CN105606289A - 一种螺栓拧紧力矩系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，包括本体、第一套筒、第二套筒、螺杆、待测螺栓、螺母、止动螺钉、应变片和力矩扳手；所述本体内部为中空腔体，中空腔体内同轴套有第一套筒，且本体和第一套筒为间隙配合；本体和第一套筒轴向均开有螺纹孔，待测螺栓一端穿过本体和第一套筒上的螺纹孔，与螺母螺纹连接；螺杆与第一套筒螺纹连接，且螺杆上周向均布有应变片；螺杆一端与待测螺栓连接，并通过止动螺钉对待测螺栓预紧固定；螺杆另一端与调节螺母连接。本发明为工程实际中螺栓拧紧力矩系数的确定提供了简单可靠的测量方法，对螺栓适当预紧力的施加有重要的指导作用。

Description

一种螺栓拧紧力矩系数测量装置

技术领域

本发明涉及螺栓试验技术领域，关键是涉及螺纹连接预紧过程中拧紧力矩系数的测量。

背景技术

螺栓连接具有连接刚性好，重量轻，结构简单，装拆方便等优点，是机械结构中最为常见的一种连接方式，其在装配时都需要施加一定的预紧力，目的是增强连接的刚度、紧密性和防松能力，防止受载后被连接件之间出现缝隙或滑移。预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，连接螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂；预紧力过小，被连接件在结构工作载荷作用下会发生间隙或松动，使结构不能正常工作。所以，装配时需要对螺栓施加适当的轴向预紧力。目前在装配工艺上最经济的方法是通过控制扭矩来间接实现对螺栓轴向预紧力的控制，在装配过程中直接测量预紧力是非常困难的，因此应准确测量螺栓预紧过程中拧紧力矩系数的大小。

通过扭矩扳手施加拧紧力矩，使螺栓得到一定的预紧力，拧紧力矩T与它所引起的螺栓预紧力之间的关系由拧紧力矩系数确定，如公式(1)。k的数值在螺纹连接的设计计算及施工工艺中都很重要，德、美、日诸国对这方面的研究比较重视，但也因k值在实测中离散性较大，而感到不易妥善处理。如德国在1956年的标准中取k＝0.18，1983年改为k＝0.193，后来美、英两国的规范又要求在使用的螺栓中进行抽样扭矩拧紧试验来确定k值，均说明k值的影响因素较多，实测k值离散性较大。

拧紧力矩与螺栓预紧力关系的简单表达式为：

T＝k·F·d(1)

其中，k-拧紧力矩系数，d-螺栓公称直径(单位：mm)，F-预紧力(单位：KN)。

拧紧力矩系数k主要与螺旋升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被连接件支承面间的摩擦系数有关，实测螺栓的拧紧力矩系数对于指导螺栓的实际安装具有重要意义。

目前工程中螺栓预紧力的测量主要有以下几种方法。

(1)螺栓杆上贴应变片的方法

该方法可直接获得螺栓或螺栓组的预紧力，但存在很多限制：首先，该方法在实施过程中需要在每一个被测螺栓的螺杆上贴多个应变片，不仅繁琐，而且对操作者粘贴应变片的水平要求较高，应变片需求量较大；其次，该方法要求被试螺栓与被连接件之间留出足够的空间放置应变片引线，且在被连接件上要有可以引出应变片引线的空隙。最后，该方法对于短螺栓是不适用的，根据圣维南原理可知，对于短螺栓来说，螺栓杆上的受力是不均匀的，通过直接在螺栓杆上贴应变片来测量仅能反映被测螺栓表面的应力，并且螺栓在施拧时表面会产生一定的剪切变形导致测量结果与实际轴向应力有偏差，所以，这种方法是不准确的。

(2)直接测长法

直接测长法通过在螺栓拧紧前和拧紧后分别测量螺栓的长度，对比两次数据得出螺栓拧紧之后的伸长量，根据螺栓的有效连接长度以及螺栓刚度计算得到拧紧后螺栓的预紧力。该方法可以比较精确地测得螺栓预紧力，但受被连接件形式的限制较大，不能测量箱体等盲孔螺栓组的预紧力，实际操作起来比较困难。

