扭矩扳手準(zhǔn)確性的影響因素探析

王甜 武漢中車株機(jī)軌道交通裝備有限公司

一、引言

加工制造技術(shù)的進(jìn)步，使得機(jī)械設(shè)備具備的功能不斷得到完善，控制好機(jī)械設(shè)備功能模塊安裝質(zhì)量，可以進(jìn)一步提高機(jī)械設(shè)備整體質(zhì)量，提升功能模塊的安裝質(zhì)量離不開準(zhǔn)確的螺紋安裝扭矩。螺紋作為重要的安裝工序，需要良好地連接緊密性，這就需要在使用過程中減小扭矩誤差，規(guī)范工人員的操作方法，達(dá)到螺栓連接質(zhì)量控制要求，滿足機(jī)械設(shè)備對密封性的要求。所以，深入研究扭矩扳手準(zhǔn)確性，提高螺栓安裝操作精度，滿足對安裝質(zhì)量控制要求。

二、扭矩扳手工作原理和優(yōu)點(diǎn)

扭矩扳手也是根據(jù)物理學(xué)中杠桿原理，操作人員通過對扳手施加扭矩來使機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，使得螺帽與螺栓形成對等力，可以達(dá)到設(shè)定的力學(xué)平衡點(diǎn)。扭矩扳手與普通扳手有所不同，采用人體工學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用過程中具有更好的握持舒適感，可以減少使用產(chǎn)生的疲勞感，只需要設(shè)定好扭矩刻度，就可以保證施加力達(dá)到規(guī)定值，工作人員通過手柄可感受到產(chǎn)生的振動，防止施加的扭矩過大或過小，不能達(dá)到緊密性連接的要求。通過設(shè)定扭矩后進(jìn)行操作，可以在達(dá)到扭矩以后聽到咔噠聲，工作人員應(yīng)該停止繼續(xù)施加扭矩。市面上扭矩扳手的類型比較多，主要有指針式、數(shù)顯式等，工作人員的使用過程中查看具體的扭矩值，但很多扭矩板手的精度都達(dá)不到要求，還需要采取人工方式來設(shè)定扭矩值，以人工或物理計(jì)算方式進(jìn)行扭矩設(shè)計(jì)。

扭矩＝力×力臂

圖1 扭矩示意圖

三、扭矩扳手準(zhǔn)確性影響因素分析

（一）工作人員專業(yè)水平

工作人員具備的專業(yè)水平會對扭矩扳手準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響，對扭矩扳手是否了解會對施加力矩取值形成影響，比如，施工加的扭矩速度、角度等，如果角度太大，存在的單邊摩擦就會相應(yīng)的變大，而施加扭矩速度不均則會存在波動，需要工作人員嚴(yán)格控制好施力角度與速度，防止產(chǎn)生沖擊扭矩。在進(jìn)行螺栓緊固操作時，應(yīng)該確定好初始預(yù)緊力，再根據(jù)裝配工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定科學(xué)合理的扭緊辦法，控制好會使用過程中的力度。使用扭矩手的時候，工作人員必須用手握住扭矩扳手的手柄用力進(jìn)行操作，如握住扭矩扳手的其他部位進(jìn)行操作將會對產(chǎn)生的扭矩值造成影響。

圖2 扭矩扳手的不正確使用造成的影響

（二）螺栓摩擦影響

螺紋連接件相互間上存在著摩擦力，但無法對摩損損耗進(jìn)行準(zhǔn)確測定，會導(dǎo)致扭矩扳手在使用時存在取值不準(zhǔn)確的問題。在進(jìn)行扭緊操作過程中，施工加的預(yù)緊力與扭矩間存在著正比例關(guān)系，螺栓受力及工況會對預(yù)緊力產(chǎn)生影響。普遍情況下，當(dāng)螺栓完全擰緊以后，施加預(yù)緊力不可以超過材料屈服極限的80%，螺栓頭部、底部和表面摩擦只有50%扭矩左右，余下的扭矩會被螺絲摩擦所消耗，約有10%扭矩被應(yīng)用到鎖緊。螺栓制作的表面工況、潤滑程度和摩擦系數(shù)也會對預(yù)緊力產(chǎn)生影響，螺帽及工件結(jié)合面相互影響會使摩擦半徑發(fā)生改變，因此，很多扭矩鎖緊不會采用墊圈。為降低摩擦力，多采用二硫化鉬、石墨材料等制作成潤滑脂，多應(yīng)用于特殊鎖緊力要求工況下，要不然則會使預(yù)緊力變大，螺栓由于過度受力而產(chǎn)生斷裂。如果想采用較小預(yù)緊力達(dá)到理想的預(yù)緊效果，可采用潤滑脂減小連接件摩擦力。螺栓與緊固件間的摩擦力可以防止機(jī)械設(shè)備受到震動而松動，可應(yīng)用雙螺母或涂膠等方式，使鎖緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。螺栓表面進(jìn)行電鍍處理，也會對扭矩及摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響，接觸面、螺紋副間摩擦系數(shù)也會對扭矩值產(chǎn)生影響，在進(jìn)行螺紋連接以前需要對選用的螺栓材質(zhì)、熱處理情況進(jìn)行檢查與了解，核實(shí)是否存在裂紋、斷扣等問題，可以更好地保證螺栓與緊固件間的配合。

