介绍
作者：楼云1、曹路春2、赵伟2（1.浙江省交通工程管理中心，杭州310005；2.浙江交通职业技术学院公路水运钢结构桥梁应用教育部协同创新中心，杭州310015） ）
来源：《2021年工业建筑学术交流会论文集》2021年9月
摘要：针对传统高强度螺栓拧紧精度低、信息化水平低的现状，开发了智能定扭矩扳手及施工质量管理系统。通过对扭矩扳手的机械结构和测控系统进行升级，实现了施工扭矩和最终拧紧角度信息的实时上传。采用高强螺栓施工管理系统，完成高强螺栓施工过程的信息化，实现施工质量的可追溯。给出了扳手现场应用的具体路径和管理制度，为高强螺栓的施工和质量控制提供参考。
高强度螺栓连接是一种广泛应用于重型钢结构和轻型钢结构的钢结构连接方法。与焊接相比，高强螺栓施工更加方便，易于标准化施工[1]。钢桥运营期桥梁检查中，经常发现负责连接板的高强螺栓松动甚至缺失，严重影响桥梁结构和交通运营的安全。因此，高强螺栓连接质量逐渐成为螺栓钢桥梁施工管控的重点[2]。
我国钢桥梁高强螺栓施工中主要采用扭矩法，其缺点是扭矩控制精度较低，且无法记录拧紧过程中的扭矩和旋转角度信息[3]。随着信息技术的快速发展，高强螺栓施工信息数字化已成为趋势[4-5]。其实现的关键是开发一款高精度智能扭矩扳手，可以在施工过程中实时上传扭矩和旋转角度。以智能扭矩扳手研发为枢纽，实现现场施工上下游流程的全面升级。管理人员直接以工单二维码的形式分层调度任务。智能扭矩扳手直接记录最终螺栓拧紧扭矩、旋转角度、人员信息。上传至管理系统，为质量管理提供决策依据。
本文对传统高强度螺栓扭矩扳手进行数字化升级，设计了智能定扭矩扳手的机械结构和测控系统，并对设计的扳手进行了可靠性测试。根据现场施工特点，设计了高强螺栓施工信息管理系统，并给出了现场应用案例。
1 高强度螺栓智能定扭矩拧紧扳手的设计
1 智能定扭矩扳手机械结构设计
智能定扭矩扳手由套筒、反力臂、电机、减速器、数显控制部分和传感器组成。考虑到现场施工需要，套筒和反力臂采用轻质高强度铝钛合金制成，减轻扳手的重量，同时可以固定螺栓并提供反向力。该扳手采用串励电机作为拧紧动力源，结合三级行星齿轮减速器和测控系统，实现精确的扭矩输出。数显控制主要负责整机测控系统的运行。用于设置输出扭矩值、测量旋转角度等，与蓝牙模块结合完成信息的读取和输出。传感器粘贴在扳手的弹性轴上。电阻应变扭矩传感器用于监测和控制输出扭矩，霍尔传感器用于监测螺栓的旋转角度。
1. 2 智能定扭矩扳手测控系统设计
目前，钢桥梁高强螺栓的拧紧主要采用串激电机作为控制装置。当电机驱动的转轴加载时，线圈中的电流增加。通过标定电流大小和输出扭矩值，即可得到电流大小和输出。扭矩值之间的关系然后可以通过控制电流大小来间接控制输出扭矩值。电流大小受多种因素影响，传统扭矩扳手精度较差，无法直接测量输出扭矩[6]。本文放弃了现有的扭矩控制方法，采用添加扭矩传感器和角度传感器的方法来实现精确的扭矩控制和角度监测。
智能定扭矩扳手测控系统硬件由主控系统、信号采集模块、电机驱动、系统保护模块、人机交互界面、电机驱动、数据传输模块组成，如图2所示。系统主控制器采用STM32F103RET6芯片，负责整机的逻辑控制。信号采集模块采用霍尔元件采集电机转速信号，电阻应变式扭矩传感器采集电压差信号。利用蓝牙传输模块与手机APP进行通信，接收手机APP传输的施工信息并上传施工过程中产生的数据。电机驱动模块采用双向晶闸管，通过单片机改变电机的工作电压。系统保护模块包括过流保护模块和控制系统安全诊断模块。
1. 3 扭矩控制与信息采集
