作者：沈家华（中国铁道科学研究院铁道建设研究所 北京 100081）
在钢结构上拧紧高强螺栓时，最重要的是保证所有高强螺栓连接副的拧紧轴力尽可能接近设计轴力（其他金属结构也有类似甚至更高的轴力）要求）。交通运输、建筑施工也是如此。是工程等行业工程技术人员一直追求的目标。过高的轴向力（即过紧）会导致螺栓断裂或在一段时间后继续断裂（即延迟断裂）；轴向力过低（即拧紧不足）会给结构的安全带来隐患。
1 我国第一代电动扳手
我国第一代电动扳手采用电机最大输出扭矩通过齿轮传动减速放大的扭矩作为电动扳手的最终输出扭矩，这意味着第一代电动扳手只能提供最大输出扭矩。 20世纪60年代和1970年代，由于当时我国高强度螺栓生产技术还比较落后，无法提供保证扭矩系数的同一批高强度螺栓连接副。因此，角部法只能用于拧紧高强度螺栓。由于当时第一代电动扳手的输出扭矩还不够大，无法满足拧紧高强度螺栓接头的要求，因此当时只能采用气动冲击扳手进行拧紧。这种拧紧方式的施工过程极其复杂，而且其拧紧的精度也很低。
2个第二代和第三代电动扳手
20世纪80年代，我国高强度螺栓连接副的生产技术有了很大提高。高强螺栓生产厂家可以提供有保证扭矩系数的连接副钢结构高强度螺栓厂家，这为采用扭矩法拧紧高强螺栓创造了必要的条件。但当时我国还没有定扭矩电动扳手。为适应九江长江大桥架设的需要，国家有关部门立项研制第二代定扭矩电动扳手。该项目与铁道部科学研究所、机械部上海电动工具研究所、铁道部桥梁局、山东电动工具厂（山东电动工具厂前身）四家单位合作完成山东中兴电动工具有限公司）。该成果荣获第一机械部科技成果奖三等奖。扭矩法是基于高强度螺栓连接副在拧紧过程中的如下关系：
M=KPd(1)
式中：M——拧紧扭矩；
P————螺栓连接副的拧紧轴向力；
d——螺栓连接副的公称直径；
K————螺栓连接副的扭矩系数，即拧紧过程中螺栓连接副的拧紧扭矩M与螺栓连接副的拧紧轴力P之间的相关系数。
由式（1）可知，采用扭矩法紧固必须满足两个条件：一是同批次高强螺栓连接副的扭矩系数相对一致；其次，要有一个可以控制扭矩的电动扳手。高强度螺栓连接副的扭矩系数由螺栓制造厂保证。我国高强度螺栓国家标准规定，应随机抽取同批次的8套高强度连接副进行扭矩系数检测，平均扭矩系数为0. 110～0. 150，标准偏差≤0 .010 0，测试结果必须符合上述规定值。由于高强度螺栓连接副的平均扭矩系数和所需螺栓连接副的设计轴向力已测出，因此只需根据公式计算出所需的拧紧扭矩，并用定扭矩电动扳手拧紧即可。采用该方法拧紧螺栓连接的精度取决于拧紧扭矩的精度和高强度螺栓连接扭矩系数的离散度。
第二代电动扳手的原理是通过控制电动扳手的输入电流强度来控制电动扳手的输出扭矩。结合当时我国高强度螺栓连接副的生产，可以供应所需的扭矩系数。在这种情况下，我国的高强度螺栓在施工之初可采用扭矩法。与以往的转角法施工相比，扭矩法施工大大简化了施工工艺，其拧紧精度也大大提高。但由于第二代电动扳手的扭矩精度为5%，其输出扭矩无法预设钢结构高强度螺栓厂家，使用前必须校准输出扭矩。另外，由于其可靠性较差，出于安全考虑，高强螺栓施工规范规定，高强螺栓连接副最终拧紧后必须校核最终拧紧扭矩，因此使用时过程仍然繁琐。第二代电动扳手。 。使用第二代电动扳手拧紧高强度螺栓连接副时，其扭矩精度和可靠性不够理想。另外，由于高强螺栓连接副扭矩系数的离散性，这种施工技术仍然不适用。不可避免地会出现一些高强螺栓连接副扭力过大或拧紧不足的情况，造成一些高强螺栓连接副断裂或轴向力不足。
第二代定扭矩电动扳手第一款型号1500，最大输出扭矩1500牛·米，满足了九江长江大桥施工过程中拧紧M27螺栓的需求。 20世纪90年代，为了满足芜湖长江大桥M30螺栓的拧紧要求，山东电动工具厂开发了最大输出扭矩2000牛·米的2000型定扭矩电动扳手和600型、1000型初步收紧。型电动扳手，系列化第二代定扭矩电动扳手。从20世纪80年代至今，第二代定扭矩电动扳手仍然是我国高强度螺栓连接的主要拧紧工具。