圖3 螺紋連接件之間存在摩擦力

（三）讀數(shù)影響

指針扭矩扳手會通過寬度、刻度間距比來獲取到實(shí)際的力矩值，準(zhǔn)確度會受到讀數(shù)影響，需要工作人員事先進(jìn)行估讀，這樣可以降低讀數(shù)誤差，而數(shù)顯扳手讀數(shù)誤差主要會受到數(shù)據(jù)波動影響。讀數(shù)誤差約占扳手示值誤差50%，而測量扭矩值變大會使讀數(shù)誤差有所降低，測量扭矩扳手下限部位易產(chǎn)生讀數(shù)誤差，需要由兩名工作人員進(jìn)行重復(fù)讀數(shù)，這樣可以提高讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

（四）扭矩扳手結(jié)構(gòu)影響

預(yù)置可調(diào)式扭矩扳手不可以脫離開主彈簧，這是準(zhǔn)確使用扭矩扳手的關(guān)鍵，彈簧材料應(yīng)變會對扭矩扳手準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，需要彈簧材料具備足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性、塑性和彈性，疲勞極限達(dá)到使用要求，經(jīng)過良好的熱處理以后方可用于扭矩扳手。使用完預(yù)置式扭矩扳手以后，需要把扳手扭矩調(diào)整到最小值，完全釋放掉彈簧力，可以延長彈簧的使用年限。在采用預(yù)置可調(diào)式扳手時，先將扳手進(jìn)行預(yù)扭，不可以拆卸掉螺母、螺栓，也不可以在扳手尾部加延長套管，避免對扭矩扳手造成損傷。要據(jù)使用要求合理調(diào)整扭矩，應(yīng)該平緩加載扭矩，不可以進(jìn)行猛壓或猛拉，防止過載操作使扭矩失去準(zhǔn)確性，達(dá)到預(yù)置扭矩以后及時停止用力。

（五）維護(hù)管理

扭矩扳手使用頻次比較高，為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度，需要進(jìn)行定期采用檢定儀進(jìn)行校準(zhǔn)，可以達(dá)到1%的準(zhǔn)確率。校準(zhǔn)多在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，不同于現(xiàn)場使用條件，應(yīng)該對校準(zhǔn)與維護(hù)進(jìn)行管理，避免受到不同場合的影響。在實(shí)際應(yīng)用前需要檢查扭矩扳手準(zhǔn)確性，結(jié)合使用頻次來確定維護(hù)頻率，每年不少于一次校準(zhǔn)。

