CN103616118A

CN103616118A - 螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法

Info

Publication number: CN103616118A
Application number: CN201310628976.9A
Authority: CN
Inventors: 张保山; 汪志凯; 刘民; 邓玲; 孙泽海
Original assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103616118B

Abstract

本发明提供一种螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法。该控制方法包括：在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片；在螺栓头上开设第一通孔；通过导线穿过第一通孔，以将应变片和测量机构电连接；对螺栓进行预紧，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据轴向应变ε与预紧力F的关系式控制螺栓的预紧力F，以完成安装。通过上述方式，本发明能够精确控制螺栓的预紧力，提高螺栓连接的安全性。

Description

螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法

技术领域

本发明涉及机械连接技术领域，特别是涉及一种螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法。

背景技术

以螺栓为连接件的连接是最常见的可拆卸连接，而预紧力是螺栓在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螺栓连接的可靠性以及螺栓的耐疲劳强度，对有紧密性要求的连接更是可以提高气密性。但是，过大的预紧力会导致螺栓和被联接件的过载，极易导致安全事故的发生，因此在装配时需要严格控制对螺栓的预紧力。

现有技术中，一般通过扭矩法控制预紧力，该方法基于关系式：T=KFd，其中d为螺栓的直径，T为通过扭矩扳手等工具施加的扭矩，K为抗扭系数，F为预紧力。然而，采用该扭矩法在装配前需要进行大量实验以确定抗扭系数K的取值，并且由于润滑条件的不同导致螺栓与被联接件之间的摩擦力的不同，即使对同一批相同尺寸的螺栓，其抗扭系数K的取值的误差范围也较大，从而无法实现螺栓的预紧力的精确控制，极易导致安全事故的发生。

发明内容

鉴于此，本发明主要解决的技术问题是提供一种螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法，能够精确控制螺栓的预紧力，提高螺栓连接的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种螺栓预紧力的控制方法，该螺栓包括螺栓头和螺杆，螺杆包括光杆段，控制方法包括：在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片；在螺栓头上开设第一通孔；通过导线穿过第一通孔，以将应变片和测量机构电连接；对螺栓进行预紧，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据如下关系式控制螺栓的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为螺栓的直径。

其中，螺栓头套设有套筒，套筒的筒壁上开设有第二通孔，通过导线穿过第一通孔，以将应变片和测量机构电连接的步骤进一步包括：通过导线穿过第一通孔和第二通孔，以将应变片和测量机构电连接。

其中，设置第一通孔沿截面方向呈第一圆，设置光杆段沿截面方向呈第二圆，且第一圆与第二圆相切。

其中，控制螺栓的预紧力以完成安装的步骤还包括：记录螺栓完成安装时对应的扭矩，建立螺栓与扭矩的映射关系数据库。

其中，第二通孔包括通孔螺纹段和通孔光杆段，控制螺栓的预紧力以完成安装的步骤之后包括：自第一通孔和第二通孔取出导线，并通过螺纹拧合的方式封闭第一通孔的通孔螺纹段。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种螺栓预紧力的检测系统，螺栓包括螺栓头和螺杆，螺杆包括光杆段，检测装置包括应变片、导线和测量机构，其中：应变片贴附于光杆段的外表面上，螺栓头开设有第一通孔，在对螺栓进行预紧时，导线穿过第一通孔，将应变片和测量机构电连接，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据如下关系式控制螺栓的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为螺栓的直径。

