摘要：鉴于因轴承压盖螺栓松动而导致的切轴事故，文章设计了一种带有智能指导模式力矩数据实时记录的数显力矩扳手，大大优化了扭矩扳手的使用效果，使相关工作达到了现代化的管理需求。
关键词：智能力矩扳手；高铁生产；检修 文献标识码：A 中图分类号：TS914
文章编号：2096-4137（2017）08-064-03 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2017.08.21
在铁路车辆生产和检修过程中需要对各种螺栓进行紧固，其中很多部位直接关系到行车安全。例如，车辆车轮轴承压盖螺栓决定着行车安全，若不能严格按照规定安装，则可能出现车辆在运行过程中因为摩擦、振动等原因引起螺栓松动，除了会影响车辆车轮轴承的寿命，车辆的运行安全性也无法得到保证。根据相关报道，哈局便曾经出现过两起因为轴承压盖螺栓松动而导致的切轴事故。鉴于此，本文拟设计一种智能力矩扳手代替传统的机械扳手应用于高铁生产和检修。
1 结构设计
1.1 智能力矩扳手性能要求分析
通过分析当前铁路市场需求现状，再结合机械和化工等行业对力矩放大扳手使用规定，智能力矩扳手应该达到以下性能要求：（1）力矩的输出范围应该介于1～100N.m；（2）扳手适用于M20～M50的螺纹范围；（3）智能力矩的结构要求。主要满足两个要求，其一是能够按照预紧螺母的尺寸选择相应的六角套筒，其二后扳手的输出轴应该同套筒可靠联结；（4）扳手尺寸：力矩倍增器的高度H应低于25mm，直径D应小于15mm，扳手手柄长度L应低于500mm；（5）扳手的质量不可超过5kg。
1.2 智能力矩扳手整体设计方案
为了保证智能力矩扳手设计方案的科学性，笔者结合调研情况前后共设计出了几类不同的扭矩扳手，分别将其运用于试验后，确定了此方案，根据设计方案制作了集工具和计量仪器为一体的样品，同时还是一种可以施加既定扭矩和检测扭矩的工作，具有体积小、使用便捷等优点。数显扭矩扳手的作用为显示扭矩值，成功地解决了傳统在高铁生产和维修过程中应用机械式扳手紧固车轮承压盖螺栓精度低的不足，确保车辆的安全性。在作业指导及力矩监督方面通过远端服务器下传力矩作业指导书，在本地的智能终端上读取作业指导书数据，指导操作人员按照作业指导书上的位置和力矩来进行螺栓的紧固操作并能完成预设的智能指导模式，实时记录力矩数据。笔者及同事在车辆段和主机厂经过长达半年多的试用，认为智能力矩扳手整体测量结构科学合理，并提高了测量精度，具有较好的稳定性。
通过力矩指导模式提高了现场操作人员的工作效率，同时能够在生产时记录下各个螺栓的安装力矩为精益化生产提供了有力的数据保障，对生产质量起到了严格的监管。通过对设计方案予以适当修改，还可以被运用于紧固和测试钢轨螺栓中。
1.3 结构与原理
数显扭矩扳手作为一类紧固铁路车辆车轮轴承压盖螺栓和检测扭矩的新型手动工具，其主要适用于对扭矩有要求的场所，智能力矩扳手上设计有数字液晶显示器和扭力传感器，在二者的共同作用下能够将电压模拟信号以数字原理持续显示，并且能够保持峰值，方便跟踪检定，具有较高的检测精度，能够直接读取示数，操作简单。将智能力矩扳手运用在高铁生产和维修中，能够解决传统机械扳手因为扭矩不好控制导致的密封泄漏、集体滑扣、轴承咬死等问题。系统总体结构分为服务器，手持终端和力矩扳手三部分，如图1所示：
服务器端运行智能力矩扳手系统，工程师将车辆各个部位的力矩信息输入系统并生成力矩作业指导书，通过有线或无线方式传输到手持终端上，在现场操作时通过手持终端调用程序与智能扳手进行数据互动，指导并记录工作过程中各个螺栓的力矩数值。
2 测量系统总体设计
2.1 传感器电桥的设计
运用具有弹性的金属箔式应变片测量扭矩，具体测量方法如下：选择两个受力性质相同的金属箔式应变片接入全桥测量电路电桥对边，再选择两个受力性质不相同的应变片则介入邻边，当应变片的初始阻值：R1、R2、R3、R4均相同时，电阻变化值△R1、△R2、△R3、△R4也相同，在这种情况下，桥路输出电压，从而在半桥的基础上提升了1倍灵敏度，在改善温度误差的同时还改善了非线性误差。在经过AD620后，全桥输出信号被放大，在过程控制放大器PGA112的作用下将信号放大至合适范围中输入在上的ADC上，通过来控制的增益，最终达到切换自动量的目的。直线位移传感器能够输出0～2V的信号电压，在电压跟随器作用下最终被传送至中的16为A/D。
