CN103364129B - 一种螺纹紧固件轴力测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺纹紧固件轴力测量方法，模拟螺纹紧固件连接联接件和被联接件的实际使用过程，获取联接件和被联接件的结合面之间的接触压力，并根据接触压力确定螺纹紧固件的轴力。螺纹紧固件轴力的部分作用效果，是由联接件和被联接件的结合面间的接触压力来体现，本发明利用上述特点，通过获取接触压力来间接确定螺纹紧固件轴力。显然，与现有的测量方法相比，本发明所提供的测量方法中螺纹紧固件轴力由其作用效果来间接获得，测量精度不受螺纹紧固件弹性变形和塑性变形的影响，因此，在测量精度方面本发明所提供的测量方法明显优于现有的两种测量方法。在此基础上，本发明还公开了一种螺纹紧固件轴力测量装置。

Description

一种螺纹紧固件轴力测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及螺纹紧固件轴力测量技术领域，具体涉及一种螺纹紧固件轴力测量方法及其测量装置。

背景技术

螺栓设计时，首先必须根据使用工况和要求确定螺栓所需要的轴向预紧力(轴力)，以满足联接使用要求；在螺栓实际装配过程中，通常对螺栓施加一定的扭矩，以便使得螺栓轴力达到设计要求。

在螺栓联接的真实工况下，由于螺栓受到外载荷作用时，容易出现松弛、甚至松脱现象，在该过程中螺栓轴力衰减。螺栓轴力衰减是影响机械可靠性的重要原因。随着科技水平的发展，可靠性设计在设计阶段的重要性越发凸显，因此，研究螺栓轴力衰减规律成为可靠性研究重要的一方面。

关于螺栓轴力的测量，目前有应变测量、超声波测量等间接测量方法。

超声波测量方式，是通过测量一定速度下，声波发射和接收时间的变化量，来获得螺栓伸长量再由螺栓伸长量通过应力应变公式计算螺栓轴力。同理，应变测量，是通过粘贴于螺栓杆部的应变片的变形量，计算螺栓伸长量，再由螺栓伸长量通过应力应变公式计算螺栓轴力。

显然，上述两种测量螺栓轴力的方法均利用弹性范围内，螺栓轴力与螺栓伸长量成正比的关系进行检测跟踪螺栓轴力，适合在螺栓弹性阶段测量，但是，当螺栓发生塑性变形时，存在测量精度低的问题，无法获得螺栓轴力的真实值。

有鉴于此，本领域技术人员亟待提供一种螺纹紧固件轴力测量方法，以精确测量螺纹紧固件在弹/塑性范围内的轴力。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种螺纹紧固件轴力测量方法和测量装置，以精确测量螺纹紧固件在弹/塑性范围内的轴力，从而为螺纹联接可靠性设计的理论研究提供数据支持，进而指导设计和装配工艺向精确控制方向发展。

本发明所提供的一种螺纹紧固件轴力测量方法，模拟螺纹紧固件连接联接件和被联接件的实际使用过程，获取所述联接件和所述被联接件的结合面之间的接触压力，并根据所述接触压力确定所述螺纹紧固件的轴力；

所述使用过程包括正常紧固、正常拆卸和/或在动载荷作用下螺纹紧固件轴力松弛的过程。

优选地，采用柔性薄膜网格状触觉压力传感器获取所述接触压力。

优选地，所述螺纹紧固件轴力等于所述接触压力的面积分。

优选地，实时根据所述接触压力确定所述螺纹紧固件的轴力，并以图表形式显示。

本发明还提供一种螺纹紧固件轴力测量装置，包括：

测量专用工装，包括用于模拟螺纹紧固件实际使用过程的联接件和被联接件；数据采集单元，用于获取所述联接件和所述被联接件的结合面之间的接触压力；

数据处理单元，用于根据所述接触压力确定螺纹紧固件轴力；和

输出单元，用于输出所述螺纹紧固件轴力值；

所述使用过程包括正常紧固、正常拆卸或/和在动载荷作用下的螺纹紧固件轴力的松弛过程。

优选地，所述数据采集单元具体包括设置于所述联接件和被联接件的柔性薄膜网格状触觉压力传感器和数据采集器，所述数据采集器的信号接收端和所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器的信号输出端连接。

