一、引言

高強(qiáng)度螺栓連接因具備受力性能好、耐疲勞、承載能力強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于橋梁工程、重型機(jī)械、風(fēng)電塔筒、鋼結(jié)構(gòu)建筑、軌道交通車輛等對(duì)連接可靠性要求較高的領(lǐng)域。在這類工程結(jié)構(gòu)中，螺栓預(yù)緊力的精度直接決定了連接節(jié)點(diǎn)的抗滑移性能、抗疲勞性能和整體結(jié)構(gòu)的安全性，若預(yù)緊力偏差過大，輕則引發(fā)節(jié)點(diǎn)變形、連接松動(dòng)，重則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效引發(fā)重大安全事故。

傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓裝配多采用定力矩扳手、扭矩法人工手動(dòng)擰緊，依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取擰緊過程中的螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，也難以對(duì)預(yù)緊力精度進(jìn)行過程管控；有線傳輸?shù)牧匕馐謩t存在布線繁瑣、作業(yè)范圍受限、線纜易磨損等問題，不適用于大型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)。帶角度反饋信號(hào)的無(wú)線力矩扳手融合了扭矩傳感、角度編碼、無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在擰緊過程中實(shí)時(shí)采集扭矩與角度數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線通信傳輸至終端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與存儲(chǔ)，為高強(qiáng)度螺栓裝配過程提供了精準(zhǔn)管控的技術(shù)手段，也為工程質(zhì)量追溯提供了完整的數(shù)據(jù)支撐，近年來(lái)在裝配領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

二、帶角度反饋的無(wú)線力矩扳手技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)組成

2.1 核心技術(shù)原理

帶角度反饋信號(hào)的無(wú)線力矩扳手以扭矩-轉(zhuǎn)角法為核心控制原理，區(qū)別于傳統(tǒng)單純控制扭矩的裝配方法，該方法既控制螺栓初始扭矩，又控制初始扭矩到位后的螺栓轉(zhuǎn)角，能夠更準(zhǔn)確地控制螺栓預(yù)緊力，大幅降低摩擦系數(shù)波動(dòng)對(duì)預(yù)緊力精度的影響。其基本邏輯為：當(dāng)螺栓擰緊至設(shè)定的初始扭矩后，從該位置開始計(jì)量螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到預(yù)設(shè)的角度閾值后，立即停止擰緊，以此保證螺栓進(jìn)入彈性變形區(qū)并獲得符合設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力。

角度反饋功能通過在扳手輸出端集成角度傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器將螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后通過無(wú)線模塊傳輸至控制終端；扭矩傳感器則實(shí)時(shí)采集擰緊過程中的扭矩值，與角度數(shù)據(jù)同步采集、同步傳輸，最終實(shí)現(xiàn)擰緊過程全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 整體結(jié)構(gòu)組成

帶角度反饋信號(hào)的無(wú)線力矩扳手主要由扭矩傳感單元、角度檢測(cè)單元、信號(hào)處理單元、無(wú)線傳輸單元、供電單元和手持操作終端六個(gè)部分組成，各單元功能如下：

扭矩傳感單元：一般采用應(yīng)變式扭矩傳感器集成在扳手的輸出軸上，實(shí)時(shí)感應(yīng)擰緊過程中輸出軸的扭矩變形，輸出與扭矩值線性對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，測(cè)量精度一般可達(dá)到±1%FS，滿足高強(qiáng)度螺栓裝配的精度要求。

角度檢測(cè)單元：多采用光電編碼式角度傳感器或磁敏角度傳感器，與輸出軸同軸安裝，能夠?qū)崟r(shí)輸出螺栓的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，分辨率可達(dá)到0.1°，滿足轉(zhuǎn)角法裝配的精度要求，部分產(chǎn)品還支持零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)功能，適應(yīng)不同工位的作業(yè)需求。

信號(hào)處理單元：對(duì)扭矩和角度傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校準(zhǔn)和濾波處理，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

