CN102519652B - 一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法，第一连接板，与所述第一连接板平行设置的第二连接板，所述第一连接板与所述第二连接板的顶部之间连接有中心带有通孔的第一支撑板，所述第一支撑板通过四组第一螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之上，所述第一连接板与所述第二连接板的底部之间连接有带有凹槽及中心通孔的第二支撑板，所述第二支撑板通过四组第二螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之上，所述第二支撑板的凹槽中设置有与所述凹槽宽度相匹配的固定板。实现了间接地测量螺栓预紧角度与预紧力之间的关系，从而达到测试螺栓预紧力的要求，该方法简单，降低了实验设备成本，提高了工作效率以及测试的精度。

Description

一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法。

背景技术

螺栓连接是最常见的可拆连接，而预紧力是螺栓拧紧过程中需要测量的重要性能指标。适当的预紧力可以提高连接的可靠性和螺栓的疲劳强度，对有紧密性要求的连接更可以提高气密性。但是过大的预紧力会导致螺栓和连接件的损坏，因此对重要的螺栓连接，为了保证连接达到所需的预紧力，又不使零部件过载，在装配时需要严格控制预紧力。

目前，一般通过两种方法控制预紧力：控制预紧力矩或控制预紧螺栓的变形量。由于润滑条件不同导致摩擦力变化，从而影响预紧力矩和预紧力关系的不确定性，而预紧螺栓的变形量非常小，很难精确测量，故这两种方法在准确获得预紧力方面均存在一定困难。

为了解决上述问题，现有技术中又提出了在初始预紧力矩下，利用螺栓转角(例如50N×m+120°)确定预紧程度。该种预紧方式不受润滑条件的影响，并且将螺栓长度方向的小变形量放大成角度改变量，提高了预紧的精确性。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

现有的测试装置庞大，提高了测试成本，使用起来不方便导致了工作效率较低，并且测试结果不精确。

发明内容

本发明提供了一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法，本发明实现了间接地测量螺栓预紧角度与预紧力之间的关系，从而达到测试螺栓预紧力的要求，方法简单，降低了实验设备成本，提高了工作效率，详见下文描述：

一种测试螺栓预紧力的装置，所述装置包括：第一连接板，与所述第一连接板平行设置的第二连接板，所述第一连接板与所述第二连接板的顶部之间连接有中心带有通孔的第一支撑板，所述第一支撑板通过四组第一螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之上，所述第一连接板与所述第二连接板的底部之间连接有带有凹槽及中心通孔的第二支撑板，所述第二支撑板通过四组第二螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之上，所述第二支撑板的凹槽中设置有与所述凹槽宽度相匹配的固定板。

一种测试螺栓预紧力的装置的控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在被测螺栓上粘贴横向第一应变片和竖向第二应变片，并在其对称部位粘贴相应的横向第三应变片和竖向第四应变片；

(2)所述横向第一应变片和所述竖向第二应变片串联连接，所述横向第三应变片和所述竖向第四应变片串联连接，两个串联支路并联连接；

(3)贴好的所述被测螺栓穿过所述第一支撑板和所述第二支撑板固定设置在所述固定板上，刻度盘的空心孔套在所述被测螺栓头上，粘贴在所述第一支撑板；

(4)用扭矩扳手对所述被测螺栓进行预紧，并在所述刻度盘的起始位置标示0°，以预设角度增量预紧，记录所得的预紧角度值α和第一电信号值ε₁；

(5)通过数值拟合获取所述预紧角度值α与相对应的所述第一电信号值ε₁的关系；

(6)将所述被测螺栓拆卸下来，将第一套筒穿过四个应变片及其引出线套在所述被测螺栓的杆上，带内螺纹的第二套筒旋入所述被测螺栓的螺纹部分，所述被测螺栓装夹在试验机上，所述第一套筒和所述第二套筒分别装夹在所述试验机的上下卡头处；

(7)对所述试验机以预设增量施加轴向拉力，记录所施加的轴向拉力和第二电信号值ε₂；

(8)通过数值拟合方法获取所述轴向拉力与相对应的所述第二电信号值ε₂的关系；

(9)根据所述预紧角度值α与相对应的所述第一电信号值ε₁的关系、所述轴向拉力与相对应的所述第二电信号值ε₂的关系获取所述预紧角度值α和所述轴向拉力的关系，以及所述被测螺栓预紧力的数值大小。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法，本发明设计了测试螺栓预紧力的装置，并在该装置的基础上获取到预紧角度值α与相对应的第一电信号值ε₁的关系、轴向力F与相对应的第二电信号值ε₂的关系，进而得到预紧角度值α和轴向拉力F的关系，以及被测螺栓预紧力的数值大小，本发明实现了间接地测量螺栓预紧角度与预紧力之间的关系，从而达到测试螺栓预紧力的要求，该方法简单，降低了实验设备成本，提高了工作效率以及测试的精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种测试螺栓预紧力的装置的使用状态图；

