数显扭矩扳手的研究综述

目前国内很多行业大多还是使用机械式的扭矩扳手，随着我国相关行业的不断发展，机械式的扭矩扳手已不能满足要求。国内许多研究机构和企业都曾研究过数显扭矩扳手，其结构是在扳手的头部安上扭矩传感器［1－3］。国外数显扳手的应用已十分普遍，但国外数显扳手的价格依然比较昂贵。数显扭矩扳手是智能仪器的一种，它采用智能技术，从传统的机械设计转向数学电路和程序设计。仪器智能化的发展主要体现在对传统仪器的改进和新型仪器的出现［4］。

数显扭矩扳手广泛应用于造船、治金、化工、桥梁、机械等行业［5］，特别是在一些高压管道、压力容器和法兰的螺栓联接中，为了增强可靠性和紧密性，绝大多数螺纹在联接时都要施加预紧力。国外一些重要的设备上都随机配备了可显示的扭矩扳手，从而精确控制预紧力，保证设备长期可靠的工作。因而了解国内外数显扳手的研究应用情况，对进一步研究适应我国市场和要求的数显扳手具有重要的意义。

1 数显扭矩扳手的发展情况

最早的扭矩扳手还是机械式的，随着微处理器、伺服控制技术和显示技术的发展，以及越来越多的对扭矩精密要求的场合的出现和市场利益的驱动，数显扭矩扳手不断发展。随着科学技术的不断发展，智能化、数字化信息时代的促进，数显扭矩扳手一定会最终占领扭矩扳手的大部分市场，具有广阔的市场前景。

目前，国家对铁路、水利、水电、桥梁等基础设施投资力度很大，在其施工、维修和改造过程中，大扭矩紧固件的拆装作业必不可少同时又十分艰巨;同样，一些大型的机械设备如锅炉等的年度检修中，也会遇到类似的情况。而螺纹连接质量将会直接影响工程质量与设备的正常运行。目前国内所用的大扭矩数显扳手主要是从国外进口的5 000和10 000 N·m以上的扭矩的扳手，主要是以液压为主。因而研究大扭矩的数显扭矩扳手具有非常重要的意义。

下面就数显扭矩扳手的研究现状作一综述。

1.1 国外数显扭力扳手发展情况

随着集成电路的出现与发展，国外一些老牌的机械电子工具生产厂商对传统的机械扳手作了很大的改进。在机械扳手原有的基础上采用微处理器编程技术，使得其扭矩可以测量并显示。经过短短几年的发展与完善，数显扭力扳手已经拥有一系列优点，如精确度高、使用携带方便、低功耗、测量范围广泛等等。

到目前为止，绝大多数生产厂家都采用应变体作为其测量力矩的核心元件，使用LCD作为显示平台，在硬件配备方面几乎相差无几，但是在软件编写和测量范围以及精度方面有较大差异。典型生产厂家如法国FACOM、美国CDI和NovaTork、德国GEDORE等公司，基本上所有产品都有峰值保持、记录功能以及声光报警等，扭矩范围都比较齐全，特别是大扭矩的数显扳手具有独特的优势。

1.2 国内数显扭矩扳手的发展情况

国产数显扭矩扳手厂家主要以中航工业东方仪器厂为代表，还有一些像陕西恒瑞测控系统有限公司、北京纽利德股份有限公司、桂林迪吉特电子有限公司等也具有设计和生产的能力。对于大扭矩的扳手，目前使用德阳东气集团生产的液压扭矩扳手比较多一些。

由中航工业东方仪器厂生产的SNB数显扭矩扳手代表了国内生产厂家的设计生产水平。SNB数显扭矩扳手采用微处理器数字化处理技术，核心是应变计传感器。

陕西恒瑞测控系统有限公司专业生产各类扭矩工具，包括SNB系列数显扭矩扳手、NZ系列扭矩倍增器、ZNB系列指针式扭矩扳手、NQ系列扭矩起子、TZ系列铁路专用扳手、液压扭矩扳手等等。

北京纽利德股份有限公司研制生产了YJN系列高精度数显定扭矩扳子，该扭矩扳子一次仪表采用高性能的传感器，加上二次仪表多段线性拟合功能，大大提高了扭矩扳子的准确度级别。

桂林迪吉特电子有限公司生产的850系列数显扭矩扳手采用先进的编程技术，性能稳定、示值准确、寿命长、使用方便。

2 数显扭矩扳手的关键技术研究情况

数显扭矩扳手的关键技术主要包括传感器技术、控制技术和动力传动技术3个方面的内容。针对小型的数显扭矩扳手，这几个方面的技术已经在一定程度上得到解决，国内数家生产企业对此进行了研发，目前已经在一定程度上实现了市场化。而大扭矩数显扳手，目前国内只有为数不多的企业可以生产。