其中，在对螺栓进行预紧时，螺栓的螺栓头套设有套筒，套筒的筒壁上开设有第二通孔，导线穿过第一通孔和第二通孔，以将应变片和测量机构电连接。

其中，第一通孔沿截面方向呈第一圆，光杆段沿截面方向呈第二圆，第一圆与第二圆相切。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种螺栓，包括螺栓头和螺杆，螺杆包括光杆段，其中：螺栓头开设有第一通孔，以在对螺栓进行预紧时，通过导线穿过第一通孔，并将贴附于光杆段的外表面上的应变片和测量机构电连接，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据如下关系式控制螺栓的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为螺栓的直径。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片，并在螺栓头上开设第一通孔，然后通过导线穿过第一通孔将应变片和测量机构电连接，使得测量机构在对螺栓进行预紧时获取应变片的轴向应变ε，从而根据轴向应变ε和预紧力F的关系式控制螺栓的预紧力F以完成安装。本发明通过应变片实时获取的轴向应变ε取代现有技术中的抗扭系数K，因此不需要在装配前进行大量实验以确定抗扭系数K的取值，避免了抗扭系数K的取值误差导致的预紧力F的控制误差，从而能够精确控制螺栓的预紧力，提高螺栓连接的安全性。

附图说明

图1是本发明螺栓预紧力的控制方法第一实施例的流程图；

图2是本发明螺栓预紧力的检测系统优选实施例的结构示意图；

图3是图2所示螺栓头的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图1～3对本发明的实施例作进一步地的详细描述。

图1是本发明螺栓预紧力的控制方法第一实施例的流程图，其在图2所示的螺栓预紧力的检测系统100的基础上进行描述，其中该检测系统100包括应变片110、测量设备120以及用于实现应变片110和测量设备120电连接的导线130。参阅图1和图2所示，本实施例的螺栓预紧力的控制方法包括：

步骤S11：在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片。

螺栓预紧力的检测系统100用于对螺栓200的预紧力进行检测，其中螺栓200包括螺杆210和螺栓头220，螺杆210包括光杆段211和螺纹段212，螺栓头220连接于光杆段211的远离螺纹段212的一端。

在本实施例中，优选通过胶黏贴的方式将应变片110贴附于光杆段211的外表面上。

步骤S12：在螺栓头上开设第一通孔。

进一步参阅图3所示，本实施例优选第一通孔221开设于螺栓头220的与光杆段211的结合区域之外。并且，第一通孔221与光杆段211相切，具体而言：第一通孔221沿横截面方向呈第一圆O1，光杆段211沿横截面方向呈第二圆O2，第一圆O1与第二圆O2相切。

需要说明的是，第一通孔221还可开设于螺栓头220的其他位置，例如第一圆O1的圆心位于图3所示的虚线的同一圆周上。本实施例中，第一通孔221的开设并不会对螺栓200的结构强度造成任何影响，例如在对M24、M30、M48三种型号的螺栓200进行拉伸试验时，发生断裂的位置均是位于图2所示的圆圈处（虚线所示），而螺栓头220在第一通孔221处并未发生任何结构变化。

另外，本实施例的步骤S11与步骤S12之间没有顺序联系，可以先执行步骤S11，然后再执行步骤S12；或先执行S12，然后再执行步骤S11，本发明实施例中对此并不进行限定。

步骤S13：通过导线穿过第一通孔，以将应变片和测量机构电连接。

在本实施例中，优选通过图2所示的套筒300对螺栓200进行预紧。因此，通过导线130实现应变片110和测量机构120的电连接时，需要在套筒300的筒壁上开设有第二通孔310，然后将导线130穿过第一通孔221和第二通孔310。具体而言：

在应变片110和导线130为一体结构时，将导线130的一端A与应变片110固定连接，另一端B自第一通孔221和第二通孔310穿出，并与测量机构120连接。

在应变片110和导线130不是一体结构时，将导线130的另一端B与测量机构120连接，一端A自第二通孔310和第一通孔221穿出，并与应变片110固定连接。

应理解，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据实际需要通过扳手等其他工具对螺栓200进行预紧，此时导线130仅穿过第一通孔221即可实现应变片110和测量机构120的电连接。

步骤S14：对螺栓进行预紧，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据轴向应变ε与预紧力F的关系式控制螺栓的预紧力F，以完成安装。

请再次参阅图2，将被联接件400、500靠近，并使得被联接件400、500的连接孔对齐，然后将螺栓200的螺杆210插置于连接孔中，并通过对套筒300的旋拧使得螺纹段212旋拧入连接孔中。

