簡單來說,扭剪扳手是一種專用、高精度的電動或液壓扳手,其核心原理是 通過控制螺栓的預緊力(軸向拉力)來確保緊固質量,而不僅僅是控制擰緊的扭矩。它主要用于高強度螺栓(特別是鋼結構連接用的高強度大六角頭螺栓和扭剪型高強度螺栓)的最終緊固。
為了更好地理解,我們可以將其與傳統扭矩扳手進行對比。
一、傳統扭矩扳手的局限性(扭矩法)
1. 原理:傳統扭矩扳手通過控制擰緊扭矩(T) 來間接控制螺栓的預緊力(F)。它們之間的關系是 T = K * F * d(其中K是扭矩系數,d是螺栓公稱直徑)。
2. 問題:這個公式中的扭矩系數 K 是一個變量,它受到螺栓、螺母、墊圈接觸面的摩擦力的極大影響。摩擦力會消耗掉大約90%的擰緊扭矩,只有大約10%的扭矩真正轉化為螺栓的預緊力(拉力)。
· 如果摩擦力大,同樣的扭矩下,螺栓獲得的預緊力就小。
· 如果摩擦力小,同樣的扭矩下,螺栓獲得的預緊力就大。
3. 結果:由于摩擦力的不確定性,僅控制扭矩會導致螺栓的實際預緊力(即我們真正想要的)離散性很大,精度不高,可能造成有的螺栓擰得太緊(過載),有的則不夠緊(松動)。
二、扭剪扳手的作用原理(轉角法/直接張力控制法)
扭剪扳手的設計巧妙地繞過了摩擦力帶來的問題。它的原理可以分為兩個階段,其核心部件是特制的扭剪型螺栓,這種螺栓的螺桿末端帶有一個梅花卡頭。
第一階段:初始擰緊(定扭矩緊貼)
1. 首先,會用普通的沖擊扳手或兩個套筒的電動扳手將螺母初步擰緊,使連接件緊密貼合。
2. 然后,使用扭剪扳手。扳手的套筒套在螺母上,而扳手內腔的一個內凹式梅花套筒則套住螺栓尾部的梅花卡頭。
3. 扳手啟動,梅花套筒(反作用力臂)抵住梅花卡頭,防止螺栓轉動,而主套筒則旋轉螺母。
4. 在這個階段,扳手以穩定的扭矩擰緊螺母,直到螺栓達到一個設定的、較高的預緊力(通常是標準預緊力的70%-80%)。此時,連接件已經非常緊密。
第二階段:最終緊固與自斷(定轉角/控制斷裂)
這是扭剪扳手最關鍵、最巧妙的一步。
1. 當預緊力達到第一階段的目標值后,扳手繼續旋轉。
2. 此時,螺栓承受的拉力已經非常大,接近其屈服極限。施加在螺母上的扭矩,使得螺栓尾部的梅花卡頭處承受巨大的反向剪切力。
3. 當施加的扭矩(或者說螺栓的預緊力)達到預先通過精確計算和制造設定的斷裂閾值時,梅花卡頭會被精確地扭斷。
4. 梅花卡頭斷裂的瞬間,扳手的旋轉阻力驟降,扳手自動停止工作。
三、原理的核心優勢
1. 直接控制預緊力:梅花卡頭的斷裂點是在工廠里根據螺栓的材質和力學性能精確設定的。斷裂發生時,意味著螺栓的預緊力已經達到了設計要求的、接近屈服強度的最佳值。這相當于一個“機械保險絲”,直接以力為控制目標,完全消除了摩擦力對最終緊固效果的影響。
2. 極高的精度和一致性:所有用同一把扭剪扳手擰緊的同規格螺栓,其最終的預緊力基本一致,精度遠高于扭矩法。
3. 直觀的質量判斷:檢查人員只需肉眼觀察梅花卡頭是否已被擰掉,即可100%確定該螺栓已經達到了規定的預緊力。這是一種非常簡單、可靠、無法作弊的質量控制方法。
4. 操作簡便高效:操作工人無需記錄扭矩值,也無需使用扭矩測量儀進行復檢,大大提高了工作效率和可靠性。
總結
特性 傳統扭矩扳手 扭剪扳手
控制對象 扭矩 (T) 預緊力 (F)
原理 間接控制 T = K * F * d 直接控制,通過扭斷預設的卡頭來標定預緊力
影響因素 受摩擦力 (K值) 影響大 幾乎不受摩擦力影響
精度 較低 (±25% ~ ±30%) 極高 (±5% ~ ±10%)
質量檢查 需用扭矩扳手復檢或標記 肉眼觀察卡頭是否斷裂
因此,扭剪扳手的作用原理可以概括為:利用特制螺栓上的“犧牲性”梅花卡頭作為力學傳感器和保險銷,通過精確控制其斷裂的瞬間,來直接確保螺栓達到設計所要求的最佳預緊力,從而實現高強度連接的高精度、高可靠性和易檢驗。