现场施工时，首先使用手机APP蓝牙和扭力扳手，通过手机APP扫描人员编码和作业调度单，首先确认施工人员和作业调度单是否匹配，如果匹配正确，则设置工单中的扳手钢结构高强螺栓终拧检测，如果扭矩不对应，则无法进入施工界面。手机APP根据扳手的特性设置扭矩上限值，实现过载保护。扳手速度分为高速和低速两种模式，不仅可以提高施工效率，还可以提高施工进度。设置控制值1为高速模式转低速模式。临界值。主控系统判断采集到的传感器信号是否满足控制2的要求，如果满足，则系统向电机发出停止命令，如图3所示。当系统判断数据满足要求时，将向电机发出停止指令。将信号转换成扭矩值保存在TF卡中，并通过蓝牙通讯模块将数据传输到手机APP。在进行扭矩控制和监控的同时，系统仍然会进行角度检测。如果系统控制过程中角度值超过设定角度值，系统会自动发出报警，现场施工人员必须联系技术人员处理后才能继续施工。
1. 4 扳手性能测试
作为一种新设备，在正式投入使用之前，必须对其控制精度和稳定性进行分析钢结构高强螺栓终拧检测，以确保其能够高质量地完成实际项目中的拧紧任务。为了验证扭矩扳手的输出精度，搭建了测试平台。测试平台主要由智能固定扭矩扳手、扭矩测试仪、手机APP三部分组成。扳手通过蓝牙与移动应用程序关联。手机APP扫描工单和二维码设置扳手的输出扭矩，扭矩测试仪监测扳手的实际输出扭矩。
根据钢桥实际应用场景，设置了15组紧固力矩1 380 N·m和1 420 N·m的紧固试验任务。扳手测试时输出扭矩的实测数据如表1所示。当设定扭矩为1380 N·m时，平均输出扭矩为1383.74 N·m，标准偏差为5.3 N·m，最大输出扭矩为1380 N·m。输出扭矩为1 392. 28 N·m，控制误差为1. 22%，最小输出扭矩为1 374. 34 N·m，控制误差为0. 41%。当设定扭矩为 1 420 N·m 时，平均输出扭矩为 1 422. 48 N·m，标准差为 5. 86 N·m，最大输出扭矩为 1 437. 04 N·m，控制误差为1 . 2%，最小输出扭矩为1 413. 04 N·m，控制误差为0. 49%。对以上数据分析表明，扳手的控制精度可以控制在2%以内。当螺栓垫片安装、螺钉夹紧等操作规范正确时，可以有效避免螺栓过紧和过紧。
扭矩扳手上传数据的完整性直接决定了采集到的数据能否与现场螺栓进行匹配，因此需要验证数据传输的完整性和正确性。采集到的数据首先存储在扳手的TF卡中，当信号良好时上传到服务器。 TF卡中的数据可以通过USB接口传输到电脑，也可以通过手机App直接传输到服务器。服务器端的质量记录表如图4所示，与拧紧数据完全一致。
2 高强度螺栓拧紧信息系统研发
2.1 系统设计思路
根据全面质量管理理论，人、机器、材料、方法、环境是影响产品质量的五要素。系统设计时主要考虑四个方面：人员管理、设备管理、物料管理、现场安装管理方法。
2.1.1 人员管理
螺栓施工过程中，涉及到现场技术人员、施工人员、实验室人员、仓库管理人员，系统中根据不同人员的身份设置了不同的申请权限。同时，将人员信息等信息编码到系统中，将人员与具体的拧紧任务联系起来，使拧紧质量的责任落实到人。
2.1.2 设备管理
系统对扳手的发货和接收进行严格管理，确保扳手在使用过程中不会出现人为损坏的情况。同时，扳手的控制方式由手动变为在线控制，减少了人为失误的可能性。同时，该设备的精度也比以前的工具有所提高。
2.1.3 物料管理
高强螺栓施工过程中的主要材料是高强螺栓。高强度螺栓应存放在干燥的环境中。系统优化螺栓进出流程，实现精细化管理，控制高强螺栓损耗率。
2.1.4现场打螺丝方式的管理
基于智能定扭矩扳手及管理系统，升级现场管理流程，构建新的拧紧流程。通过精细划分拧紧区域，制定相关施工方案，将扳手采集的信息与高强度螺栓和拧紧人员进行匹配。通过采集的扳手拧紧信息，可以实时监控现场拧紧进度和拧紧质量。
2. 2 系统基本架构
系统分为信息采集层、数据传输层、数据处理层、应用层等，如图5所示。信息采集层利用蓝牙、传感器等技术采集作业过程中的数据并进行数据预处理。数据传输层通过蓝牙、移动网络等方式将数据传输到数据处理层，数据处理层对服务器中的数据进行进一步处理和优化。系统应用层提供基础信息管理、施工计划管理、质量管理、库存管理、实验室管理等功能。