优选地，所述测量专用工装包括底座、活动件和设置于所述底座以限定所述活动件相对于所述底座转动自由度的止动件；所述底座和所述活动件，用于模拟所述螺纹紧固件实际使用过程中的所述联接件和所述被联接件；所述螺纹紧固件的螺杆穿过所述活动件与所述底座形成螺纹副，所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器设置于所述底座和所述活动件之间。

优选地，所述活动件和所述止动件通过至少一对相适配的限位槽和限位块配合，所述限位槽和所述限位块中的一者置于所述活动件，另一者置于所述止动件。

优选地，所述底座和所述止动件通过相适配的撑脚凸台和撑脚槽配合，以限定所述止动件相对于所述底座的转动自由度和垂直于轴力方向的平动自由度；所述撑脚凸台和所述撑脚槽中的一者置于所述底座，另一者置于所述止动件。

优选地，所述底座具有与所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器的形状相适配的定位槽，所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器置于所述定位槽内。

优选地，所述测量专用工装还包括激振器，所述激振器可拆卸的连接于所述活动件以模拟所述螺纹紧固件在交变载荷下轴力的衰减过程。

相对于上述背景技术，本发明所提供的螺纹紧固件轴力测量方法，模拟螺纹紧固件连接联接件和被联接件的实际使用过程，获取联接件和被联接件的结合面之间的接触压力，并根据接触压力确定螺纹紧固件的轴力；螺纹紧固件的使用过程包括正常紧固、正常拆卸或/和在动载荷作用下螺纹紧固件轴力松弛的过程。

螺纹紧固件轴力的部分作用效果，是由联接件和被联接件的结合面间的接触压力来体现，本发明利用螺纹联接的上述特点，通过获取接触压力来间接确定螺纹紧固件轴力。

显然，与现有的应变测量法和超声波测量法相比，本发明所提供的测量方法中螺纹紧固件轴力由其作用效果来间接获得，测量精度不受螺纹紧固件弹性变形和塑性变形的影响，因此，在测量精度方面本发明所提供的测量方法明显优于现有的两种测量方法。

此外，本方案通过模拟螺纹紧固件的实际使用过程，在此状态下可研究螺纹紧固件正常紧固、正常拆卸或者在外载荷作用下螺栓轴力的衰减过程中，从而为螺纹联接可靠性研究提供充足的数据支持。与此同时，可研究使用不同螺栓拧紧工具如扭力扳手、自动拧紧机、风动扳手或电动扳手时，螺栓轴力与工具设定的扭矩之间的关系，以指导设计和装配工艺向精确控制方向发展。

本发明所提供的螺纹紧固件轴力测量方法的一优选方案中，采用柔性薄膜网格状触觉压力传感器获取接触压力。柔性薄膜网格状触觉压力传感器不仅厚度小、柔性好，而且可提供高精度的压力面分布，从而进一步的提高了螺纹紧固件轴力测量装置的测量精度。

附图说明

图1示出了具体实施方式所述螺纹紧固件轴力测量方法的流程框图。

图2示出了具体实施方式所述螺纹紧固件轴力测量装置的结构示意图；

图3示出了图2中所示测量专用工装与螺纹紧固件装配后的剖视示意图；

图4示出了图2中柔性薄膜网格状触觉压力传感器感应区的示意图；

图5示出了图2中所示螺纹紧固件轴力测量装置的测量专用工装的结构示意图；

图6示出了图4中所示测量专用工装的爆炸结构示意图；

图7示出了图3中所示测量专用工装的底座的结构示意图；

图8示出了图3中所示测量专用工装的活动件的结构示意图；

图9示出了图3中所示测量专用工装的限位件的结构示意图。

图中：

1测量专用工作、11底座、111螺纹孔、112定位槽、113撑脚槽、12活动件、121通孔、122限位块、123激振器连接部、13止动件、131限位槽、132撑脚凸台、133手柄、2数据采集单元、21柔性薄膜网格状触觉压力传感器、3计算机、4螺栓。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种螺纹紧固件轴力测量方法和测量装置，以精确测量螺纹紧固件在弹/塑性范围内的轴力，从而为螺纹联接可靠性设计的理论研究提供数据支持，进而指导设计和装配工艺向精确控制方向发展。

