CN103277385A

CN103277385A - 一种定力矩高强螺栓、高强螺栓副及其使用方法

Info

Publication number: CN103277385A
Application number: CN2013102405690A
Authority: CN
Inventors: 岳文彦; 段二顺; 肖剑; 任淮辉; 曹建忠; 王红艳; 陶钢正
Original assignee: Longyuan Beijing Wind Power Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Longyuan Beijing Wind Power Engineering Design and Consultation Co Ltd; Longyuan Beijing Wind Power Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种定力矩高强螺栓，包括具有螺帽及螺杆的高强螺栓主体，所述高强螺栓主体的螺帽侧还设置有与螺帽连接的定力矩设计剪切破坏段，所述定力矩设计剪切破坏段上设置有用于与施力工具配合的配合部，且所述定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与所述高强螺栓主体所需的上紧力矩相等。本发明还公开一种包含上述定力矩高强螺栓的高强螺栓副及其使用方法，使用时，定力矩高强螺栓副将待连接的部件连接起来，夹紧螺母，旋拧配合部，直至定力矩设计剪切破坏段断裂。本发明通过当安装上紧力矩达到设定值时，螺栓特定部位发生破坏的方式进行螺栓上紧力矩的控制，控制精确、简单便捷。

Description

一种定力矩高强螺栓、高强螺栓副及其使用方法

技术领域

本发明涉及高强紧固件技术领域，具体地，涉及一种定力矩高强螺栓、高强螺栓副及其使用方法。

背景技术

目前，螺栓副连接是一种普遍且重要的连接方式。以风电机组为例，为了保证螺栓副安装后其预紧力对应的螺栓拉伸应力达到其设计值要求，在安装某一特定尺寸、性能等级的螺栓副时需要按照其相应计算得到的上紧力矩进行安装。目前，风电机组螺栓的上紧力矩是通过力矩扳手与力矩倍增器相结合的方式进行的控制的，通过力矩扳手设置的力矩值乘以力矩倍增器的倍数就是最终螺栓上紧的实际力矩值。然而，在目前的风电机组螺栓实际安装过程中，存在众多不确定因素会导致螺栓最终的上紧力矩控制不准确，甚至因误差过大而导致螺栓断裂引发风机故障。这些不确定因素包括：力矩扳手、力矩倍增器等器材自身存在误差，力矩扳手、力矩倍增器等工具由于使用磨损产生的配合误差，在工具器材校核过程中存在的不准确乃至某些现场还可能存在器材数值校核环节缺失的情况，施工人员对螺栓上紧力矩控制装置使用方法不当等等问题。风电机组螺栓的上紧力矩控制不准确，当存在螺栓预紧力矩不足或者过大时，会导致风机运行过程中各螺栓受力不均，从而使得载荷超过设计标准的螺栓首先发生断裂，进而诱发大规模的螺栓断裂事故。在风电机组中，螺栓副上紧力矩的准确控制需要更易用、更有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在高强螺栓安装过程中可方便、精确控制螺栓上紧力矩的定力矩高强螺栓及高强螺栓副。

本发明的另一个目的在于提供上述高强螺栓副的使用方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种定力矩高强螺栓，包括具有螺帽及螺杆的高强螺栓主体，所述高强螺栓主体的螺帽侧还设置有与螺帽连接的定力矩设计剪切破坏段，所述定力矩设计剪切破坏段上设置有用于与施力工具配合的配合部，且所述定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与所述高强螺栓主体所需的上紧力矩相等。