(3)超声波法

超声波法是依据超声波在不同应力状态的螺栓内部传播速度不同的原理实现螺栓预紧力的测量。该方法为无损检测方法，测试较为方便，但需要对螺栓两个端面进行预处理，测量时需要耦合剂，而且测量精度受操作者的影响较大。

(4)垫片式力传感器方法

该方法可直接测量螺栓连接中的螺栓在拧紧过程以及拧紧之后的预紧力变化曲线，同时该方法便于装配现场、振动等环境中监测螺栓拧紧过程中以及拧紧之后的预紧力。但是，由于传感器体积的限制，只能测量规格较大的螺栓，对于短螺栓来说是不适用的。另外，传感器的成本比较高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种螺栓拧紧力矩系数的测试装置，该装置能够直观、准确的测量螺栓预紧力、拧紧力矩以便于得出螺栓的拧紧力矩系数(拧紧力矩系数为：k＝T/(F·d))，且整个装置结构简单、操作方便、测量数据稳定可靠。

本发明的技术方案是：一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，包括本体4、第一套筒6、第二套筒7、螺杆5、待测螺栓1、螺母2、止动螺钉10、应变片9和力矩扳手8；所述本体4内部为中空腔体，中空腔体内同轴套有第一套筒6，且本体4和第一套筒6为间隙配合；本体4和第一套筒6轴向均开有螺纹孔，待测螺栓1一端穿过本体4和第一套筒6上的螺纹孔，与螺母2螺纹连接；螺杆5与第一套筒6螺纹连接，且螺杆5上周向均布有应变片9；螺杆5一端与待测螺栓1连接，并通过止动螺钉10对待测螺栓1预紧固定；螺杆5另一端与调节螺母连接；力矩扳手8进行周向转动，带动待测螺栓1和螺杆5轴向向上运动，通过应变片9测量螺杆5的轴向应变以得出待测螺栓1的预紧力。

本发明进一步的技术方案是：所述调节螺母为六角调节螺母。

本发明进一步的技术方案是：所述力矩扳手8为自身带有显示屏的数显式力矩扳手。

本发明进一步的技术方案是：所述螺杆5上周向均布有4个应变片9。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明为一种简单、可操作性强、成本低和精度较高的一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，为工程实际中螺栓拧紧力矩系数的确定提供了简单可靠的测量方法，对螺栓适当预紧力的施加有重要的指导作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为标定测量螺杆时，螺杆测量的轴向拉力结果与试验机所施加拉力的比较结果图。

图3为以GH4169材料的M10螺栓为例进行螺栓拧紧力矩系数测量试验得出的拧紧力矩与预紧力关系曲线，图中曲线的斜率除以螺栓的公称直径即为拧紧力矩系数的数值。

附图标记说明：1—待测螺栓；2—螺母；3—六角调节螺母；4—本体；5—螺杆；6—第一套筒；7—第二套筒；8—力矩扳手；9—应变片；10—止动螺钉。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

1、参见图1，针对短螺栓杆受力不均匀的问题，本发明的螺栓拧紧力矩系数测量装置包括第一套筒和测量螺杆，它们的结构特点是将螺栓所受的拉力传递到测量螺杆上，而螺杆上的受力是均匀的，通过应变片测量螺杆的轴向应变得出其所受的轴向拉力，间接得到螺栓所受的拉力(预紧力)，且测量螺杆能够重复使用。螺杆所受的拉力由公式F＝E·ε·A计算，其中E为测量螺杆材料的弹性模量，ε为测量螺杆的轴向应变，A为测量螺杆的横截面积。

进一步的，为了验证应用贴有应变片的测量螺杆进行螺栓预紧力测量的准确性，在电子万能试验机上对螺杆进行标定，将通过应变仪测量的螺栓轴向应变计算得出的轴向拉力与电子万能试验机施加的轴向拉力进行了对比，结果如附图2所示。结果表明：测量所得拉力与试验机所施加的拉力能够很好的吻合，验证了这种方式的正确性。

所述内第一套筒上开设有螺栓孔，螺栓安装完毕后，拧入止动螺钉将螺栓头卡住，防止螺栓头在预紧过程中随着螺母的旋转而转动，该设计有效的解决了螺栓在预紧到一定程度时螺栓头开始转动而影响预紧这一问题。