不失一般性，下面结合说明书附图，以测量在实际使用过程中螺栓轴力为例，来说明本发明所提供的螺纹紧固件测量方法和测量装置的具体实施方式。

请参见图1，图1示出了具体实施方式所述螺纹紧固件轴力测量方法的流程框图。

如图1所示，本方案所提供的螺纹紧固件轴力测量方法，包括下述测量步骤：

S10)模拟螺栓连接联接件和被联接件的实际使用过程，螺栓的实际使用过程包括正常紧固、正常拆卸或/和在动载荷作用下螺栓轴力松弛的过程；

S20)获取联接件和被联接件的结合面间的接触压力；

S30)根据接触压力确定螺栓轴力。一方面可以输出某一特定时刻的螺栓轴力值，也可以实时根据接触压力确定螺栓轴力，并以图表形式显示，例如，即时获取螺栓轴力值、螺栓轴力衰减曲线。

螺纹紧固件轴力的部分作用效果，是由联接件和被联接件的结合面间的接触压力来体现，本发明利用螺纹联接的上述特点，通过获取接触压力来间接确定螺纹紧固件轴力。

显然，与现有的应变测量法和超声波测量法相比，本发明所提供的测量方法中螺纹紧固件轴力由其作用效果来间接获得，测量精度不受螺纹紧固件弹性变形和塑性变形的影响，因此，在测量精度方面本发明所提供的测量方法明显优于现有的两种测量方法。

此外，本方案通过模拟螺纹紧固件的实际使用过程，可研究螺纹紧固件正常紧固、正常拆卸或者在外载荷作用下螺栓轴力的衰减过程中，从而为螺纹联接可靠性研究提供充足的数据支持。与此同时，可研究使用不同螺栓拧紧工具如扭力扳手、自动拧紧机、风动扳手或电动扳手时，螺栓轴力与工具设定的扭矩之间的关系，以指导设计和装配工艺向精确控制方向发展。

进一步，本方案中螺纹紧固件测量方法中，采用柔性薄膜网格状触觉压力传感器获取联接件和被联接件的结合面间的接触压力。利用柔性薄膜网格状触觉压力传感器不仅厚度小、柔性好可适用于任何结合面，而且可提供高精度的压力面分布，从而进一步的提高了螺纹紧固件轴力测量方法的测量精度。

除上述螺纹紧固件轴力测量方法外，本发明还提供一种螺纹紧固件轴力测量装置，现以测量螺栓轴力为例来说明本发明所提供的螺纹紧固件轴力测量装置的具体结构，其有益效果与测量方法部分相同，故测量装置部分不再赘述。

请参见图2，图2示出了具体实施方式所述螺纹紧固件轴力测量装置的结构示意图。

如图2所示，本方案所提供的紧固件轴力测量装置，包括测量专用工装1、数据采集单元2、控制单元和输出单元；其中，测量专用工装1包括用于模拟螺栓4连接联接件和被联接件的实际使用过程的底座11和活动件12；数据采集单元2，用于获取联接件和被联接件的结合面之间的接触压力；数据处理单元，用于根据所述接触压力确定螺纹紧固件轴力；输出单元，用于输出所述螺纹紧固件轴力值。螺栓的实际使用过程包括正常紧固、正常拆卸或/和在动载荷作用下螺栓轴力松弛的过程。本方案中的数据处理单元和输出单元均通过计算机3实现。

需要说明的是，本方案采用测量专用工装模拟螺栓的实际使用过程，可以理解，本方案所提供的测量方法亦可在真实的联接件和被联接件上实施。

为了便于理解螺纹紧固件轴力测量装置的测量原理，下面结合图3和图5来说明测量专用工装1的具体结构，其中，图3示出了图2中所示测量专用工装与螺纹紧固件装配后的剖视示意图，图5示出了图2中所示螺纹紧固件轴力测量装置的测量专用工装的结构示意图。