四、扭矩扳手的正確使用方法

一些螺栓、螺母等緊固件對安裝扭矩有較高要求的場合，都會應(yīng)用到扭矩扳手，通過對施加扭矩的準(zhǔn)確控制可以提高螺紋的緊固性，也不會由于力矩過大導(dǎo)致螺紋受損，操作前設(shè)置好固定扭矩值，施加到預(yù)置的力矩后會通過振動或咔噠報(bào)警聲，需要停止繼續(xù)施加外力，不可以采用沖擊力，操作完成后將扳手中零件復(fù)位。工作人員需要將手握到手柄中間刻度線部位，要標(biāo)注的方向上施加力矩，施力角度應(yīng)該控制在±15°以下。嚴(yán)格根據(jù)緊固件強(qiáng)度及扭矩工藝要求選用合理量程的扭矩扳手，不可以超范圍使用。指針式扭矩扳手在使用以前，需要進(jìn)行檢查與調(diào)零，在無荷載情況下指針應(yīng)該歸零，如果指針不歸零應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整或更換。為達(dá)到準(zhǔn)確讀數(shù)的要求，操作扳手手柄時保證拉力與扳手成90°，平穩(wěn)地施加扭矩，不可以沖擊或施加過大的力矩，避免出現(xiàn)力矩誤差。使用完力矩扳手以后，需要將通過旋轉(zhuǎn)將指針歸于零位，為下次使用提從方便。采用預(yù)置可調(diào)式扳手對構(gòu)件進(jìn)行緊固，需要把扭矩值設(shè)定在使用區(qū)間的，同時，扭矩扳手也是一種計(jì)量工作，在使用過程中不可以丟擲、震動，避免由于使用不當(dāng)造成讀數(shù)不準(zhǔn)。

五、扭矩扳手的檢定

扭矩扳手作為計(jì)量器具，需要根據(jù)要求定期進(jìn)行檢定與校準(zhǔn)，檢驗(yàn)驗(yàn)測機(jī)構(gòu)對扭矩扳手進(jìn)行檢定合格以后，會給扳手貼上合格標(biāo)志。ISO 6789規(guī)定扭矩工具一年至少要校驗(yàn)一次，國家檢定規(guī)程JJG 707-2014適用于扭矩扳手、含扭矩螺絲刀、及其他結(jié)構(gòu)形式的帶有扭矩測量機(jī)構(gòu)的擰緊計(jì)量器具，國際通用標(biāo)準(zhǔn)ISO6789-2017規(guī)定了用于螺紋連接體控制擰緊的手動扭矩工具的要求，描述了其測試方法及標(biāo)記方法。工作人員在使用扭矩扳手時，應(yīng)該檢查合格標(biāo)識是否過期，查閱校準(zhǔn)證書中對轉(zhuǎn)接器與扭矩扳手配合使用要求，都給出那些警示信息，需要根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行規(guī)范操作。在進(jìn)行扭矩扳手檢定時，需要保證扳手旋轉(zhuǎn)面與水平面保持平行，將期放置于智能扭矩儀上，通過導(dǎo)軌托盤來對扳手高低進(jìn)行調(diào)整，保證旋轉(zhuǎn)面與水平面保持平行狀態(tài)，使安裝力矩?cái)?shù)值可以準(zhǔn)確無誤。如果擺放位置達(dá)到準(zhǔn)確要求，在對扳手施加作用力時，扳手自身尺寸及自重會對力矩分量產(chǎn)生影響，會使得檢定精度達(dá)不到要求，需要嚴(yán)格控制扳手放置位置，才能更好地保證扳手精度。施加作用力的方向應(yīng)該盡量保持與扳手保持垂直，如果超出允許偏差區(qū)域，扳手形成的力臂會低于實(shí)際力臂，扭矩值變小會對檢定精度造成影響。施加的力需要作用到扳手中間區(qū)域，也就是保持在加力線附近，如果位置靠前會與視準(zhǔn)器接近，嚴(yán)格情況下會損壞指示器，扭矩會低于實(shí)際值。如果位置太過于靠后，施加的力矩會超過實(shí)際值，力矩傳感器則會受損，對扭矩精度造成影響。為防止傳感器受力狀態(tài)不好引起誤差，需要使傳感器與扭矩扳手保留一定的間隙，對扳手施加作用力時，傳感器與扳手方頭無法保持相同軸心，而實(shí)際顯示數(shù)值為扳手示值扭矩、側(cè)向扭矩、四方孔和套頭摩控力矩和。所以，縮短扳頭及四方孔間隙，采用較小摩擦力轉(zhuǎn)接頭，可以使輸出扭矩值更為精準(zhǔn)。

六、結(jié)語

為了保證扭矩扳手準(zhǔn)確性，需要深入分析扭矩扳手原理與準(zhǔn)確性影響因素，保證按規(guī)范要求合用扭矩扳手，如何進(jìn)行準(zhǔn)確地檢定，從提高操作人員專業(yè)素養(yǎng)入手，更好地保證扭矩的穩(wěn)定，減少摩擦帶來的影響，可以進(jìn)一步降低誤差，提高扭矩扳手準(zhǔn)確性。