到密封性的要求。因此研究影響扭矩扳手準(zhǔn)確性因素具有實(shí)踐意義，有助于提高操作精度，達(dá)到質(zhì)量要求。

1 扭矩扳手工作原理和優(yōu)勢(shì)

扭矩扳手主要是依據(jù)物理學(xué)杠桿原理設(shè)計(jì)，通過(guò)扭矩使得機(jī)械構(gòu)件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。在應(yīng)用過(guò)程中，鎖緊螺帽和螺栓會(huì)產(chǎn)生對(duì)等力，設(shè)定平衡點(diǎn)。扭矩扳手設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，使用時(shí)握持舒適，降低操作人員使用過(guò)程中的疲勞感，同時(shí)設(shè)定刻度尺，能夠?qū)εぞ刂颠M(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)定，當(dāng)施加在設(shè)備上的扭矩達(dá)到設(shè)定的扭矩值時(shí)，操作人員能夠在手柄上感受到震動(dòng)，可避免過(guò)大力度操作，造成扭矩值過(guò)大，對(duì)螺栓造成損壞。當(dāng)達(dá)到設(shè)定扭矩值后，可以聽見咔噠的聲音，提醒操作人員停止用力。

扭矩扳手具有多個(gè)種類，包括指針式、數(shù)顯式、預(yù)置可調(diào)式等，操作人員通過(guò)觀察刻度確定扭矩值。扭矩扳手具有突出優(yōu)勢(shì)，操作中更加省力。設(shè)計(jì)準(zhǔn)確刻度能夠設(shè)定扭矩值，避免由于螺紋連接差距造成預(yù)應(yīng)力過(guò)大，引發(fā)扳手損壞或產(chǎn)品損傷。目前扭矩扳手的不足主要是精度問題，無(wú)論引進(jìn)多少先進(jìn)技術(shù)，仍然要安排人工設(shè)定扭矩，通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)和物理計(jì)算，對(duì)扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素

2.1 操作人員專業(yè)性

操作人員專業(yè)水平也會(huì)影響扭矩扳手的準(zhǔn)確性，操作人員對(duì)于扭矩扳手了解程度會(huì)直接影響操作取值，如扭緊速度以及施力角度等。施力角度過(guò)大，單邊摩擦?xí)S之增大，變速或沖擊加力會(huì)使取值出現(xiàn)波動(dòng)，所以應(yīng)控制施力角度并避免變速施力以及沖擊施力，并且連接螺紋緊固件時(shí)要明確初始預(yù)緊力要求，按照裝配工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定合適的扭緊方法，加強(qiáng)力度控制。

2.2 螺栓摩擦影響

由于螺紋連接件之間存在著摩擦，摩擦力損耗很難測(cè)定，會(huì)造成應(yīng)用期間取值不準(zhǔn)確。在扭緊操作中，預(yù)緊力和扭矩具備正比關(guān)系，螺栓受力和工況直接影響預(yù)緊力大小。一般情況下，螺栓擰緊后，螺紋連接件的預(yù)緊力不允許超過(guò)材料屈服極限值的80%，螺栓頭底部和產(chǎn)品表面產(chǎn)生的摩擦約為50%扭矩，剩余約40%扭矩被消耗在螺紋摩擦上，只有10%左右的扭矩摩擦真正被用作鎖緊上。產(chǎn)品表面工況和潤(rùn)滑程度均影響預(yù)緊力，改變摩擦系數(shù)也會(huì)影響準(zhǔn)確度。由于螺帽和工件結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生相互作用，造成摩擦半徑改變，會(huì)對(duì)預(yù)緊力產(chǎn)生影響，所以在大部分扭矩鎖緊中不會(huì)使用墊圈。

產(chǎn)品使用過(guò)程中，為了減小摩擦力，工業(yè)上常使用二硫化鉬和石墨材料等構(gòu)成的潤(rùn)滑脂，但使用時(shí)除非特殊鎖緊用力需要，否則將會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力增加，造成螺栓受力增大而發(fā)生斷裂。如需要使用較低的預(yù)緊力希望達(dá)到理想預(yù)緊要求，則可使用潤(rùn)滑劑降低產(chǎn)品連接部位的摩擦力。螺栓摩擦力可避免因震動(dòng)而導(dǎo)致松動(dòng)，在產(chǎn)品使用過(guò)程中有時(shí)采用雙螺母或涂膠等方式保證鎖緊力達(dá)到要求。螺栓表面處理或電鍍等因素影響，也會(huì)對(duì)扭矩和摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。接觸面和螺紋副的摩擦系數(shù)都會(huì)對(duì)扭矩值產(chǎn)生重要影響，在生產(chǎn)過(guò)程需要對(duì)螺栓以及螺帽熱處理、材質(zhì)以及精度展開嚴(yán)格控制，在使用時(shí)要進(jìn)行認(rèn)真檢查，確認(rèn)沒有裂紋、劃傷和斷扣等影響連接性能的情況，保證螺栓孔和螺栓配合緊密，貯存期間避免因環(huán)境影響出現(xiàn)銹蝕。