测量专用工装1包括底座11、活动件12和止动件13；其中，活动件12开设有可供螺栓4的螺杆通过的通孔121，底座11加工有与螺栓4相适配的螺纹孔111。测量螺栓轴力过程中，螺栓4穿过活动件12与底座11形成螺纹副，止动件13设置于底座11，以限定活动件12相对于底座11的转动自由度。

需要说明的是，本方案中数据采集单元2包括柔性薄膜网格状触觉压力传感器21和数据采集器22，柔性薄膜网格状触觉压力传感器具有厚度小、柔性好以及灵敏度高的特点，本方案中柔性薄膜网格状触觉压力传感器设置于底座11和活动件12之间。

显然，采用柔性薄膜网格状触觉压力传感器测量接触压力，可精确获取底座11和活动件12的结合面之间的接触压力。柔性薄膜网格状触觉压力传感器为成熟的现有技术，故本文在此不再赘述其结构及工作原理。当然，在满足测量精度以及加工工艺要求的基础上，本方案中亦采用其他结构的压阻式压力传感器或者普通压力传感器，来获取接触压力。

现结合图4，以在测量专用工装测量螺栓轴力为例，来说明底座11和活动件12结合面间接触压力与螺栓轴力的函数关系，图4示出了图2中柔性薄膜网格状触觉压力传感器感应区的示意图： $F={\∫}_{r0}^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{r0}^{r1}P(r,\mathrm{\θ})\mathrm{rdrd\θ}$     公式(1)

其中，P(r，θ)为感应片上检测出的在(r，θ)位置处的接触压力值。

需要说明的是，本方案中的柔性薄膜网格状触觉压力传感器的具体形状为与活动件12和底座11相适配的环形，故而采用公式(1)计算螺栓轴力。在满足螺纹紧固件轴力等于接触压力的面积分关系的基础上，根据联接件和被联接件的结合面的实际形状，可通过相应的面积分公式计算相应的螺栓轴力。因此，本方案中的测量方法的计算公式不仅限于上述公式(1)。

进一步，本方案中的止动件13具有4个呈方形设置的撑脚凸台132，每个撑脚凸台132嵌入开设于底座11相应位置处的撑脚槽113内，这样，止动件13可仅由底座11指向活动件12方向移动，限制了其相对于底座11的转动自由度以及垂直于轴力方向的平动自由度。因此，在测量过程中可方便快捷的更换柔性薄膜网格状触觉压力传感器21或者调整其安装位置，从而实现测量螺栓轴力功能的基础上，提高了该测量装置的可操作性。

当然，在满足定位功能以及加工工艺要求的基础上，本方案中的止动件13和底座11也可通过螺栓固定连接，为了便于理解测量装置的具体结构，请一并参考图7和图9，图7示出了图3中所示测量专用工装的底座的结构示意图，图9示出了图3中所示测量专用工装的限位件的结构示意图。

需要说明的是，本方案中的撑脚凸台132和撑脚槽113可反向设置，即撑脚凸台设置于底座11，撑脚槽开设于止动件13。此外，在满足限定止动件13相对于底座11的转动自由度的基础上，本方案中相适配的撑脚槽和撑脚凸台可以为1对、两对和五对等异于本方案中其他数量。

此外，为了进一步提高所述测量装置的可操作性，本方案中还在止动件13设置了手柄133，更换压力传感器时可通过手柄133轻松卸下止动件13。

进一步，如前所述，上述测量装置中设置止动件13的目的在于，限制活动件12相对于底座11的转动自由度，在对螺栓施加安装力矩或外载荷作用过程中，活动件12仅可沿螺栓轴向相对于底座11具有线性位移。具体地，本方案中的活动件12具体为圆柱体，该圆柱体的旋转面上沿径向设置有4个限位块122，该限位块122嵌装于止动件13相应位位置处开始的限位槽131内。为了便于理解止动件13和活动件12的具体结构，请一并参考图8和图9，其中，图8示出了图3中所示测量专用工装的活动件的结构示意图，图9示出了图3中所示测量专用工装的限位件的结构示意图。