無(wú)線傳輸單元：一般采用藍(lán)牙5.0或低功耗Wi-Fi模塊，將處理完成的扭矩、角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至手持終端或云端服務(wù)器，傳輸距離可滿足100米范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，低功耗設(shè)計(jì)能夠保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)。

供電單元：采用可充電鋰電池供電，容量一般在2000mAh以上，滿電狀態(tài)可支持連續(xù)作業(yè)8小時(shí)以上，支持快充功能，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不間斷作業(yè)的需求。

手持操作終端：一般為配套的工業(yè)級(jí)PDA或智能手機(jī)APP，負(fù)責(zé)接收無(wú)線傳輸?shù)呐ぞ?、角度?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示擰緊過程曲線，對(duì)不符合要求的擰緊操作進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)存儲(chǔ)每一顆螺栓的擰緊數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出和質(zhì)量追溯。

三、高強(qiáng)度螺栓裝配的質(zhì)量要求與傳統(tǒng)裝配方法存在的問題

3.1 高強(qiáng)度螺栓裝配的核心質(zhì)量要求

高強(qiáng)度螺栓連接的核心性能指標(biāo)是預(yù)緊力精度，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》GB 50205-2020的要求，高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副終擰完成后，扭矩檢查的偏差應(yīng)控制在設(shè)計(jì)預(yù)緊力對(duì)應(yīng)扭矩值的±10%范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)角法施工時(shí)，螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)角度的偏差應(yīng)不大于設(shè)計(jì)角度的±5°。預(yù)緊力過大容易導(dǎo)致螺栓發(fā)生塑性變形甚至斷裂，預(yù)緊力不足則會(huì)引發(fā)連接節(jié)點(diǎn)滑移，在交變荷載作用下容易發(fā)生疲勞斷裂，因此精準(zhǔn)控制扭矩和轉(zhuǎn)角是保證高強(qiáng)度螺栓裝配質(zhì)量的核心要求。

此外，大型工程結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量動(dòng)輒數(shù)千甚至上萬(wàn)顆，裝配過程需要對(duì)每一顆螺栓的擰緊質(zhì)量進(jìn)行可追溯管理，傳統(tǒng)人工記錄方式容易出現(xiàn)錯(cuò)記、漏記，無(wú)法滿足質(zhì)量追溯的要求，這也是當(dāng)前高強(qiáng)度螺栓裝配領(lǐng)域亟待解決的問題。

3.2 傳統(tǒng)裝配方法存在的主要問題

傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓裝配常用的方法包括定扭矩法人工擰緊、預(yù)置式定扭矩扳手?jǐn)Q緊，存在以下幾個(gè)方面的不足：

預(yù)緊力精度受摩擦系數(shù)影響大：定扭矩法的預(yù)緊力計(jì)算公式為T=KdP，其中K為扭矩系數(shù)，與螺栓和接觸面的摩擦系數(shù)直接相關(guān)，當(dāng)摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，即使擰緊扭矩符合要求，預(yù)緊力也會(huì)出現(xiàn)較大偏差，根據(jù)工程統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)定扭矩法裝配的預(yù)緊力偏差最高可達(dá)到±25%以上，無(wú)法滿足裝備和重要工程的精度要求。

無(wú)角度數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角法管控：傳統(tǒng)扳手無(wú)法實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)動(dòng)角度，采用轉(zhuǎn)角法施工時(shí)只能依靠人工標(biāo)記位置后估算轉(zhuǎn)動(dòng)角度，角度偏差大，無(wú)法保證預(yù)緊力精度，也無(wú)法識(shí)別擰斷、過擰、欠擰等異常工況。

有線傳輸限制作業(yè)范圍：部分帶數(shù)據(jù)采集功能的傳統(tǒng)力矩扳手采用有線傳輸，作業(yè)時(shí)需要拖拽線纜，在大型鋼結(jié)構(gòu)、風(fēng)電塔筒等高空作業(yè)場(chǎng)景中，線纜容易被結(jié)構(gòu)剮蹭磨損，也限制了操作人員的作業(yè)范圍，降低了裝配效率。

