CN109520922A - 一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置及测试方法，它解决了现有技术中螺栓摩擦系数测试过程复杂，设备占用空间大的问题，具有降低测试成本，测试装置结构简单的有益效果，其方案如下：一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，包括支撑架，支撑架设置螺纹孔，待测螺栓能够与螺纹孔配合；多个应变片，能够贴合于待测螺栓光杆环向方向，应变片的引线穿过设于支撑架的引线孔；数据采集元件，数据采集元件与多个应变片分别单独连接；螺帽，能够与待测螺栓配合将待测螺栓与支撑架锁紧。

Description

一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及风电应用领域，特别是涉及一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置及测试方法。
背景技术
目前通用的测试螺栓扭矩系数、摩擦系数的方法是使用螺纹紧固件试验分析***，将螺栓和夹具安装到试验设备内，一端对螺帽施加扭矩MA，通过扭矩-角度传感器测得螺栓的总拧紧力矩MA；另一端通过扭矩-轴力复合传感器测得螺杆所受到的扭矩(即螺纹力矩MG)和螺栓的轴力FM，然后使用公式计算得到扭矩系数、摩擦系数。由于设备的空间有限，预紧力矩也有上限，螺纹紧固件试验分析***能分析的螺栓最大规格是有上限的，而且需要按照设备的要求加工合适的夹具，不能很好的模拟现场安装环境。
因此，需要对一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法进行新的研究设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，可以无需螺纹紧固件试验分析***，就可测得螺栓的摩擦系数和扭矩系数，测试过程简单方便。
一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置的具体方案如下：
一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，包括：
支撑架，支撑架设置螺纹孔，待测螺栓能够与螺纹孔配合；
多个应变片，能够贴合于待测螺栓光杆环向方向，应变片的引线穿过设于支撑架的引线孔；
数据采集元件，数据采集元件与多个应变片分别单独连接；
螺帽，能够与待测螺栓配合将待测螺栓与支撑架锁紧。
上述的测试装置，通过支撑架的设置，可通过螺帽将螺栓与支撑架固定，这样能更加贴合螺栓连接的实际紧固状态，避免了从螺纹紧固件试验分析***到普通预紧工具之间产生的误差，能直接针对螺栓连接的实际紧固过程给出预紧工具的使用参数。
进一步地，为了方便将应变片贴合于螺栓的光杆，所述支撑架设有上连接件和下连接件，两个连接件通过螺纹或卡扣可拆卸连接，且所述的引线孔设于上连接件，引线孔可设置多个或一个，且螺帽与上连接件之间设置垫片，支撑架为框形。
进一步地，所述应变片均匀布置于螺栓的截面，应变片为三轴45°应变片，这样应变片可以测量螺栓受到的主拉应力σa、弯曲应力σb、扭转切应力τt、剪切应力τs，分别对应螺栓受到的轴力、弯矩、扭矩、剪切力四种载荷，数据采集元件为应变仪。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，采用所述的测试装置。
进一步地，测试方法包括如下步骤：
待测螺栓***螺纹孔；
在待测螺栓的周侧选择多个测点，在每个测点处均安装一应变片，各个应变片与数据采集元件连接；
通过螺帽对待测螺栓进行紧固；
通过应变片测得螺栓受到的主拉应力σa和扭转切应力τt，通过主拉应力σa计算得到螺栓受到的轴力FM，通过扭转切应力τt计算得到螺栓受到的螺纹力矩MG，通过螺栓受到的轴力FM和螺纹力矩MG获得螺栓摩擦系数μG和扭矩系数。
上述测试方法，无需螺纹紧固件试验分析***，就可测得螺栓的摩擦系数和扭矩系数，只需数据采集元件、支撑架即可进行测试试验，极大的减少了测试成本；由于无需使用螺纹紧固件试验分析***，该测试试验可以在任意场地完成任意规格螺栓的摩擦系数和扭矩系数测试，在工程实际中有广泛的应用前景。
进一步地，所述螺栓摩擦系数μG根据如下公式计算：
MG＝FM(0.16·P+0.58·d2·μG) (3)
其中，d为螺栓大径，d2为螺栓中径，P为螺栓的螺距。
