CN102589784B - 螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置 - Google Patents
螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，包括扭矩传感器、扭矩传感器支座、三爪卡盘、右置物台、右夹具、左夹具、长螺杆、限位块、左置物台、夹具座、支撑座、光滑导轨、双头螺杆、手轮、压板、压力传感器、链条、链轮、螺母、固定压板螺栓；使用本发明能有效模拟螺纹紧固件的装配连接，包括不同长度的螺栓和不同厚度的被连接件，且受螺栓结构影响小，试验操作方便。本发明具备同步测量安装力矩和预紧力的功能，为获取力矩和预紧力之间的关系(扭拉关系)提供了试验条件。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系测试技术领域，具体涉及一种螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置。
背景技术
螺纹紧固件装配时，施加的装配力矩在螺栓上会产生相应的拉力(即预紧力)，这种装配力矩和预紧力之间的对应关系通常称为扭拉关系。预紧力是螺纹紧固连接结构设计的关键指标，但由于实际装配中的预紧力难以直接测量，需要利用扭拉关系将设计提出的预紧力指标转化成装配力矩值，通过装配力矩控制间接实现预紧力控制。
扭拉关系试验是模拟螺纹紧固连接实际装配条件，测量装配过程中施加的装配力矩及其在螺栓上对应产生的拉力(即预紧力)，进而获取该装配条件下装配力矩和预紧力之间关系(即扭拉关系)的一种试验形式。
目前，扭拉关系测试方法主要有应变片法、超声波测量法、扭拉传感器测量法等。
其中，应变片法，在GJB715.15中给出了测试原理，是采用专用试验套筒和应变片，套筒用于安装螺纹紧固件，应变片用于测量产生的预紧力。这种方法结构上来看比较简单，测试精度理论上也比较高，但在实际使用中存在以下问题：
(1)需要针对试验螺栓的螺纹直径和螺杆长度专门定制试验套筒
由于是模拟装配，试验螺栓与试验套筒在直径、长度方面需要一一对应，这就需要针对试验螺栓的螺纹直径和螺杆长度专门定制试验套筒。这不仅增加了试验周期，也难以适应工程上螺栓的直径和长度组合众多的实际情况。
(2)预紧力测量精度受应变片粘贴质量、套筒表面质量等影响
由于需要在套筒上粘贴应变片，应变片的粘贴效果直接影响到预紧力的测量结果，这一方面取决于操作人员的经验和水平，另一方面也受到套筒表面质量的影响。
总的来说，该方法主要适用于实验室的实验研究，不适合工程化应用。
对于超声波法，其原理是测量螺栓安装过程中的伸长量并换算成预紧力。该方法测试精度高，但缺点是对试验螺栓的结构和加工制造有专门的要求，只适用于特定类型的螺栓。
至于扭拉传感器测量法，其测量的关键在于扭拉一体传感器，这种传感器技术在国内还没有，目前国外只有德国和美国有基于这种传感器的扭拉试验设备，采购成本很高。
发明内容
本发明提供一种螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，解决螺纹紧固连接装配仿真、装配过程的力矩和预紧力同步测量问题。
本发明的技术方案为：
该装置包括扭矩传感器、扭矩传感器支座、三爪卡盘、右置物台、右夹具、左夹具、长螺杆、限位块、左置物台、夹具座、支撑座、光滑导轨、双头螺杆、手轮、压板、压力传感器、链条、链轮、固定压板螺栓；
其中左夹具与右夹具均为圆盘形状，圆盘的两侧铣平，在圆盘顶端设有提手；其中右夹具中心开有光孔，与扭矩传感器邻近的端面从中心通孔向外铣成圆形阶梯，另一端面的边沿铣出凸台；该夹具用于放置对应螺纹直径的螺栓，通孔厚度与通孔直径相等；左夹具在圆盘一面开有六角沉孔或圆孔，另一面开有光孔用于穿过螺栓的杆部，光孔厚度与通孔直径相等，在开有圆孔的端面边沿铣出凸台；