質(zhì)量追溯體系不完整：傳統(tǒng)裝配依賴人工記錄擰緊數(shù)據(jù)，不僅效率低下，還容易出現(xiàn)錯(cuò)記、漏記，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)無(wú)法快速追溯問題螺栓的位置和擰緊參數(shù)，增加了質(zhì)量排查和整改的難度。

四、帶角度反饋無(wú)線力矩扳手的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 顯著提升預(yù)緊力精度

帶角度反饋的無(wú)線力矩扳手支持扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配，能夠同時(shí)控制初始扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，有效降低了摩擦系數(shù)波動(dòng)對(duì)預(yù)緊力的影響。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配后，高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的離散度可從傳統(tǒng)定扭矩法的20%左右降低至8%以內(nèi)，預(yù)緊力合格率從85%左右提升至98%以上，顯著提升了連接節(jié)點(diǎn)的可靠性。此外，角度傳感器分辨率可達(dá)0.1°，能夠精準(zhǔn)識(shí)別螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)“咬死”“打滑”等異常工況，避免不合格螺栓流入下道工序。

4.2 無(wú)線傳輸適應(yīng)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

采用低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)，擺脫了有線線纜的束縛，操作人員可以在更大范圍內(nèi)自由移動(dòng)作業(yè)，適應(yīng)高空作業(yè)、大型結(jié)構(gòu)裝配等復(fù)雜場(chǎng)景，同時(shí)減少了線纜磨損帶來(lái)的故障風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備可靠性更高。當(dāng)前主流產(chǎn)品的無(wú)線傳輸穩(wěn)定性已經(jīng)能夠滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下的作業(yè)需求，數(shù)據(jù)丟包率低于0.1%，不會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的完整性。

4.3 實(shí)現(xiàn)擰緊過程全數(shù)據(jù)管控與質(zhì)量追溯

帶角度反饋的無(wú)線力矩扳手能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)每一顆螺栓的扭矩-角度曲線，所有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在終端或云端，不需要人工記錄，既提高了作業(yè)效率，又避免了人工記錄的誤差。當(dāng)工程出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，可以通過螺栓編號(hào)快速調(diào)取該螺栓的完整擰緊數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)定位問題原因，實(shí)現(xiàn)全流程質(zhì)量追溯，滿足工程質(zhì)量管理的要求。此外，終端系統(tǒng)可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)欠擰、過擰螺栓的位置和數(shù)量，方便施工單位快速完成整改，提升了施工管理效率。

4.4 降低對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴

設(shè)備自帶聲光提醒功能，當(dāng)擰緊參數(shù)達(dá)到設(shè)定要求后會(huì)自動(dòng)發(fā)出提醒，操作人員只需要按照提示完成操作即可，不需要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷擰緊程度，降低了對(duì)操作人員技能水平的要求，也減少了人為失誤帶來(lái)的質(zhì)量問題。

五、典型工程領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

5.1 風(fēng)電塔筒高強(qiáng)度螺栓裝配

風(fēng)電塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心支撐結(jié)構(gòu)，塔筒節(jié)段之間通過數(shù)百顆高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓長(zhǎng)期承受交變風(fēng)荷載的作用，對(duì)預(yù)緊力精度要求較高，一旦發(fā)生螺栓松動(dòng)斷裂，會(huì)引發(fā)重大安全事故。帶角度反饋的無(wú)線力矩扳手能夠滿足風(fēng)電塔筒高空裝配的作業(yè)需求，操作人員不需要拖拽線纜，可靈活完成各個(gè)位置螺栓的擰緊作業(yè)，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄每一顆螺栓的扭矩和角度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全生命周期質(zhì)量追溯。某風(fēng)電項(xiàng)目應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，采用帶角度反饋無(wú)線力矩扳手裝配后，螺栓預(yù)緊力一次合格率從傳統(tǒng)方法的82%提升至97%，裝配效率提升了15%，質(zhì)量追溯時(shí)間從原來(lái)的數(shù)小時(shí)縮短至數(shù)分鐘。