在旋拧过程中，即对螺栓200进行预紧时，螺栓200的光杆段211与被联接件400的连接孔的孔壁之间具有间隙，以保证导线130不会在旋拧过程中发生断裂等损伤。同时，测量机构120获取应变片110的轴向应变ε，并根据如下第一关系式控制螺栓200的预紧力F：

………第一关系式

其中，d为螺栓200的直径，即光杆段211的直径，E为弹性模量，E的具体数值可根据螺栓200的具体型号进行查询，其为已知。

基于上述，可知本实施例通过应变片110在预紧时获取的轴向应变ε取代现有技术中的抗扭系数K，因此不需要在装配前进行大量实验以确定抗扭系数K的取值，避免了大量实验需要的人力物力财力，以及抗扭系数K的取值误差导致的预紧力F的控制误差，从而能够精确控制螺栓200的预紧力F，提高螺栓200与被联接件400、500之间连接的安全性。

本发明还提供有第二实施例的螺栓预紧力的控制方法，其在第一实施例的控制方法的基础上进行描述。本实施例与第一实施例的控制方法不同之处在于：

在步骤S14中，当到达所需的预紧力F时，记录螺栓200完成安装时对应的扭矩T，建立螺栓200与扭矩T的映射关系数据库。

本实施例可在实际应用中记录每一个螺栓200与扭矩T的一一对应关系，并形成螺栓-扭矩映射关系数据库，从而可以在后续对每一个螺栓200进行再次预紧时，直接从该螺栓-扭矩映射关系数据库中调取对应的扭矩T，并据此扭矩T直接旋转套筒300完成安装。本实施例同样可以消除通过控制扭矩的方法对螺栓200进行预紧时来源于抗扭系数K的误差。

其中，螺栓-扭矩映射关系数据库如下表所示，该表只是数据库中的一部分，如果需要，可对该表进行任何的数据更新，以便从数据库中提取数据，更有针对性的完成套装，提高效率，且可降低事故率，同时，对每次再预紧时的预紧力进行记录，也方便了后续的故障分析。

序号

编号

扭矩值

预紧力1

…

预紧力M

螺栓位置

1

001

T-001

N-1

...

N-1m

A

2

002

T-002

N-2

…

N-2m

B

3

003

T-003

N-3

…

N-3m

C

4

004

T-004

N-4

…

N-4m

D

本发明还提供有第三实施例的螺栓预紧力的控制方法，其在第一实施例的控制方法的基础上进行描述。本实施例与第一实施例的控制方法不同之处在于：

在步骤S11中，螺栓头220开设的通孔221包括通孔螺纹段和通孔光杆段，且优选通孔螺纹段和通孔光杆段的深度相等。

在步骤S14的完成螺栓200的安装之后，自第一通孔221和第二通孔310取出导线130，并将螺栓头220与套筒300分离，然后提供另一螺栓通过螺纹拧合的方式旋入通孔螺纹段，以封闭第一通孔221，使得被联接件400、500与螺杆210之间的间隙与外界隔离，从而保证间隙的气密性及清洁度。

需要说明的是，本发明的上述三个实施例之间技术特征可以相互结合，并且各个结构元件的型号及尺寸可根据实际需要而定，例如：

为避免螺栓200旋拧时对导线130造成损伤，优选导线130的直径为0.3毫米。螺栓200的螺栓头230为六角，对应地套筒300为六角套筒。第一通孔221的尺寸可设置为4毫米，即第一圆O1的直径为4毫米，对应地在第三实施例中可采用型号为M4的另一螺栓旋入通孔螺纹段，以封闭第一通孔221。

另外，实际应用时螺栓头220与被联接件400之间一般还设置有图2所示的垫片600，此时应保证垫片600与螺栓200的光杆段211之间的空隙大于导线130的直径0.3毫米，以确保旋拧时不会对导线130造成损伤。