2.1 数显扭矩扳手存在的问题

数显扭矩扳手分为液压扳手、气动扳手、电动扳手。液压扭矩扳手以液压油为工作介质，通过液压马达驱动工作机构工作;气动扳手以压缩空气为工作介质，通过气动马达驱动工作机构工作;电动扳手直接使用直流电机或交流电机驱动工作机构。

2.1.1 普通数显扭矩扳手存在的问题

普通数显扭矩扳手存在的问题: (1)液压扳手由于附带一套液压装置，投资成本高，传递的扭矩一般与扳手的尺寸成正比关系，使用不方便并且易造成污染而在装配生产中使用不多。(2)气动扳手由于尺寸小，质量轻，单位质量输出功率大，对环境污染小，可以实现大的扭矩输出，可以用于大量高速重载和高精度的产品和设备［6－7］上。在控制方面:一种是直接控制，就是直接测量扭矩，控制气动发动机的进气，测量作用到螺纹紧固件上的扭矩，并与所需要的扭矩进行比较，当达到要求时，关闭气动发动机，但这种控制方式需要庞大的测量和电控装置;一种是利用气动扳手的特性控制扭矩，这种方式由于反弹力受工作介质影响较大，波动较大，扭矩控制精度不高［8－9］。(3)电动扳手由于无污染、可以与微型计算机相连实现螺纹紧固件拧紧过程的实时监控，可精确控制作用到紧固件上的扭矩，但电动扳手持续性工作能力差、输出扭矩小、成本高而一般应用在要求清洁环境、需要精确控制扭矩、作用扭矩小的场合。对于汽车、船舶、机车等行业，由于产品中螺纹紧固件多、所需的扭矩较大，需要能长时间地持续工作、大扭矩的扳手。

2.1.2 大扭矩数显扳手存在的问题

大扭矩数显扭矩扳手主要动力源是液压和气压。大扭矩液压数显扳手存在的问题有漏油、成本高和精度低。目前上万牛米扭矩的大扭矩扳手主要是液压的，液压数显扭矩扳手由于工作压力高达几十兆帕，除了需要有增压设备外，还需要有较好的密封设备，所以目前使用中的大扭矩数显扳手基本都存在漏油现象。一台上万牛米的液压数显扭矩扳手的价格高达十万元左右，高昂的价格也是我国发展大扭矩数显扳手需要解决的一个问题。目前市场上以机械式液压扭矩表为主，同时也有一些进口产品上配有数字式扭矩表。不管是数字式扭矩表还是机械式扭矩表，它们都可以近似地显示扭矩大小。液压扭矩表由于扳手本身存有的固有缺陷，即液压表在本质上只能反映出供油压力的大小，并非实际的扭矩值，因而无法实现更高精度扭矩控制。

大扭矩数显扳手研制内容还包括:气动马达由高转速向低速大扭矩传动时的低速增矩系统的研制以及非接触电磁传感器的研究。还存在着体积较大、质量大使用不方便、扭矩控制精度不高、扭矩调节困难等问题。

2.1.3 扭矩传感器的研究情况

在扭矩传感器方面，许多国内外专家进行了研究。余以道等［10］研制出了一种高速光电反射式转矩转速传感器，可用于速度大于105r/min的超高速回转机械上。周云山等［11］等研究了一种结构简单、测量精度高的光电式扭矩传感器，特别适合于高精度伺服系统的在线测量。文献 ［12］提出了一种新型的非接触式扭矩传感器，它使用特定用途集成电路，通过半桥装置，将微小的线性电容转化为线性电压，该传感器可以精确测量旋转角度非常小的旋转机械的扭矩。文献 ［13］提出了新型的传感器，可用于恶劣环境下，如潮湿或高温环境下旋转机械转矩的测量。

目前气动数显扭矩扳手可以实现大扭矩，由于工作范围超过了360°，所以一般的有线传感器都容易缠绕在工作轴上，目前用滑环来解决这个问题也存在着一定的误差和信号损失。所以发展方向是研究非接触式的传感器来解决信号取样的问题。

3 发展趋势展望

未来的数显扭矩扳手应主要从以下几个方面发展:

3.1 小型化

目前国外的扭矩扳手向小型化方向发展，由于可以适应恶劣的工作条件，可以灵活地在狭窄空间中使用，所以在许多领域得到广泛的应用，尤其是高扭矩场合。我国的数显扭矩扳手也必将向小型化方向发展。

3.2 智能化、网络化

随着计算机技术、传感器技术和通信技术的发展，数显扭矩扳手必然向着智能化、网络化的方向发展。

3.3 高精度和低能耗

随着市场和客户要求的不断提高，不断提高精度、稳定性和降低功耗等将是末来数显扭矩扳手的发展方向。

国内数显扳手的设计生产技术已趋于完善，目前主要是朝标准化、系列化、规模化方向发展，只有一定规模才能有高可靠性和价格低廉而富有竞争力的产品。但国内的工具企业存在着过渡竞争，众多的国内厂商和品牌主业不突出，核心竞争力差。相信在未来几年里国内的五金工具设计和生产将会有很大的进步。