5.2 大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)裝配

大跨度鋼橋梁的主桁、節(jié)點(diǎn)連接大量采用高強(qiáng)度螺栓連接，單座橋梁的高強(qiáng)度螺栓用量可達(dá)十萬(wàn)顆以上，對(duì)裝配質(zhì)量和可追溯性要求較高。帶角度反饋無(wú)線力矩扳手能夠適配橋梁現(xiàn)場(chǎng)裝配的分散作業(yè)需求，多個(gè)操作人員同時(shí)作業(yè)時(shí)，數(shù)據(jù)可統(tǒng)一上傳至項(xiàng)目管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)所有螺栓裝配數(shù)據(jù)的集中管理，質(zhì)量管理人員可以通過平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配進(jìn)度和質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格的擰緊操作，大幅提升了橋梁裝配的質(zhì)量管理水平。

5.3 重型工程機(jī)械底盤裝配

重型工程機(jī)械的底盤行走機(jī)構(gòu)需要承受巨大的動(dòng)荷載，連接螺栓的預(yù)緊力精度直接影響設(shè)備的使用壽命和作業(yè)安全性。在批量裝配過程中，帶角度反饋無(wú)線力矩扳手可以實(shí)現(xiàn)每一顆螺栓擰緊參數(shù)的自動(dòng)化記錄，配合工廠的MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝配數(shù)據(jù)與產(chǎn)品編號(hào)綁定，方便售后服務(wù)階段的質(zhì)量追溯，同時(shí)能夠有效避免漏擰、錯(cuò)擰問題，提升了批量裝配的一致性。

5.4 軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架裝配

軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架的核心連接螺栓長(zhǎng)期承受交變荷載，對(duì)預(yù)緊力精度和可靠性要求較高，采用扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配是行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。帶角度反饋無(wú)線力矩扳手能夠精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)角參數(shù)，實(shí)時(shí)采集扭矩-角度曲線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓材質(zhì)、加工精度帶來(lái)的異常問題，保證轉(zhuǎn)向架連接的可靠性，滿足軌道交通的高安全要求。

六、應(yīng)用過程中的注意事項(xiàng)

6.1 設(shè)備校準(zhǔn)與維護(hù)

帶角度反饋無(wú)線力矩扳手的扭矩和角度精度需要定期校準(zhǔn)，一般要求每使用10000次或半年進(jìn)行一次校準(zhǔn)，校準(zhǔn)合格后方可繼續(xù)使用，避免傳感器漂移帶來(lái)的精度偏差。此外，在潮濕、多塵的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境中，需要做好設(shè)備的防護(hù)，避免水和粉塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部，影響設(shè)備的使用壽命和精度。

6.2 工藝參數(shù)設(shè)定

應(yīng)用前需要根據(jù)螺栓的規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)、設(shè)計(jì)要求，正確設(shè)定初始扭矩、終擰角度、報(bào)警閾值等工藝參數(shù)，參數(shù)設(shè)定完成后需要進(jìn)行工藝驗(yàn)證，抽取一定數(shù)量的螺栓進(jìn)行預(yù)緊力測(cè)試，確認(rèn)參數(shù)設(shè)定符合要求后方可批量作業(yè)。

6.3 數(shù)據(jù)管理

所有裝配數(shù)據(jù)需要按照工程要求進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，存儲(chǔ)周期應(yīng)不低于工程設(shè)計(jì)的使用壽命要求，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，方便后續(xù)調(diào)取和追溯。對(duì)于大型工程，建議采用云端存儲(chǔ)方式，避免終端設(shè)備損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

七、結(jié)語(yǔ)

帶角度反饋信號(hào)的無(wú)線力矩扳手融合了傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，解決了傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓裝配方法精度低、管控難、無(wú)法追溯的問題，能夠顯著提升高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性，滿足工程和裝備對(duì)裝配質(zhì)量的要求。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)和大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度螺栓裝配質(zhì)量的要求會(huì)越來(lái)越高，帶角度反饋的無(wú)線力矩扳手憑借其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在更多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)高強(qiáng)度螺栓裝配工藝向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。