所述大六角螺母为调节螺母，其与测量螺杆通过螺纹的形式进行连接，该形式能够根据螺栓长度来调节第一套筒与本体之间的距离，在一定范围内能够适用于各长度螺栓拧紧力矩系数的测量。

所述数显式力矩扳手自身带有显示屏，为自身带有数字显示屏的数显式力矩扳手，能够实时的显示出所施加的拧紧力矩大小。该力矩扳手操作简便，工人在操作时随时可以观察力矩值大小。

实施实例：通过GH4169材料的M10螺栓的拧紧力矩系数测量为例来详细说明具体实施步骤。

参照附图1，应用本发明进行螺栓拧紧力矩系数测量的具体步骤为：

步骤一：选择本体4，将贴有应变片的测量螺杆5装入本体4中，装入过程中应注意避免对应变片9和连接导线造成损伤。

步骤二：选择带有M10螺栓孔的第一套筒6，将M10试验螺栓1通过螺栓孔装入第一套筒6中，并通过外框上的M10螺栓孔将螺栓装入本体4中，拧上螺母2以防止试验螺栓1掉出。

步骤三：通过螺纹连接将第一套筒6与测量螺杆5相连接，然后选择大六角调节螺母3，将其与测量螺杆5进行螺纹连接将测量螺杆5固定并调整至恰当位置。

步骤四：选择M5止动螺钉10，拧入连接套筒中的止动螺钉螺纹孔将螺栓头固定，防止螺栓头在预紧过程中旋转而影响预紧，至此完成螺栓预紧力测量装置的装配。

步骤五：将本体固定在台钳上，将应变片引线与应变仪相连接并启动应变仪进行测量螺杆轴向应变的测量。

步骤六：在螺母上套装第二套筒7，第二套筒7上套装力矩扳手8，安装完毕开始试验，试验过程中记录所施加的拧紧力矩与对应的测量螺杆5的轴向应变数值，直到试验结束。

步骤七：试验结束后，通过所记录的测量螺杆5轴向应变计算得出其所受到的轴向拉力，从而得出试验螺栓1对应各拧紧力矩大小下的预紧力，绘制出测量螺栓1预紧力与拧紧力矩之间的关系曲线，即可得出螺栓拧紧力矩系数。

步骤八：试验结束后，保存所记录的试验结果。将试验螺栓1卸下，关闭应变仪电源，整理试验仪器，完成试验。

步骤五中所述应变仪为TST3821E无线遥测静态应变测试分析***，该***具有由内置完善的供桥电压、电压放大、自动平衡、数据采集和智能锂电池等组成的硬件***，加上功能丰富的软件可完成数据同步采集、同步处理、实时显示、实时存盘，试验过程中与TST3821E无线静态信号测试分析软件共同使用来显示测量螺杆5的轴向应变。

Claims (4)

1.一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，其特征在于，包括本体(4)、第一套筒(6)、第二套筒(7)、螺杆(5)、待测螺栓(1)、螺母(2)、止动螺钉(10)、应变片(9)和力矩扳手(8)；所述本体(4)内部为中空腔体，中空腔体内同轴套有第一套筒(6)，且本体(4)和第一套筒(6)为间隙配合；本体(4)和第一套筒(6)轴向均开有螺纹孔，待测螺栓(1)一端穿过本体(4)和第一套筒(6)上的螺纹孔，与螺母(2)螺纹连接；螺杆(5)与第一套筒(6)螺纹连接，且螺杆(5)上周向均布有应变片(9)；螺杆(5)一端与待测螺栓(1)连接，并通过止动螺钉(10)对待测螺栓(1)预紧固定；螺杆(5)另一端与调节螺母连接；力矩扳手(8)进行周向转动，带动待测螺栓(1)和螺杆(5)轴向向上运动，通过应变片(9)测量螺杆(5)的轴向应变以得出待测螺栓(1)的预紧力。

2.如权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，其特征在于，所述调节螺母为六角调节螺母。

3.如权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，其特征在于，所述力矩扳手(8)为自身带有显示屏的数显式力矩扳手。

4.如权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩系数测量装置，其特征在于，所述螺杆(5)上周向均布有4个应变片(9)。