进一步地，所述定力矩设计剪切破坏段为圆柱结构，其直径根据其自身材料力学性能及高强螺栓主体所需的上紧力矩确定。

进一步地，所述定力矩高强螺栓为一体式结构，采用相同材质。

进一步地，所述配合部采用螺帽结构。

进一步地，所述螺杆由一体式的螺杆无螺纹部分及螺杆螺纹部分组成。

进一步地，所述定力矩设计剪切破坏段与高强螺栓主体的螺帽之间设置有剪切破坏的过渡段和/或所述定力矩设计剪切破坏段与配合部之间设置有剪切破坏的过渡段。

进一步地，述剪切破坏的过渡段为锥形结构，所述定力矩设计剪切破坏段为圆柱结构，所述锥形结构的最大直径大于圆柱结构的直径。

一种定力矩高强螺栓副，包括螺母，还包括上述的定力矩高强螺栓，所述高强螺栓的螺杆与螺母配合。

进一步地，所述定力矩高强螺栓副还包括与高强螺栓的螺杆配合的垫片。

上述定力矩高强螺栓副的使用方法为：用定力矩高强螺栓副将待连接的部件连接起来，夹紧螺母，旋拧配合部，直至定力矩设计剪切破坏段断裂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在现有的高强螺栓的基础上增加定力矩设计剪切破坏段，使定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与高强螺栓主体所需的上紧力矩相等，通过上述特定构造的设计，当安装上紧力矩达到设定值时，定力矩设计剪切破坏段会发生破坏性断裂，自行切断力矩传递。因此，即使实际施工中不使用力矩扳手等工具也可以方便、准确的控制高强螺栓的上紧力矩，能够保证高强螺栓的上紧力矩既不会不足也不会超力矩。

2、此外，将本发明的高强螺栓副与力矩扳手相结合，还可以在现场安装过程中，测量高强螺栓断裂时的实际上紧力矩值，由此值可以方便的计算出高强螺栓的屈服极限，从而又为判断现场安装中的高强螺栓其力学性能是否达标提供了可靠判据。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种定力矩高强螺栓的整体结构示意图；

图2为本发明一种定力矩高强螺栓副的使用状态图（45度俯视图）；

图3为本发明一种定力矩高强螺栓副的使用状态图（45度仰视视图）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种定力矩高强螺栓，其整体设计思路为：在现有的高强螺栓的螺帽侧设置有与螺帽连接的定力矩设计剪切破坏段，定力矩设计剪切破坏段上设置有用于与施力工具配合的配合部，且定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与高强螺栓主体所需的上紧力矩相等。其核心在于定力矩设计剪切破坏段的设计，只要满足定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与所述高强螺栓主体所需的上紧力矩相等即可，本领域技术人员可根据一般常识来对定力矩设计剪切破坏段的形状、尺寸等进行设计。

下面结合图1-3，来介绍一种优选的定力矩高强螺栓的结构，包括由底螺帽5、螺杆（螺杆无螺纹部分6及螺杆螺纹部分7一体式结构）组成的高强螺栓主体，底螺帽5还依次通过下锥形过渡段4、定力矩设计剪切破坏段3（采用圆柱结构）、上锥形过渡段2与顶螺帽1（即上述的与施力工具配合的配合部）连接。

高强螺栓安装时上紧力矩施加部位为顶螺帽1，顶螺帽1受到的转矩通过上锥形过渡段2传递至定力矩设计剪切破坏段3，定力矩设计剪切破坏段3的力矩通过下锥形过渡段4传递至底螺帽5，底螺帽5的力矩通过螺杆无螺纹部分6传递至螺杆螺纹部分7。其中，上锥形过渡段2及下锥形过渡段4起到断裂隔离、减弱应力集中、减小螺栓上紧扭转变形、传递力矩及控制剪切断裂破坏出现位置等作用，设计时，使锥形结构的最大直径大于圆柱结构的直径。定力矩设计剪切破坏段3就是设计的定力矩剪切破坏的发生位置区域。底螺帽5是螺栓对其紧固部件的预紧力及摩擦力的施力部位，并且在拆卸螺栓时通过此螺帽将扳手的力矩传递至螺栓上。螺杆无螺纹部分6起到传递轴力和转矩的作用，螺杆螺纹部分7起到与螺母安装配合的作用。

由顶螺帽1至螺杆螺纹部分7为相同成分的一整块材质所制，具有相同的材料成分和力学性能。通过对上锥形过渡段2、定力矩设计剪切破坏段3、下锥形过渡段4三个部分的尺寸进行特别的计算来控制所需的上紧力矩，其余部分的外形尺寸参照相关的紧固件件标准进行设定。

其中，定力矩设计剪切破坏段3的直径可根据其自身材料力学性能及高强螺栓主体所需的上紧力矩确定。具体为：通过螺栓选用的材料力学性能参数、螺栓的性能等级可以得到螺栓的拉伸极限及屈服极限[σ]。

通过公式1：[τ]=k[σ]，其中[τ]为材料剪切极限、k为屈服-剪切折算系数、[σ]为材料屈服极限，可以由其屈服极限[σ]和屈服-剪切折算系数k计算此材料性能对应的螺栓破坏需要的剪切极限值[τ]，其中屈服-剪切折算系数k可以通过材料牌号得到。