进一步地，所述扭矩系数根据如下公式获得：
所述扭矩系数根据如下公式获得：
其中，MA为总拧紧力矩。
进一步地，通过如下公式获得螺帽摩擦力矩MK和螺帽摩擦系数μK：
MA＝MG+MK (5)
其中，MG为螺纹力矩，MK为螺帽摩擦力矩，DKm为螺帽支撑面平均直径。
进一步地，采用扭矩法对待测螺栓进行紧固，且通过扭矩扳手的理论力矩值确定螺栓受到的总拧紧力矩MA。
进一步地，在待测定螺栓设定截面的圆周方向取A、B、C、D四个测点，并对测点进行标记，相邻两个点之间的夹角为90°，每点处按–45°、0°、+45°方向粘贴所述的应变片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过应变片测试螺栓的扭转切应力和主拉应力力，可以通过标定使得应变片的测试精度高于扭矩/轴力传感器。
2)本发明使用预紧工具进行螺栓紧固时，通过标定可以提升工具紧固力矩的精度，通过多次复拧以保证预紧工具输出扭矩的稳定性；从而提升螺帽摩擦系数和扭矩系数的精度；同时能更加贴合螺栓连接的实际紧固状态，避免了从螺纹紧固件试验分析***到普通预紧工具之间产生的误差，能直接针对螺栓连接的实际紧固过程给出预紧工具的使用参数。
3)本发明进行螺栓摩擦系数和扭矩系数测试时，没有空间限制，可以使用任意工装，并模拟螺栓连接工作现场的环境。
4)本发明提供的方法，在测试相关系数时，没有螺栓规格限制，尤其是对于大规格螺栓，可以进行任意大规格螺栓的测试。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明螺栓应变片贴附位置示意图；
图2(a)为本发明螺栓指定截面应变片贴片示意图；
图2(b)为本发明某一点应变片贴片示意图；
图3为本发明测试装置示意图；
图中，1.待测螺栓、2.螺帽、3.垫圈、4.上连接件、5.下连接件，6.引线孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图3所示，一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，包括支撑架，支撑架设置螺纹孔，待测螺栓1能够与螺纹孔配合；多个应变片，能够贴合于待测螺栓1光杆环向方向，应变片的引线穿过设于支撑架的引线孔6；数据采集元件，数据采集元件与多个应变片分别单独连接；螺帽2，能够与待测螺栓配合将待测螺栓1与支撑架锁紧。
支撑架设有上连接件4和下连接件5，两个连接件通过螺纹或卡扣可拆卸连接，且所述的引线孔6设于上连接件4。
图2(b)所示，应变片为三轴45°应变片，这样应变片可以测量螺栓受到的主拉应力σa、弯曲应力σb、扭转切应力τt、剪切应力τs，分别对应螺栓受到的轴力、弯矩、扭矩、剪切力四种载荷，数据采集元件为应变仪。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，采用所述的测试装置。
进一步地，测试方法包括如下步骤：
待测螺栓1***螺纹孔；
在待测螺栓1的周侧选择多个测点，多个测点均匀布置，如图2(a)所示，在每个测点处均安装一应变片，各个应变片与数据采集元件连接；在待测定螺栓设定截面的圆周方向取A、B、C、D四个测点，并对测点进行标记，相邻两个点之间的夹角为90°，每点处按–45°、0°、+45°方向粘贴所述的应变片。
通过螺帽2、垫圈3对待测螺栓1进行紧固；
通过应变片测得螺栓受到的主拉应力σa和扭转切应力τt，通过主拉应力σa计算得到螺栓受到的轴力FM，通过扭转切应力τt计算得到螺栓受到的螺纹力矩MG，通过螺栓受到的轴力FM和螺纹力矩MG获得螺栓摩擦系数μG和扭矩系数。
螺栓摩擦系数μG根据如下公式计算：
MG＝FM(0.16·P+0.58·d2·μG) (3)
其中，d为螺栓大径，d2为螺栓中径，P为螺栓的螺距，根据公式(1)计算获得螺纹力矩MG，在根据公式(2)、(3)获得螺栓摩擦系数μG。
扭矩系数根据如下公式获得：
MA＝MG+MK (5)
其中，MA为总拧紧力矩，MG为螺纹力矩，MK为螺帽摩擦力矩，DKm为螺帽支撑面平均直径，μK为螺帽摩擦系数，根据公式(4)获得螺帽摩擦力矩MK，然后再根据公式(5)获得螺帽摩擦系数μK。
采用扭矩法对待测螺栓1进行紧固，且通过扭矩扳手的理论力矩值确定螺栓受到的总拧紧力矩MA。
应变仪测定应变精度可达到0.05％，由于受贴片、试样材料及结构等影响，为保证测定表面应力结果，需要对贴好应变片的螺栓进行标定。如表1和表2所示，根据标定结果，该测试过程中测量点表面主拉应力和扭转切应力的重复测量精度在±3％以内。
