CN104764553A - 测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法 - Google Patents

Abstract

测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法，属于航天技术领域。解决了现有技术中涂防松胶后螺纹连接件的预紧力与设计不同的问题。本发明的测量方法，先将由底座和具有中空结构的支架组成的固定支架固定在工作台上，然后将应变片固定在待测螺栓的螺杆的中部区域，并将应变片与静态应变仪连接，再将螺杆从支架的一侧贯穿至支架另一侧，且螺杆的顶端伸出支架表面，应变片位于支架的中空结构内，再将待测螺母拧在螺杆伸出支架的部分上，最后分别检测对待测螺母施加相同的拧紧力矩下，未涂胶和涂胶的螺杆的应变量，通过应变量的变化关系得出涂胶对螺纹连接件预紧力影响的量化指标。该方法能够保证螺纹连接件涂胶后实际的预紧力与设计的保持一致。

Description

测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法。

背景技术

螺纹连接件具有装配简单、拆卸方便、利于检修等优点，被广泛的用于空间光学遥感器结构组件及整机的装配中。由于空间光学遥感器在发射过程中要经历剧烈的振动环境，因此要求螺纹连接件要具有良好的防松能力。螺纹连接紧固件常用的防松方法有两大类，一类是依靠防松零件(如自锁待测螺母等)来实现；一类是通过在螺纹上涂防松胶，待其固化后即可牢固的粘接相配合的螺纹副，从而达到防松的目的。由于防松胶能够减少机械零件的数目，提高螺纹连接防松的可靠性，已成为国内外空间光学遥感器螺纹连接的主要防松手段。

现有技术中，在空间光学遥感器的装配中，尤其是靠近镜面的螺纹连接件中，过大或过小的预紧力都是有害的。过大的预紧力会导致镜面出现较大的变形，而且预紧力过大还会导致连接件在振动试验中可能被振断；而预紧力过小会在振动环境下由于连接松动而导致连接失效。由此可见，在螺纹连接件的使用中，预紧力的大小的选择、准确度的控制是确保螺纹连接质量的关键。因此，在空间光学遥感器的装配中，需要通过先设计应该施加的拧紧力矩的大小，来控制螺纹连接件产生的预紧力。但是，在使用防松胶的过程中，发明人发现螺栓在涂胶前后镜面的面形有很大差别；其次，对比涂不同的防松胶，镜面的面形变化也不相同，而涂胶只对螺栓的预紧力有影响，也就是说在同样拧紧力矩的条件下，涂胶与不涂胶相比，螺栓产生的预紧力有较大差异；而且，对于不同的防松胶，螺栓产生的预紧力也不相同。因此，亟需一种测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置和方法。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下。

测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，主要包括：待测螺母、待测螺栓、固定支架、一个以上的应变片、力矩扳手、防松胶和静态应变仪；

所述固定支架由底座和支架组成，所述支架为中空结构且固定在底座上；

所述应变片固定在待测螺栓的螺杆的中部区域；

所述待测螺栓的螺杆从支架的一侧贯穿至支架的另一侧，且螺杆的顶端伸出支架表面，应变片位于支架的中空结构内；

所述待测螺母拧在螺杆伸出支架的部分上；

所述防松胶能够粘结待测螺母与螺杆；

所述力矩扳手对待测螺母施加拧紧力矩；

所述静态应变仪与应变片连接。

进一步的，所述支架为前后面开口或者左右面开口的方体，支架的顶面和底面沿轴向设有第一通孔，支架的底面固定在底座的顶面上，底座的底面上设有凹槽，凹槽内设有与第一通孔同轴的第二通孔，螺杆依次贯穿第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，伸出支架的顶面。

进一步的，所述螺杆的中部区域设有平槽，应变片固定在平槽内。

进一步的，所述应变片为两个，相对于螺杆的中心轴对称的固定在螺杆的中部区域。

进一步的，所述螺杆的中部区域设有相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，每个平槽内各固定有一个应变片。

测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，包括以下步骤：

步骤一、将固定支架固定在工作台上；

所述固定支架由底座和支架组成，底座固定在工作台上，支架为中空结构且固定在底座上；

步骤二、将应变片固定在待测螺栓的螺杆的中部区域，并将应变片与静态应变仪连接；

步骤三、将螺杆从支架的一侧贯穿至支架另一侧，且螺杆的顶端伸出支架表面，应变片位于支架的中空结构内；

步骤四、将待测螺母拧在螺杆伸出支架的部分上，使用力矩扳手对待测螺母施加拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤五、松开待测螺母，在螺杆伸出支架的部分上涂抹防松胶，再将待测螺母拧在螺杆伸出支架的部分上，对待测螺母施加与步骤四相同的拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤六、螺杆上的应变量与待测螺栓的预紧力成正比关系，根据步骤四和步骤五测得的应变量的变化关系得出涂抹防松胶对待测螺栓的预紧力影响的量化指标。