图2为本发明提供的一种测试螺栓预紧力的装置的内部结构示意图；

图3为本发明提供的一种测试螺栓预紧力的装置的侧视图；

图4为本发明提供的一种测试螺栓预紧力的装置的附视图；

图5为本发明提供的固定板的剖视图；

图6为本发明提供的固定板的俯视图；

图7为本发明提供的被测螺栓轴向力标定时的示意图；

图8为本发明提供的惠斯通电桥的示意图；

图9为本发明提供的刻度盘的结构示意图；

图10为本发明提供的被测螺栓主视图和后视图的结构示意图；

图11为本发明提供的一种测试螺栓预紧力的控制方法的流程图；

图12为本发明提供的角度标定数据拟合图；

图13为本发明提供的轴向拉力标定数据拟合图。

附图中所列部件列表如下所示：

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现间接地测量螺栓预紧角度与预紧力之间的关系，从而达到测试螺栓预紧力的要求，方法简单，降低实验设备成本，参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明实施例提供了一种测试螺栓预紧力的装置，详见下文描述：

一种测试螺栓预紧力的装置，包括：第一连接板7，与第一连接板7平行设置的第二连接板8，第一连接板7与第二连接板8的顶部之间连接有中心带有通孔的第一支撑板6，第一支撑板6通过四组第一螺栓组件5固定于第一连接板7和第二连接板8之上，第一连接板7与第二连接板8的底部之间连接有带有凹槽和中心通孔的第二支撑板9，第二支撑板9通过四组第二螺栓组件10固定于第一连接板7和第二连接板8之上，第二支撑板9的凹槽中设置有与凹槽宽度相匹配的固定板11。

其中，固定板11的厚度与第二支撑板9的凹槽宽度相当，通过第二支撑板9阻止固定板11的转动，进而控制被测螺栓的转动，为此固定板11起到被连接件的作用，简便实用。

其中，在预紧过程中，为了避免因装置的变形导致的测试误差，本发明实施例中的装置的整体材料优选为刚性好的材料，同时适量加大第一连接板7、第二连接板8、第一支撑板6和第二支撑板9的厚度。例如：调质40Cr、调质65Mn等，其厚度应根据不同材料做调整，数值大小与要求的预紧程度相匹配。

一种测试螺栓预紧力的控制方法，参见图7、图8、图9、图10和图11，该方法包括以下步骤：

101：在被测螺栓上粘贴横向第一应变片1和竖向第二应变片2，并在其对称部位粘贴相应的横向第三应变片3和竖向第四应变片4；

其中，为了取得精度较高的预紧力值，本发明实施例优选在被测螺栓中部光滑部位粘贴横向第一应变片1和竖向第二应变片2，并在其对称部位粘贴横向第三应变片3和竖向第四应变片4。其中，两个竖向的应变片2、4为工作片，接入电桥的对臂：两个横向应变片1、3为温度补偿片，分别接入电桥剩余的对臂中。

102：横向第一应变片1和竖向第二应变片2串联连接，横向第三应变片3和竖向第四应变片4串联连接，两个串联支路并联连接；

参见图3，将横向第一应变片1、竖向第二应变片2、横向第三应变片3和竖向第四应变片4之间搭建图3所示的惠斯通电桥。惠斯通电桥适用与检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电桥来测量。而横向第一应变片1、竖向第二应变片2、横向第三应变片3和竖向第四应变片4组成的全桥电路相对于其他性质的桥路来说更稳定更可靠，而且能够实现自动补偿。由于所粘贴的四个应变片完全相同，比例常数为K，且应变分别为ε′₁，ε′₂，ε′₃，ε′₄，则

$e=\frac{1}{4}K({{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_2+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_4)E,$ ${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{1}{2(1+\mathrm{\μ})}e,$ 式中μ为泊松比。

103：贴好的被测螺栓穿过第一支撑板6和第二支撑板9固定设置在固定板11上，刻度盘14的空心孔套在被测螺栓头上，粘贴在第一支撑板6；

将装夹好的被测螺栓组件置于试验机上，夹紧第一连接板7与第二连接板8的侧面进行固定，便于后续预紧过程。

104：用扭矩扳手对被测螺栓进行预紧，并在刻度盘14的起始位置标示0°，以预设角度增量预紧，记录所得的预紧角度值α和第一电信号值ε₁；

其中，预设角度的取值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时本发明实施例对此不做限制。

105：通过数值拟合获取预紧角度值α与相对应的第一电信号值ε₁的关系；

其中，具体实现时将被测螺栓夹紧在试验机上时，应注意夹紧位置，预留足够的预紧扭矩扳手的活动空间，并且试验机施加的夹紧力要与预紧扭矩相匹配，避免危险。

106：将被测螺栓拆卸下来，将第一套筒12穿过四个应变片及其引出线套在被测螺栓的杆上，带内螺纹的第二套筒13旋入待测螺栓的螺纹部分，被测螺栓装夹在试验机上，第一套筒12和第二套筒13分别装夹在试验机的上下卡头处；