可以理解，在满足测量精度及其加工工艺要求的基础上，本方案中也可以将活动件12设计为正方体，在止动件13开设与之相适配的方形通孔，止动件13套装于活动件12，从而也可实现限制活动件12相对于底座11转动自由度的目的。

如图3所示，本方案在底座11开设有容置柔性薄膜网格状触觉压力传感器21的定位槽112，限制了压力传感器在外载荷作用下沿底座11和活动件12结合面的滑移，从而进一步的提高了所述测量装置的测量精度。

进一步，如前所述，本方案中测量专用工作用于模拟螺栓的实际使用过程，为了测量螺栓轴力在交变外载荷作用的动态变化情况，如图7所示，活动件12设置由多个振荡器连接部123，在该振荡器连接部123上开设有用于连接振荡器的安装孔。

最后，需要说明的是，本方案仅以测量螺栓轴力为例，来说明了本发明所提供的螺纹紧固件轴力测量方法具体测量步骤和测量装置的具体结构，当然，上述测量方法和测量装置不仅限于测量螺栓轴力，通过对工装材料、加工工艺以及润滑状态的调整，可以测量双头螺柱等其他螺纹紧固件轴力的测量。

此外，特别说明的是，在上述基本测量的基础上可扩展测量范围。例如：在螺栓5的螺帽和活动件12间加入防松垫片可研究防松垫片的防松性能；在活动件12和底座11间加入非金属垫片，可测量垫片的面压及蠕变松弛/应力松弛率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种螺纹紧固件轴力测量装置，其特征在于，包括：

测量专用工装(1)，包括用于模拟螺纹紧固件实际使用过程的联接件和被联接件；

数据采集单元(2)，用于获取所述联接件和所述被联接件的结合面之间的接触压力；

数据处理单元，用于根据所述接触压力确定螺纹紧固件轴力；和

输出单元，用于输出所述螺纹紧固件轴力值；

所述使用过程包括正常紧固、正常拆卸或/和在动载荷作用下的螺纹紧固件轴力的松弛过程；

其中，所述数据采集单元(2)具体包括设置于所述联接件和被联接件的柔性薄膜网格状触觉压力传感器和数据采集器，所述数据采集器的信号接收端和所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器的信号输出端连接；

所述测量专用工装(1)包括底座(11)、活动件(12)和设置于所述底座(11)上以限定所述活动件(12)相对于所述底座(11)转动自由度的止动件(13)；所述底座(11)和所述活动件(12)，用于模拟所述螺纹紧固件实际使用过程中的所述联接件和所述被联接件；所述螺纹紧固件的螺杆穿过所述活动件(12)与所述底座(11)形成螺纹副，所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器设置于所述底座(11)和所述活动件(12)之间。

2.根据权利要求1所述的螺纹紧固件轴力测量装置，其特征在于，所述活动件(12)和所述止动件(13)通过至少一对相适配的限位槽(131)和限位块(122)配合，所述限位槽(131)和所述限位块(122)中的一者置于所述活动件(12)，另一者置于所述止动件(13)。

3.根据权利要求2所述的螺纹紧固件轴力测量装置，其特征在于，所述底座(11)和所述止动件(13)通过相适配的撑脚凸台(132)和撑脚槽(113)配合，以限定所述止动件(13)相对于所述底座(11)的转动自由度和垂直于轴力方向的平动自由度；所述撑脚凸台(132)和所述撑脚槽(113)中的一者置于所述底座(11)，另一者置于所述止动件(13)。

4.根据权利要求3所述的螺纹紧固件轴力测量装置，其特征在于，所述底座(11)具有与所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器的形状相适配的定位槽(112)，所述柔性薄膜网格状触觉压力传感器置于所述定位槽(112)内。

5.根据权利要求4所述的螺纹紧固件轴力测量装置，其特征在于，所述测量专用工装(1)还包括激振器，所述激振器可拆卸的连接于所述活动件(12)，以模拟所述螺纹紧固件在交变载荷下轴力的衰减过程。