2.2 信号处理
在本次设计中，因为使用的应变片传感器输出不大，若想用模数转换模块直接并转换该信号难度比较大，所以首先需要使用模拟放大器将其放大至一定的倍数后方可达到A/D转换器对输入信号电平的要求。为了实现这一目的，本人选择由AD公司提供的型号为AD627仪表放大器，这类放大器拥有完成的减法后者差分放大系统，输出方式为电源正负极限轨对轨。由于内部匹配的电阻被精密激光修整过，所以无论是线性度核实共模抑制能力均优良。可以选择3V和5V的单电源或者±2.3～±18V的双电源作为供电电源，但是供电电流不能超过0.6mA。图4、图5分别为AD627的引脚图和AD627同应变片电桥的连接电路图。
需要将电桥信号放大至-1.5～1.5V。设置放大电路的增益可以通过选择外部可调增益电阻来实现。选用的可调电阻，从理论上能够达到1000的放大比，虽然实际放大比只有980.61，但是这已经完全能够满足要求。
2.3 电路设计
2.3.1 A/D转换电路的设计
结合智能力矩扳手被使用的场所和本次设计的目的，在全面保证智能力矩扳手灵敏度高、精度高、分辨率高的基础上，选择作为A/D转换芯片，考虑到该芯片的正常工作必须依赖外部基准参考电压VREF，所以选择精密基准电压芯片输出基准电压为4.096V，可以维持正常工作时所需。具体连接电路如图6所示：
分别由3个引脚同单片机相连接，其中为片选信号，串行数据输出端与同步时钟信号。中的低电平有效，而高电平则处于状态，同单片机的P2.7口，通过编程的形式设置P2.7口的状态，当其处于低电平时，A/D转换芯片开始转换模数和传送数据。主要同单片机P3.0/RxD口相连接，当完成转换模拟信号时，口便可以将转好好的12位数据以串行通讯的形式传送至单片机的寄存器上。口主要跟单片机上的P3.1/TxD口连接，的P3.1口主要功能为输出时钟信号，当该信号传送至时，可以将其作为串行通讯的时钟信号，如此便完成了通讯功能，具体如图7所示。当时，差动输入的最大值同样也为4.096V，这种情况下1LSB相当于。
2.3.2 系统电路设计
系统电设计共包含三个步骤：
第一步：实现所有功能模块的初始化。
第二步：判断按键所处状态，若处于按下状态，需要执行按键设置功能，若没有按下状态，需要读取螺栓的直径信号，根据保存的螺栓规格表来确定螺栓的预设紧固力矩，读取扭矩信号，将其处理后在液晶屏上显示出扭矩值。
第三步：比較扭矩和设定阈值大小，如果高于阈值时，有声光报警提示并且显示屏上提示扭矩过大，如果低于阈值再测量，当扭矩维持一段时间后将其保存至。
2.4 服务器端
服务器采用通用服务器，上面安装智能力矩扳手服务器端软件系统采用Windows2008 Server R2操作系统，SQL SERVER2008R2数据库，JAVA+TOMCAT软件架构。PC终端采用WEB浏览器直接登录，操作系统采用WINXP及更高版本，支持HTML5的浏览器，建议采用Chrome浏览器。
2.5 智能终端
智能终端采用工业级手持终端具备IP68级防护，采用MTK6595八核2.1G高速处理器支持WIFI及蓝牙连接，具备多媒体功能，采用触控操作。上面运行智能扳手终端管理系统。
3 在列车生产和检修过程的应用效果评价
智能力矩扳手在高铁生产和检修中，严格规范工人的操作，通过扳手手持设备接受上级部门下达的工作清单，见图8。在工作中把每一个零件做扭矩记录，保存，上传至服务器中。生产部，质检部的后台服务器可生成电子数据报告，见图9。极大地提高了工人的工作效率。此产品在主机厂的生产车间中应用一年后，得到了工人和领导的认可。
4 结语
智能力矩扳手可以根据作业指导书指导现场工作时的安装力矩，大大优化了扭矩扳手的使用效果，提高了工作效率，使相关工作达到了现代化的管理需求。将本次研究设计的智能力矩扳手运用在高铁运行和检修中，通过对工作过程和数据进行系统管理和操作，减轻了工作人员的负担，加快了工人生产和检修的进程，提高了质量。
参考文献
[1] 阮红伟，陈中赟，徐黄镇，等.一种智能力矩扳手的设计与实现[J].数字技术与应用，2016，（4）.
[2] 荣进，蒋威，陈晓平.创新设计方法在扳手设计中的应用研究[J].宁波工程学院学报，2011，23（2）.
[3] 谭京生.数显力矩扳手[J].机械与电子，1993，（2）.
（责任编辑：陈代保）