通过公式2：

其中τ_max为材料达到剪切破坏时的应力值与[τ]相等、M_nmax为材料达到剪切破坏时需要的上紧力矩值、W_n为截面的抗扭截面模量，可以由计算得到的材料剪切破坏时的应力值τ_max及螺栓组需要的上紧力矩M_nmax计算得到设计剪切破坏段截面的抗扭截面模量W_n。

通过公式3：

其中W_n为截面的抗扭截面模量、Pi为圆周率、D为设计剪切破坏段的截面直径，可以由截面的抗扭截面模量W_n计算得到设计需要的上紧力矩M_nmax时设计剪切破坏段刚好发生剪切破坏所需要的截面直径D。最终通过截面直径D控制上紧力矩值M_nmax。

在制造螺栓时按照设计的定力矩设计剪切破坏段3的直径D进行加工，安装时通过顶螺帽1上紧，如此便可通过上紧过程中定力矩设计剪切破坏段3的断裂来控制螺栓的上紧力矩，如果上紧力矩未达到要求值则定力矩设计剪切破坏段3不会发生断裂，如果上紧力矩已经到达要求则会断裂因而不会导致螺栓上紧过力矩过大的情况。

上述定力矩高强螺栓还可以与螺母、垫片配合，形成定力矩高强螺栓副。

下面以紧固风电机组法兰为例，来说明上述定力矩高强螺栓副的使用方法，配合参见图2、3所示：

先用定力矩高强螺栓与螺母8、下垫片9、上垫片12将下法兰10、上法兰11连接起来，将螺母8夹紧，用普通扳手旋拧顶螺帽1，直至定力矩设计剪切破坏段3断裂，再将断裂的部分（含顶螺帽1、上锥形过渡段2、定力矩设计剪切破坏段3）清理即可。

即在上紧本发明高强螺栓副时，只需用普通扳手在顶螺帽1处施加力矩将定力矩设计剪切破坏段3拧断，即可方便、准确的控制螺栓的上紧力矩。同时在本发明安装过程中，可以通过测量定力矩设计剪切破坏段3发生断裂时的力矩来计算螺栓的扭断强度，得到的扭断强度也可以作为一种在现场检验螺栓是否合格的方法。

在拆卸过程中通过扳手等工具对底螺帽5施加拧松力即可，过程与普通螺栓拧松过程无异。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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

1.一种定力矩高强螺栓，包括具有螺帽及螺杆的高强螺栓主体，其特征在于，所述高强螺栓主体的螺帽侧还设置有与螺帽连接的定力矩设计剪切破坏段，所述定力矩设计剪切破坏段上设置有用于与施力工具配合的配合部，且所述定力矩设计剪切破坏段发生断裂时的上紧力矩与所述高强螺栓主体所需的上紧力矩相等。

2.根据权利要求1所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述定力矩设计剪切破坏段为圆柱结构，其直径根据其自身材料力学性能及高强螺栓主体所需的上紧力矩确定。

3.根据权利要求1所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述定力矩高强螺栓为一体式结构，采用相同材质。

4.根据权利要求1所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述配合部采用螺帽结构。

5.根据权利要求1所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述螺杆由一体式的螺杆无螺纹部分及螺杆螺纹部分组成。

6.根据权利要求1-5任一项所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述定力矩设计剪切破坏段与高强螺栓主体的螺帽之间设置有剪切破坏的过渡段和/或所述定力矩设计剪切破坏段与配合部之间设置有剪切破坏的过渡段。

7.根据权利要求6所述的定力矩高强螺栓，其特征在于，所述剪切破坏的过渡段为锥形结构，所述定力矩设计剪切破坏段为圆柱结构，所述锥形结构的最大直径大于圆柱结构的直径。

8.一种定力矩高强螺栓副，包括螺母，其特征在于，还包括权利要求1-7任一项所述的定力矩高强螺栓，所述高强螺栓的螺杆与螺母配合。

9.根据权利要求8所述的定力矩高强螺栓副，其特征在于，还包括与高强螺栓的螺杆配合的垫片。

10.一种定力矩高强螺栓副的使用方法，其特征在于，采用权利要求8或9所述的定力矩高强螺栓副将待连接的部件连接起来，夹紧螺母，旋拧配合部，直至定力矩设计剪切破坏段断裂。