液压扳手浅析 - 文章

液压扳手浅析

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摘要：在对液压扳手的主要性能进行介绍的前提下，对液压扳手的优化方法，基础条件及实验方法的进行了探讨, 阐述了材料热处理，有限元计算，基础条件及实验方法在液压扳手的研发的作用。
关键词：液压扳手，有限元，热处理，实验

0 引言

液压扳手的使用范围十分广泛。在船舶工程，石油化工，建筑，电力，矿山，冶金等行业的施工，检修，抢修等工作中，液压扳手对于大规格的螺栓的安装与拆卸都是一种十分重要的工具。具有其它工具的不可替代性。不仅使用方便轻巧，而且所提供的扭矩巨大且十分准确。扭矩重复精度达到±3%左右。参见图1。据有关统计，在设备运行故障中有50%左右是因为螺栓问题引起的，同时因螺栓问题而造成设备重大事故的数量也非常惊人，因此在设备安装，检修及枪修过程中，对螺栓紧固及拆卸的力矩在绝大部分情况下都要求比较严格，而用人工方法是难以达到要求的。对于螺栓提供大规格的扭矩，液压扳手更是理想的选择。液压扳手主要分为液压方驱扳手和液压中空扳手两大类。图1为液压方驱扳手的实物图。图2为液压中空扳手的实物图。

图1

图2

1 液压扳手优化方法，基础条件及实验方法的探讨

液压扳手由于在施工的过程中常用于狭小空间及运输十分不便利的位置，因而扳手的体积和重量是一个最为重要的指标。为了缩小部件的尺寸，采用高强度合金材料及热处理是常见的方法。同时采用有限元分析（finite element analysis）优化设计，达到减小部件的尺寸和重量，也是十分重要的一环。本文将从这两个方面对液压扳手尺寸优化进行分析。同时，如何取得高质量的产品，本文从基础的制造条件，实验方法也进行了一些阐述。

1.1 高强度合金材料及热处理的方法

对于采用高强度合金材料及热处理的方法来达到减小部件的尺寸和重量的目的。由于目前全球贸易的广泛化，寻找到高强度材料的难度并非很大，然而由于为了进一部的提高强度，还必须采取热处理及表面处理，对于希望部件强度达到1000MPa以上并且稳定，并且对于材质强度的均匀性也要求极高（主要是由于液压方驱扳手内部零件的不规则所影响），目前国内企业还很难对于液压方驱扳手内部零件的强度达到1000MPa以上，即使能个别达到，也很难达到批量的稳定性。还需要多向国外同类产品学习，在一个较长的时期内，投入较多的人力与资金，在材质与热处理的方面多加以摸索和实验。

1.2 有限元分析（finite element analysis）优化设计方法

基于有限元分析而采取的优化设计方法主要是采用离散化理论计算来反复修正设计，以达到最优化设计。主要计算原理为：

在离散后采取h-elements(进一步细分网格)及p-element(提高计算阶数)来达到计算收敛。图3为液压方驱扳手内部棘爪的FEA力学计算，可见局部应力已经超过1000MPa。由于现在计算机的快速发展，由于网格的细化而造成的计算量巨大已经不是一个问题。从这一方面来讲，对于计算的精度没有瓶颈问题。但是由于液压方驱扳手内部零件较为复杂，且边界条件难以给定，接触面条件也难以模拟与给定，因而计算只能作为设计与实验的参考，不能完全依赖，应该在多个边界条件的模型中摸索与分析结果，逐步找到可信赖的数据，并且与相应的实验测试结果加以对比。

图3

1.3 基础条件

由于液压扳手涉及到高强度材料及高液压压力（目前液压扳手的主流压力为70MPa）两方面的要求，因而在一些基础条件的要求上整体来说还是十分高。目前国内产品对比国外同类产品在重量，外型，寿命，功能等方面还是存在一些差距。从制造来说，虽然国内不乏一些高质量的CNC，但是缺乏一些管理与技术方面的积累，目前制造出的部件，还存在质量不稳定的因素。同时对于高强度材料，高压液压密封圈，高压接头等相关基础物料还依赖进口。

1.4 实验方法

无论国内还是国际上目前还没有关于液压扳手的产品及实验标准，实验（功能实验，寿命实验，可靠性实验等）是确定产品质量的基本要求，也是产品推向市场前的基本要求，虽然没有专门的液压扳手的产品及实验标准。我们任然可以从一些国内外的一些标准中（例如AMSI B30.1，ANSI B107等）寻找相关的技术关键点来制定企业的关于该产品的一些标准。这一环节的也是一个企业的研发能力的关键点，产品质量及可靠性的前提保证。

2 结论与展望

本文对液压扳手的最优化方法提出探讨，通过本文所涉及的两个方面（材料，FEA）相关的探讨，初步分析如何使液压扳手最重要的指标尺寸及重量达到理想的效果。对于国际上目前最先进的液压扳手给予追踪与分析，对于国内目前在该项技术上发展，提出了需要长期摸索与实验的建议。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/23/2007)


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