综上所述，本发明通过在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片，并在螺栓头上开设第一通孔，然后通过导线穿过第一通孔将应变片和测量机构电连接，使得测量机构在对螺栓进行预紧时获取应变片的轴向应变ε，并根据轴向应变ε和预紧力F的关系式控制螺栓的预紧力F完成安装，从而能够精确控制螺栓的预紧力，提高螺栓连接的安全性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种螺栓预紧力的控制方法，所述螺栓（200）包括螺栓头（220）和螺杆（210），所述螺杆（210）包括光杆段（211），其特征在于，所述控制方法包括：

在所述螺栓（200）的光杆段（211）的外表面上贴附应变片（110）；

在所述螺栓头（220）上开设第一通孔（221）；

通过导线（130）穿过所述第一通孔（221），以将所述应变片（110）和测量机构（120）电连接；

对所述螺栓（200）进行预紧，以使所述测量机构（120）获取所述应变片（110）的轴向应变ε，并根据如下关系式控制所述螺栓（200）的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为所述螺栓（200）的直径。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述螺栓头（220）套通过套筒（300）预紧，所述套筒（300）的筒壁上开设有第二通孔（310），所述通过导线（130）穿过所述第一通孔（221），以将所述应变片（110）和测量机构（120）电连接的步骤进一步包括：

通过导线（130）穿过所述第一通孔（221）和所述第二通孔（310），以将所述应变片（110）和测量机构（120）电连接。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，设置所述第一通孔（221）沿截面方向呈第一圆（O1），设置所述光杆段（211）沿截面方向呈第二圆（O2），且所述第一圆（O1）与所述第二圆（O2）相切。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述螺栓（200）的预紧力以完成安装的步骤还包括：

记录所述螺栓（200）完成安装时对应的扭矩，建立所述螺栓（200）与扭矩的映射关系数据库。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第二通孔（310）包括通孔螺纹段和通孔光杆段，所述控制所述螺栓（200）的预紧力以完成安装的步骤之后包括：

自所述第一通孔（221）和所述第二通孔（310）取出所述导线，并通过螺纹拧合的方式封闭所述第一通孔（221）的所述通孔螺纹段。

6.一种螺栓预紧力的检测系统（100），所述螺栓（200）包括螺栓头（220）和螺杆（210），所述螺杆（210）包括光杆段（211），其特征在于，所述检测系统（100）包括应变片（110）、导线（130）和测量机构（120），其中：

所述应变片（110）贴附于所述光杆段（211）的外表面上，所述螺栓头（220）开设有第一通孔（221），在对所述螺栓（200）进行预紧时，所述导线（130）穿过所述第一通孔（221），将所述应变片（110）和测量机构（120）电连接，以使所述测量机构（120）获取所述应变片（110）的轴向应变ε，并根据如下关系式控制所述螺栓（200）的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为所述螺栓（200）的直径。

7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，在对所述螺栓（200）进行预紧时，所述螺栓（200）的螺栓头（220）套设有套筒（300），所述套筒（300）的筒壁上开设有第二通孔（310），所述导线（130）穿过所述第一通孔（221）和所述第二通孔（310），以将所述应变片（110）和测量机构（120）电连接。

8.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述第一通孔（221）沿截面方向呈第一圆（O1），所述光杆段（211）沿截面方向呈第二圆（O2），所述第一圆（O1）与所述第二圆（O2）相切。

9.一种螺栓（200），其特征在于，所述螺栓（200）包括螺栓头（220）和螺杆（210），所述螺杆（210）包括光杆段（211），其中：

所述螺栓头（220）开设有第一通孔（221），以在对所述螺栓（200）进行预紧时，通过导线（130）穿过所述第一通孔（221），并将贴附于所述光杆段（211）的外表面上的应变片（110）和测量机构（120）电连接，以使所述测量机构（120）获取所述应变片（110）的轴向应变ε，并根据如下关系式控制所述螺栓（200）的预紧力F以完成安装：

其中E为弹性模量，d为所述螺栓（200）的直径。

10.根据权利要求9所述的螺栓，其特征在于，所述第一通孔（221）沿截面方向呈第一圆（O1），所述光杆段（211）沿截面方向呈第二圆（O2），所述第一圆（O1）与所述第二圆（O2）相切。