右置物台为中心部位开有凸字型槽的方形台，凸字型槽的底端为圆弧形，与右夹具配合使用，在凸字型槽的两侧对称开有两个螺杆孔；
左置物台为方形台，开有对称的四个光孔，光孔的两侧开有对称的两个螺杆孔；
夹具座为中心部位开有凸字型槽的长方体，凸字型槽的底端为圆弧形；
其整体连接关系为：左置物台和右置物台通过导轨架放置在水平导轨上；扭矩传感器支座位于右置物台外侧，扭矩传感器放置在扭矩传感器支座上，三爪卡盘固定在扭矩传感器上；
左置物台的内侧面上对称布置有4个支撑座，每个支撑座上均安装滚动轴承，夹具座放置在支撑座上，滚动轴承限制夹具座在竖直方向上的运动同时保证夹具座在水平方向上的位移为滚动摩擦；
压力传感器通过螺栓固定在左置物台上且置于压板与左置物台之间，压板通过2个固定压板螺栓安装于压力传感器上，压板还开有4个光孔；四根双头螺杆穿过压板光孔和左置物台的光孔，旋入夹具座；
两个长螺杆一端与链轮连接，另一端分别穿过左置物台与右置物台后与右置物台的内侧面固定，两个长螺杆上的链轮上安装链条、手轮通过驱动链轮和链条组成链传动机构使左置物台和右置物台沿导轨同步滑动。
该装置进一步包括螺栓头夹具，螺栓头夹具包括螺栓头为标准的六角形状或将六角过渡成弧形的六角形状，且螺栓头夹具与左夹具的六角沉孔或圆孔分别对应，当螺栓规格为M12以下时，螺栓头夹具采用标准的六角形状，与左夹具的六角沉孔配合使用；当螺栓规格为M12以上时，螺栓头夹具采用六角过渡成弧形的六角形状，与左夹具的圆形沉孔配合使用，并用紧定螺钉贯穿左夹具并顶住螺栓头夹具的一个六角边，实现固定。
所述螺杆采用具有自锁性能的螺纹。
该装置进一步包括限位块，固定在机体台面前端上。
该装置测试螺栓规格为M2至M22。
右置物台进一步设置有挡板，挡板方向与右置物台(4)的端面垂直。
有益效果：
1.本发明能有效模拟螺纹紧固件的装配连接，包括不同长度的螺栓和不同厚度的被连接件，且受螺栓结构影响小，试验操作方便。
2.本发明具备同步测量安装力矩和预紧力的功能，为获取力矩和预紧力之间的关系(扭拉关系)提供了试验条件。
3.本发明采用更换夹具的方式解决不同结构形式(螺栓头型、螺纹直径等)的装配固定问题，且夹具形式简单，更换方便，便于制造，有效增强了装置的适用性。
4.本发明设计了预紧力传递结构，采用了内置轴承的支承座，平衡了相关结构自身重力，当夹具座有相对移动的趋势时，由静摩擦转换为轴承的滚动摩擦，测量精度高。
附图说明
图1为该装置示意图1；
图2为该装置示意图2；
图3为右夹具右视图；
图4为右夹具左视图；
图5为左夹具右视图；
图6为左夹具左视图；
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的设计思路为
(1)设计螺纹紧固连接装配仿真结构
a.实际装配时，螺纹紧固件是要将两个独立的被连接件连接固定。本发明采用分体式结构，设计两个置物台，用于放置模拟被连接件的夹具。
b.两个置物台之间采取螺杆连接，便于调节置物台之间的位置，以满足不同螺栓长度、被连接件厚度的实验仿真需求。
c.两个置物台置于光滑导轨之上，便于移动以及加载扭矩。
d.设计螺纹紧固连接用夹具。
(2)设计力值传递结构，将作用在螺栓上的预紧力传递到便于测量的结构形式上
螺栓预紧力即为压紧被连接件的力，以被连接件为研究对象，在被连接件上附加设计刚性连接结构，将被连接件受到的预紧力传递出来。
下面对本发明的技术方案进行具体描述：
该装置包括扭矩传感器1、扭矩传感器支座2、三爪卡盘3、右置物台4、右夹具5、左夹具6、长螺杆7、限位块8、左置物台9、夹具座10、支撑座11、光滑导轨12、双头螺杆13、手轮14、压板15、压力传感器16、链条17、链轮18、螺母19、固定压板螺栓20；
其中右夹具5为中心开有光孔的圆盘，与扭矩传感器1邻近的端面从中心通孔向外铣成圆形阶梯，另一端面的边沿铣出凸台，圆盘的两侧铣平，用于夹具定位，在圆盘顶端加工螺纹孔，用于置入提手；该夹具用于放置对应螺纹直径的螺栓，通孔厚度一般与通孔直径相等。