2.3 讀數(shù)影響

指針式扭矩扳手根據(jù)指針寬度和刻度線間距比值確定力矩值，準(zhǔn)確度主要受到讀數(shù)的影響，讀數(shù)時(shí)需要提前估讀，從而減小讀數(shù)誤差。數(shù)顯式扭矩扳手讀數(shù)失誤主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況下。在扭矩扳手示值中，讀數(shù)誤差占據(jù)50%左右，隨著測(cè)量扭矩值增加讀數(shù)誤差逐漸減小，測(cè)量扭矩扳手下限位置，最容易出現(xiàn)讀數(shù)誤差。因此在讀數(shù)時(shí)，需要由2名操作人員進(jìn)行重復(fù)讀數(shù)，從而保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

2.4 扭矩扳手結(jié)構(gòu)影響

目前扭矩扳手有多個(gè)種類，一般使用預(yù)置可調(diào)式，扭矩扳手不能脫離主彈簧，這也是扭矩扳手準(zhǔn)確應(yīng)用的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)收集的波動(dòng)數(shù)據(jù)證明，彈簧材料應(yīng)變是影響扭矩扳手準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。為了保證彈簧的可靠性，材料除了需要滿足強(qiáng)度，還必須具備良好的沖擊韌性、塑性、疲勞極限、彈性極限以及熱處理，要進(jìn)行沖擊疲勞和工藝檢驗(yàn)試驗(yàn)。預(yù)置式扭矩扳手使用完畢后，需將扳手調(diào)至扭矩的最小值，釋放施加在彈簧上的力，讓彈簧壽命得到延長(zhǎng)。使用前要設(shè)定扭矩值，進(jìn)行預(yù)扭。不能使用扭矩扳手拆卸螺母或者螺栓[2]。禁止在扭矩扳手尾部添加延長(zhǎng)套管，增加力臂，否則會(huì)對(duì)扭矩扳手造成損壞。根據(jù)使用需求對(duì)扭矩進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)要確定調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)被鎖定，才允許應(yīng)用。使用扭矩扳手時(shí)，需要平緩加載，不能猛壓或者猛拉，避免造成過(guò)載，造成輸出扭矩失去準(zhǔn)確度。達(dá)到預(yù)置扭矩后，要停止施力。使用過(guò)程中加強(qiáng)保護(hù)，避免水分浸入扭矩扳手，避免造成零件銹蝕。

2.5 維護(hù)管理

由于扭矩扳手屬于高頻率應(yīng)用工具，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，需要定期校準(zhǔn)檢查工具，配置符合使用要求的扭矩扳手設(shè)備，目前主要使用檢定儀對(duì)扭矩扳手進(jìn)行校準(zhǔn)，準(zhǔn)確率達(dá)到1%，檢定儀需要定期檢查。由于校準(zhǔn)環(huán)境為試驗(yàn)室環(huán)境，和現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境存在較大差異。為了保證校準(zhǔn)管理的有效性，需要參照實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理，要求誤差不會(huì)受到使用場(chǎng)合的影響。使用前要注意檢查扭矩扳手的準(zhǔn)確性，根據(jù)使用頻率調(diào)整校準(zhǔn)維護(hù)的頻率，一般情況下不少于1年1次。利用維護(hù)管理手段保證扭矩扳手的準(zhǔn)確性。

3 扭矩扳手的正確使用方法

扭矩扳手主要應(yīng)用于螺栓、螺釘和螺母等緊固件的安裝，通過(guò)對(duì)力矩的控制，保證螺紋緊固，且不會(huì)由于力矩過(guò)大造成螺紋受到破壞，因此需要使用扭矩扳手對(duì)扭矩值固定操作，在應(yīng)用過(guò)程中需要提前設(shè)定固定扭矩值，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后，扭矩扳手發(fā)出提醒信息，能夠感受到手部振動(dòng)或聽到“咔噠”的聲音，即完成了扭矩。當(dāng)扭矩值達(dá)到固定位置后，不需要繼續(xù)施加力，切忌使用沖擊力，停止施力后，各個(gè)零件復(fù)位。施加扭矩時(shí)，手握在扭矩扳手手柄的中間刻度線位置，只能在扭矩扳手標(biāo)注的方向上施力，同時(shí)施力方向應(yīng)在±15°以內(nèi)（垂直方向和水平方向）。