表1一组螺栓主拉应力标定数据
表2一组螺栓扭转切应力标定数据
使用扭矩法对螺栓进行紧固，通过扭矩扳手的理论力矩值确定螺栓受到的总拧紧力矩MA，如表3所示。
表3扭矩扳手的理论力矩值
油压bar 拧紧力矩理论值/N*m
0 0
50 328
100 650
120 745
150 960
180 1140
200 1270
235 1490
对3颗M30进行扭矩系数、摩擦系数测试，测试结果如表5所示，预紧完成后，扭矩系数为0.12至0.133，螺纹摩擦系数为0.045至0.54，螺帽摩擦系数为0.126至0.141。
表5螺栓的摩擦系数、扭矩系数计算结果
通过测试和计算过程可知，螺纹摩擦系数的准确度只受应变片测试精度影响，与扭矩扳手精度无关；而螺帽摩擦系数和扭矩系数不仅受应变片精度影响，也受扭矩扳手精度影响。
综上，在上述示例中，表1、表2展示了应变片的测试精度，表3、表4展示了测试和计算过程中用到的螺栓参数和工具参数，表5展示了测试结果。显然，上述示例的结果成功地展示了本发明实施例所用方法可靠、精度较高，而以此建立的螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法可用于螺栓的通用性测试。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，其特征在于，包括：
支撑架，支撑架设置螺纹孔，待测螺栓能够与螺纹孔配合；
多个应变片，能够贴合于待测螺栓光杆环向方向，应变片的引线穿过设于支撑架的引线孔；
数据采集元件，数据采集元件与多个应变片分别单独连接；
螺帽，能够与待测螺栓配合将待测螺栓与支撑架锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，其特征在于，所述支撑架设有上连接件和下连接件，两个连接件通过螺纹或卡扣可拆卸连接，且所述的引线孔设于上连接件。
3.根据权利要求1所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试装置，其特征在于，所述应变片为三轴45°应变花。
4.一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的测试装置。
5.根据权利要求4所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
待测螺栓***螺纹孔；
在待测螺栓的周侧选择多个测点，在每个测点处均安装一应变片，各个应变片与数据采集元件连接；
通过螺帽对待测螺栓进行紧固；
通过应变片测得螺栓受到的主拉应力σa和扭转切应力τt，通过主拉应力σa计算得到螺栓受到的轴力FM，通过扭转切应力τt计算得到螺栓受到的螺纹力矩MG，通过螺栓受到的轴力FM和螺纹力矩MG获得螺栓摩擦系数μG和扭矩系数。
6.根据权利要求5所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，所述螺栓摩擦系数μG根据如下公式计算：
MG＝FM(0.16·P+0.58·d2·μG) (3)
其中，d为螺栓大径，d2为螺栓中径，P为螺栓的螺距。
7.根据权利要求5所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，所述扭矩系数根据如下公式获得：
其中，MA为总拧紧力矩。
8.根据权利要求7所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，通过如下公式获得螺帽摩擦力矩MK和螺帽摩擦系数μK：
MA＝MG+MK (5)
其中，MG为螺纹力矩，MK为螺帽摩擦力矩，DKm为螺帽支撑面平均直径。
9.根据权利要求7所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，采用扭矩法对待测螺栓进行紧固，且通过扭矩扳手的理论力矩值确定螺栓受到的总拧紧力矩MA。
10.根据权利要求5所述的一种螺栓摩擦系数和扭矩系数的测试方法，其特征在于，在待测定螺栓设定截面的圆周方向取A、B、C、D四个测点，并对测点进行标记，每点处按–45°、0°、+45°方向粘贴所述的应变片。
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