右置物台4为中心部位开有凸字型槽的方形台，凸字型槽的底端为圆弧形，与右夹具5配合使用，在凸字型槽的两侧对称开有两个螺杆孔；
左夹具6为圆盘形状，圆盘中心一面开有六角沉孔或圆孔，用于置放固定螺栓头的夹具(圆孔中的螺栓头夹具采用紧定螺钉固定)，另一面开有光孔用于穿过螺栓的杆部，光孔厚度一般与通孔直径相等，在开有圆孔的端面边沿铣出凸台，用于夹具定位，在圆盘顶端加工螺纹孔，用于置放提手；
夹具座10为中心部位开有凸字型槽的长方体，凸字型槽的底端为圆弧形，；左置物台9为方形台，开有对称的四个光孔，光孔的两侧开有对称的两个螺杆孔；
支撑座11每个均内置轴承，4个支撑座11对称安装在左置物台9上，夹具座10放置在支撑座11上，且与轴承的外表圈滚动配合；
压力传感器16通过螺栓固定在左置物台9上且置于压板15与左置物台9之间，压板15通过2个固定压板螺栓20安装于压力传感器上，压板15开有4个光孔。四根双头螺杆13一端穿过压板15光孔和左置物台9的光孔，旋入夹具座10；
将左置物台9和右置物台4通过导轨架放置在光滑导轨12上，用于实现置物台的水平移动，实现对装配过程中因拧紧变形产生相对位移的模拟。
两个长螺杆7一端与链轮18连接，另一端分别穿过左置物台9与右置物台4，两个直径与齿数相等的链轮18与链条17、手轮14组成链传动机构；采用螺杆连接供两个置物台，保证置物台之间的距离可调，以适应不同长度的试验螺栓；螺杆采用具有自锁性能的螺纹，确保两个置物台在试验过程中不发生相对移动；旋转手轮，驱动链传动机构，进而使两个螺杆同步旋转，实现置物台之间距离的调节，调节好后，螺杆另一端用螺母19拧紧，确保螺杆不会发生轴向位移且使压板与力传感器贴合。
扭矩传感器1放置在扭矩传感器支座2上，用于连接动力输出系统，同时起到扭矩输出和测量的作用。三爪卡盘3固定在扭矩传感器1上，用于装夹螺母或扳拧套筒；扭矩传感器与两个夹具光孔保证良好的同轴度。
使用该装置时，将要测量的螺栓穿过左夹具6和右夹具5，并在右夹具5那端拧上螺母，使用三爪卡盘3拧动螺母，从扭矩传感器1得到扭矩输出，从压力传感器16得到力的输出，进而得到扭矩和力的关系：
限位块8固定在机体台面上，防止置物台在光滑导轨上移动时脱落。
该装置进一步设计了螺栓头夹具，用于防止试验过程中螺栓转动。螺栓头夹具有2种形式，包括螺栓头为标准的六角形状或将六角过渡成弧形的六角形状，且螺栓头夹具与左夹具6的六角沉孔或圆形沉孔分别对应。当螺栓规格为M12以下时，螺栓头夹具采用标准的六角形状，与左夹具6的六角沉孔配合使用；当螺栓规格为M12以上时，螺栓头夹具采用六角过渡成弧形的六角形状，与左夹具6的圆形沉孔配合使用，并用紧定螺钉贯穿左夹具6并顶住螺栓头夹具的一个六角边，实现固定，这种面接触的方式可有效降低螺栓头夹具和左夹具之间的应力集中。
右置物台4还可设置有挡板，防止测试时螺栓断裂进溅，保证试验人员安全。
该装置测试螺栓规格为M2至M22，夹具材料的选取与热处理根据特定直径规格下最高抗拉强度材料的拉断力作为参考依据。
如M10的GH4169螺栓和GH2132螺母的扭拉实验部分数据，力(KN)依次为：
11.70，12.60，13.78，15.91，17.05，18.05，20.47，21.80，22.89，25.37，26.56，27.92，30.35；
相对应的力矩(Nm)依次为：
20.17，22.38，24.46，27.87，30.61，33.26，36.22，39.03，42.02，46.21，48.99，51.68，55.44；
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)