按照緊固件強(qiáng)度和扭矩工藝使用合適量程的扳手，不允許超過(guò)扳手的適用范圍。指針式扭矩扳手使用前需要進(jìn)行調(diào)零處理，無(wú)荷載時(shí)注意對(duì)扭矩扳手指針的檢查，指針是否處于零刻度值上，若不是，需要進(jìn)行調(diào)整。為保證讀數(shù)準(zhǔn)確，需要在使用時(shí)，一只手握住扳手手柄，讓扭矩扳手和拉力保持直角，平穩(wěn)施加力度，至指針指向扭矩值時(shí)，禁止應(yīng)用過(guò)大的力度，否則會(huì)產(chǎn)生誤差值。完成測(cè)量后，將旋轉(zhuǎn)鈕旋轉(zhuǎn)，讓指針恢復(fù)至零位，以便于進(jìn)行下次應(yīng)用。預(yù)置可調(diào)式扭矩扳手設(shè)定的扭矩值應(yīng)盡量在扭矩扳手使用范圍的1/2～2/3處。扭矩扳手作為一種計(jì)量工具，需要注意保護(hù)，禁止進(jìn)行扔擲、震動(dòng)以及敲擊等。

4 扭矩扳手的檢定

扭矩扳手使用過(guò)程中需要定期進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。達(dá)到檢定合格標(biāo)準(zhǔn)后，在扳手上貼合格標(biāo)志?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，需要對(duì)合格標(biāo)識(shí)進(jìn)行檢查，在校準(zhǔn)證書上注明轉(zhuǎn)接器和扭矩扳手配合應(yīng)用，注明警示信息，提醒操作人員按照校準(zhǔn)數(shù)值應(yīng)用。

首先保證扭矩扳手旋轉(zhuǎn)面平行于水平面，將扭矩扳手放置于智能扭矩儀上，使用導(dǎo)軌托座調(diào)節(jié)扳手高低，讓扭矩扳手旋轉(zhuǎn)面平行于水平面，表達(dá)安裝力臂準(zhǔn)確無(wú)誤。若扳手?jǐn)[放位置不準(zhǔn)確，施加力時(shí)，力矩受到扳手力臂作用產(chǎn)生力矩，扳手尺寸和自重會(huì)影響力矩的分量，從而造成檢定精度不準(zhǔn)確。因此在應(yīng)用中，嚴(yán)格控制放置位置，以達(dá)到控制精度的作用。

其次施力方向要和扭矩扳手垂直，施力時(shí)需要和扳手垂直，將扳手垂直方向以及作用控制在10°之內(nèi)。若超過(guò)允差區(qū)域，作用力施加給扳手上的力臂會(huì)小于實(shí)際力臂，成為實(shí)際力臂分量，扭矩值變小，影響到檢定精度。

再者施加力時(shí)，需要對(duì)扳手中間區(qū)域施加，即加力線附近用力。檢定扭矩扳手時(shí)，手需要向加力線施力，若手位置靠前會(huì)和視準(zhǔn)器接近，甚至?xí)鈮闹甘静课唬斐墒芰αΡ蹨p小，扭矩值低于實(shí)際扭矩值。若手位置過(guò)于靠后，作用力臂位置大于實(shí)際力臂，造成扭矩值超過(guò)實(shí)際扭矩值，且容易對(duì)扭矩傳感器造成損壞，影響到扭矩扳手的精度。

最后為避免傳感器受力狀態(tài)差導(dǎo)致的誤差，需要讓傳感器和扭矩扳手之間存在一定縫隙，在扭矩扳手受力時(shí)，傳感器和扳手方頭之間并不是同一個(gè)軸心，顯示扭矩值是扳手示值扭矩以及側(cè)向扭矩，四方孔以及套頭摩擦力矩和。因此，減小扳頭和四方孔間隙，使用摩擦力更低的轉(zhuǎn)接頭，讓輸出扭矩值更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文先簡(jiǎn)單分析了扭矩扳手工作原理和優(yōu)勢(shì)，然后進(jìn)一步分析了影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素，主要包括操作人員專業(yè)性、螺栓摩擦影響、讀數(shù)影響、扭矩扳手結(jié)構(gòu)影響、維護(hù)管理，最后分析了扭矩扳手的正確使用方法和檢定，因此需要嚴(yán)格管理影響因素，提高操作人員專業(yè)素養(yǎng)，保證穩(wěn)定扭矩，減小摩擦造成的負(fù)面影響。未來(lái)還需要進(jìn)一步提高扭矩扳手結(jié)構(gòu)，不斷縮小誤差，提高扳手精準(zhǔn)度。

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