2.3 系统具体功能
螺栓管理系统有基础信息、施工计划、质量管理、库存管理、实验室管理五个功能应用，如图6所示。基础信息管理系统根据身份、权限等信息生成员工个人二维码实验室人员、现场技术人员和现场操作员。扫描二维码已成为拧紧作业的前提，为追溯拧紧信息与责任人员的关系提供了依据[7]。同时，系统会根据人员的身份设置具体的应用权限。根据施工方案，对现场施工区域进行划分和编号，实现构件的唯一且易于查找的命名，为工单的制作奠定基础。构件的编号应符合施工单位通用的命名规则，以方便工人找到具体的施工位置。施工计划还包括具体的打螺丝时间、进行打螺丝的人员等信息。螺栓管理包括入库管理、出库管理、报废管理三部分。高强度螺栓必须通过工单获得。当螺栓库存不足时，系统会自动发出警报。质量管理包括质量记录和施工质量分析功能，可以分析区域螺栓的整体拧紧质量和个别拧紧质量。实验室管理主要用于记录高强度螺栓的扭矩系数，记录拧紧扳手的校准状态，以供质检人员检查。
3 现场应用
3.1 施工前准备
根据施工方案，对现场施工区域进行划分和编号，如图7所示，实现构件的唯一且易于查找的命名，为工单的制作奠定基础。构件的编号应符合施工单位通用的命名规则，以方便工人找到具体的施工位置。
3.2 施工方案
根据划分的螺栓面积、螺栓拧紧时间、螺栓规格制定施工方案。每天，管理人员只需一键生成工单，系统即可自动为迄今为止所有未完成的计划生成工单，如图8所示。作业调度指令整合了拧紧区域信息、拧紧人员信息、螺栓数量、拧紧扳手等信息，实现人、机、料、法的全面管控。同时，系统还具有施工进度显示功能，管理人员可以实时掌控现场施工进度，合理安排施工人员数量。
3.3 施工质量分析与控制
为了方便管理者更好的把控现场施工质量，系统设置了区域螺栓质量统计、断面螺栓质量统计、工人完工数量统计。管理人员可以从系统中看到各区域、各断面的螺栓质量统计数据。同时，他们可以看到每个工人的施工水平，并对不达标的工人进行施工培训。
通过施工质量记录表，可以定位问题螺栓。如图9所示，左22号直腹杆外翼缘板上的第二个螺栓在最终拧紧时旋转角度为49.6°，表明正在拧紧。过程中可能会出现问题，可能是螺丝卡得不牢或者接触面潮湿造成的。您应该联系工人更换螺栓。
4 结论
1）本文开发了一款智能定扭矩扳手，可以实时采集并上传扭矩和角度信息。同时，拧紧精度可达1%，可有效提高现场施工质量。
2）根据现场施工特点，建立了高强螺栓施工质量管理体系。系统具有基础信息管理、施工计划管理、质量管理、库存管理、实验室管理等功能，实现对施工现场和打螺丝质量的高效管理。可追溯性。
3）本文在现场应用扳手及管理系统，可有效识别现场拧紧不合格的螺栓，取得良好的工程效果。
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参考：
[1] 李超华，严月梅，苏贤祥。钢结构高强螺栓连接形式有关问题的探讨[J].钢结构，2008，23（12）：16-18。
[2]陈道南，盛汉忠，潘仁虎。钢结构高强螺栓延迟断裂分析[J].起重运输机械，1988（2）：2-6。
[3] 赵欣欣，潘永杰，刘晓光。铁路桥梁高强螺栓拧紧力矩智能控制系统[J].铁路计算机应用, 2018, 27(7): 105-108.
[4] 宁凯，李海瑞，刘英。高强螺栓施工质量控制二维码技术研究与应用[J].公路，2018，63(5)：125-128。
[5]李朝志.钢桁架高强螺栓拧紧工程BIM精细化管理研究[J].工程管理学报，2019，33(3)：138-142。
[6]张振静.高强度螺栓电动定扭矩拧紧扳手测控系统设计[D].济南：山东大学，2018。
[7] 潘永杰.高强螺栓全生命周期管理施工管理系统[J].铁道建设，2020，60（4）：115-119。