1.一种螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，该装置包括扭矩传感器（1）、扭矩传感器支座（2）、三爪卡盘（3）、右置物台（4）、右夹具（5）、左夹具（6）、长螺杆（7）、限位块（8）、左置物台（9）、夹具座（10）、支撑座（11）、光滑导轨（12）、双头螺杆（13）、手轮（14）、压板（15）、压力传感器（16）、链条（17）、链轮（18）、固定压板螺栓（20）；
其中左夹具（6）与右夹具（5）均为圆盘形状，圆盘的两侧铣平，在圆盘顶端设有提手；其中右夹具（5）中心开有光孔，与扭矩传感器（1）邻近的端面从中心通孔向外铣成圆形阶梯，另一端面的边沿铣出凸台；右夹具（5）用于放置对应螺纹直径的螺栓，通孔厚度与通孔直径相等；左夹具（6）在圆盘一面开有六角沉孔或圆孔，另一面开有光孔用于穿过螺栓的杆部，光孔厚度与通孔直径相等，在开有圆孔的端面边沿铣出凸台；
右置物台（4）为中心部位开有凸字型槽的方形台，凸字型槽的底端为圆弧形，与右夹具（5）配合使用；
左置物台（9）为方形台，开有对称的四个光孔；
夹具座（10）为中心部位开有凸字型槽的长方体，凸字型槽的底端为圆弧形；
其整体连接关系为：左置物台（9）和右置物台（4）通过导轨架放置在光滑导轨（12）上；扭矩传感器支座（2）位于右置物台（4）外侧，扭矩传感器（1）放置在扭矩传感器支座（2）上，三爪卡盘（3）固定在扭矩传感器（1）上；
左置物台（9）的内侧面上设置有4个支撑座（11），支撑座（11）上均安装滚动轴承，夹具座（10）放置在支撑座（11）上，滚动轴承限制夹具座（10）在竖直方向上的运动同时保证夹具座（10）在水平方向上的位移为滚动摩擦；
压力传感器（16）通过螺栓固定在左置物台（9）上且置于压板（15）与左置物台（9）之间，压板（15）通过2个固定压板螺栓（20）安装于压力传感器上，压板（15）还开有4个光孔；四根双头螺杆（13）穿过压板（15）光孔和左置物台（9）的光孔，旋入夹具座（10）；
两个长螺杆（7）一端与链轮（18）连接，另一端分别穿过左置物台（9）与右置物台（4）后与右置物台（4）的内侧面固定，两个长螺杆（7）上的链轮（18）上安装链条（17）、手轮（14）通过驱动链轮（18）和链条（17）组成链传动机构使左置物台（9）和右置物台（4）沿导轨同步滑动。
2.如权利要求1所述的螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，该装置进一步包括螺栓头夹具，螺栓头夹具包括螺栓头为标准的六角形状或将六角过渡成弧形的六角形状，且螺栓头夹具与左夹具（6）的六角沉孔或圆孔分别对应，当螺栓规格为M12以下时，螺栓头夹具采用标准的六角形状，与左夹具（6）的六角沉孔配合使用；当螺栓规格为M12以上时，螺栓头夹具采用六角过渡成弧形的六角形状，与左夹具（6）的圆形沉孔配合使用，并用紧定螺钉贯穿左夹具（6）并顶住螺栓头夹具的一个六角边，实现固定。
3.如权利要求1所述的螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，所述长螺杆（7）采用具有自锁性能的螺纹。
4.如权利要求1所述的螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，该装置进一步包括限位块（8），固定在机体台面前端上。
5.如权利要求1所述的螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，该装置测试螺栓规格为M2至M22。
6.如权利要求1所述的螺纹紧固连接预紧力与扭矩关系试验测试装置，其特征在于，右置物台(4)进一步设置有挡板，挡板方向与右置物台(4)的端面垂直。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130918 Termination date: 20140104 |