其中，将被测螺栓从测试螺栓预紧力的装置上拆卸下来时应注意保护四个应变片和引出线，搭建的电路不变。

107：对试验机以预设增量施加轴向拉力F，记录所施加轴向拉力F和第二电信号值ε₂；

其中，轴向拉力F就是所要求的被测螺栓预紧力。

108：通过数值拟合方法获取轴向拉力F与相对应的第二电信号值ε₂的关系；

109：根据预紧角度值α与相对应的第一电信号值ε₁的关系、轴向拉力F与相对应的第二电信号值ε₂的关系获取预紧角度值α和轴向拉力F的关系，以及被测螺栓预紧力的数值大小。

其中，由于第一电信号值ε₁和第二电信号值ε₂直接存在相关性，为此可以通过预紧角度值α与相对应的第一电信号值ε₁的关系、轴向拉力F与相对应的第二电信号值ε₂的关系获取预紧角度值α和轴向拉力F的关系，由于轴向拉力F就是所要求的被测螺栓预紧力，为此可以获取到被测螺栓预紧力的数值大小。

下面以一个具体的试验来验证本发明实施例提供的一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法的可行性，详见下文描述：

试验条件具体为：在初始预紧力矩50N.m的基础上旋转120°转角，专用工具材料40Cr，应变片电信号采集使用智能应变仪ZSY-16B，轴向力标定试验仪器为液压试验机，试验环境为室温20°。

步骤：首先将按要求贴好四个应变片，接好线的被测螺栓装入专用工具，装夹在试验机上，然后将线接入智能应变仪，用定力矩扳手按照预紧要求进行预紧，并记录数据。将角度标定试验完成后的被测螺栓拆卸，装夹在轴向力标定系统，以10KN的增量施加轴向力，直到电信号值与第一步骤中数值相当，完成试验，试验数据如下：

表1

表2

通过表1和表2中的实验数据可以获得到图12和图13，通过图12和图13中的两个关系，获取到在要求预紧方式下的预紧力为175KN，通过上述试验验证了该方法简单、省时以及提高了工作效率。

综上所述，本发明实施例提供了一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法，本发明实施例设计了测试螺栓预紧力的装置，并在该装置的基础上获取到预紧角度值α与相对应的第一电信号值ε₁的关系、轴向力F与相对应的第二电信号值ε₂的关系，进而得到预紧角度值α和轴向拉力F的关系，以及被测螺栓预紧力的数值大小，本发明实施例实现了间接地测量螺栓预紧角度与预紧力之间的关系，从而达到测试螺栓预紧力的要求，该方法简单，降低了实验设备成本，提高了工作效率。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测试螺栓预紧力的装置的控制方法，所述测试螺栓预紧力的装置包括：第一连接板，与所述第一连接板平行设置的第二连接板，所述第一连接板与所述第二连接板的顶部之间连接有中心带有通孔的第一支撑板，所述第一支撑板通过四组第一螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之上，所述第一连接板与所述第二连接板的底部之间连接有带有凹槽及中心通孔的第二支撑板，所述第二支撑板通过四组第二螺栓组件固定于所述第一连接板和所述第二连接板之下，所述第二支撑板的凹槽中设置有与所述凹槽宽度相匹配的固定板；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）在被测螺栓上粘贴横向第一应变片和竖向第二应变片，并在其对称部位粘贴相应的横向第三应变片和竖向第四应变片；

（2）所述横向第一应变片和所述竖向第二应变片串联连接，所述横向第三应变片和所述竖向第四应变片串联连接，两个串联支路并联连接；

（3）贴好的所述被测螺栓穿过所述第一支撑板和所述第二支撑板固定设置在所述固定板上，刻度盘的空心孔套在所述被测螺栓头上，粘贴在所述第一支撑板；

（4）用扭矩扳手对所述被测螺栓进行预紧，并在所述刻度盘的起始位置标示0°，以预设角度增量预紧，记录所得的预紧角度值α和第一电信号值ε₁；

（5）通过数值拟合获取所述预紧角度值α与相对应的所述第一电信号值ε₁的关系；

（6）将所述被测螺栓拆卸下来，将第一套筒穿过四个应变片及其引出线套在所述被测螺栓的杆上，带内螺纹的第二套筒旋入所述被测螺栓的螺纹部分，所述被测螺栓装夹在试验机上，所述第一套筒和所述第二套筒分别装夹在所述试验机的上下卡头处；

（7）对所述试验机以预设增量施加轴向拉力，记录所施加的轴向拉力和第二电信号值ε₂；

（8）通过数值拟合方法获取所述轴向拉力与相对应的所述第二电信号值ε₂的关系；

（9）根据所述预紧角度值α与相对应的所述第一电信号值ε₁的关系、所述轴向拉力与相对应的所述第二电信号值ε₂的关系获取所述预紧角度值α和所述轴向拉力的关系，以及所述被测螺栓预紧力的数值大小。

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