近年来，山东中兴电动工具有限公司与其他单位合作，共同开发第三代电动扳手。第三代电动扳手的主要特点是电动扳手配备扭矩传感器，输出扭矩稳定性好，精度高。可设定、显示和记录电动扳手在拧紧过程中的最终输出扭矩。这就省去了第二代电动扳手在使用前对输出扭矩进行繁琐的校准；另外，由于拧紧过程中可以及时记录并存储拧紧扭矩，因此可以省去高强螺栓连接副最终拧紧后的扭矩检查。此外，第三代电动扳手还配备了最终拧紧角度范围的控制装置。通过测量高强螺栓从初拧到最终拧紧的旋转角度，最终拧紧角度过大（由于扭矩系数太小而出现）。连接副过紧）、欠紧（扭矩系数过大导致欠紧）报警。通过这样的筛选，进一步减少了高强螺栓过紧和欠紧的现象，提高了高强螺栓的拧紧质量。
从以上情况来看，第三代电动扳手具有准确的扭矩，输出扭矩可设定、显示并记录和存储。在拧紧过程中，还可以消除扭矩系数过小或过大的高强度螺栓连接副，从而最大限度地提高高强度螺栓连接副的拧紧精度；此外，它还大大简化了施工过程。使用第三代电动扳手拧紧高强螺栓连接副，使我国高强螺栓施工技术向前迈进了一大步，达到了世界领先水平。在2014年11月的第三代电动扳手鉴定会上，其优异的性能受到了与会专家的一致好评。
3 第四代电动扳手
第三代电动扳手虽然具有精确输出扭矩的性能，但高强度螺栓连接副的拧紧轴向力还受到螺栓连接副离散扭矩系数的影响，因此第三代电动扳手无法真正精确控制螺栓连接副。达到紧固轴向力的目的。山东中兴电动工具有限公司在第三代电动扳手研制成功的基础上，近期联合其他单位联合开发了第四代电动扳手。这一代电动扳手不仅可以精确控制输出扭矩，还可以设定、显示和记录被拧紧的高强度螺栓连接副的拧紧轴向力。用户只需在开机前输入所拧紧连接副所需的拧紧轴向力，第四代电动扳手开机后将自动达到所需的拧紧轴向力（目前误差为5%）。这种电动扳手暂称为预紧力可控电动扳手。
第四代电动扳手的工作原理是在电动扳手上安装多个传感器。拧紧时，实时采集并计算传感器采集的数据，测量每组螺栓连接副在拧紧过程中的摩擦力（即螺栓连接副的扭矩）。系数等），根据测量的摩擦力实时调整控制参数，最终达到精确控制和显示螺栓连接副最终拧紧预紧力的目的。该技术已获得国家发明专利（专利号：ZL213918635063.7），并已试制样机。目前正在进行各种工作条件下的测试，以提高其性能。据我们所知，这是世界上最先进的电动扳手。
第四代电动扳手不仅可以控制拧紧连接副达到所需的拧紧轴向力，而且还可以满足将高强度螺栓连接副旋入机身的这种要求，而这在过去的拧紧中是很难实现的。另外，用第四代电动扳手拧紧的连接副可以多次重复使用。
4 结论
第四代电动扳手是目前世界上最先进的电动扳手。用于紧固高强度螺栓连接副。将使连接副的紧固轴向力更加准确，施工更加容易。这将使电动扳手和拧紧技术发生革命。如果这项技术推广到其他行业（例如空客380飞机制造要求严格控制机翼与机身各连接副的轴向力），也将带来螺栓连接技术的质的提升。
参考
[1]陈少凡，顾强。钢结构基础［M］．第二版。北京：中国建筑工业出版社，2011。
[2] 中华人民共和国铁道部. TB 10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S]。北京：中国铁道出版社，2005。
[3] 中华人民共和国铁道部. TBJ 214-92 铁路钢桥梁高强螺栓连接规定[S].北京：中国铁道出版社，1992。
[4]国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会。 GB/T 1231—2006 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件[S].北京：中国标准出版社，2006。
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部。 JGJ 82—2011 钢结构高强螺栓连接技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011。
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