进一步的，所述步骤一中，支架为前后面开口或者左右面开口的方体，支架的顶面和底面沿轴向设有第一通孔，支架的底面固定在底座的顶面上，底座的底面上设有凹槽，凹槽内设有与第一通孔同轴的第二通孔，步骤三中，螺杆依次贯穿第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，伸出支架的顶面。

进一步的，所述步骤三中，螺杆的中部区域设有平槽，应变片固定在平槽内。

进一步的，所述步骤三中，应变片为两个，相对于螺杆的中心轴对称的固定在螺杆的中部区域。

进一步的，所述步骤三中，螺杆的中部区域设有相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，每个平槽内各固定有一个应变片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置及方法，能够精确的测量出涂胶前后，在同样的拧紧力矩载荷作用下，螺纹连接件内部产生的预紧力的变化关系的量化指标，从而指导在涂胶后，应该施加的拧紧力矩的大小，保证实际的预紧力与设计的预紧力一致。

附图说明

图1为本发明测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置；

图2为本发明固定有应变片的待测螺栓的立体图；

图3为图2的左视图；

图中，1、待测螺母，2、待测螺栓，3、固定支架，4、应变片。

具体实施方式

以下结合图1-3进一步说明本发明。

如图1-3所示，本发明的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置主要包括待测螺母1、待测螺栓2、固定支架3、两个应变片4、力矩扳手、静态应变仪和防松胶。其中，固定支架3由底座和支架组成，底座一般为平板结构，底座的底面上设有凹槽，凹槽内设有第二通孔，通孔的孔径小于待测螺栓2螺头的直径，大于待测螺栓2螺杆的直径；支架为前后面开口或者左右面开口的方体，支架的底面固定在底座上，支架的底面和顶面均设有第一通孔，且凹槽的第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔同轴，底座和支架一体化成型。待测螺栓2由螺杆和固定在螺杆一端的螺头组成，螺杆的中部区域设有相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，平槽的宽度大于应变片4的宽度，每个平槽内各固定有一个应变片4，固定方式可以选择粘贴固定，待测螺栓2的螺杆依次贯穿凹槽的第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，并伸出支架顶面外，螺头在凹槽内，应变片4处于支架的中空区域内，不与支架接触；待测螺母1拧在螺杆伸出支架的部分上。力矩扳手对待测螺母2施加拧紧力矩。静态应变仪与两个应变片4连接，用于测量应变片4的应变量。防松胶能够涂抹在待测螺栓2的螺杆上，用于粘结待测螺栓2的螺杆与待测螺母1。

本发明的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，包括以下步骤：

步骤一、将固定支架3固定在水平工作台上，固定支架3的结构与上述装置中的结构相同，此处不再赘述，需要说明的是，固定支架3通过底座固定在水平工作台上；

步骤二、在待测螺栓2的螺杆的中部区域开设相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，每个平槽内各固定有一个应变片4，并将两个应变片4与静态应变仪连接；

步骤三、将带有应变片4的待测螺栓2的螺杆依次贯穿第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，螺杆的顶端伸出支架表面，应变片4位于支架的中空结构内；

步骤四、将待测螺母1拧在螺杆伸出支架的部分上，使用力矩扳手对待测螺母2施加拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤五、松开待测螺母2，在螺杆伸出支架的部分上涂抹防松胶，再将待测螺母2拧在螺杆伸出支架的部分上，对待测螺母2施加与步骤四相同的拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤六、螺杆上的应变量与螺纹连接件(待测螺栓2)的预紧力成正比关系，根据步骤四和步骤五测得的应变量的变化关系得出涂抹防松胶对螺纹连接件(待测螺栓2)的预紧力影响的量化指标。

本发明测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的原理如下：螺栓内部预紧力与拧紧力矩的关系如下式所示：

$T=F[\mathrm{tg}(\mathrm{\ψ}+{\mathrm{\ρ}}_v)\frac{d_2}{2}+\frac{{\mathrm{\μ}}_c(D_1^3-d_0^3)}{3(D_1^2-d_0^2)}]---\left(1\right)$

式(1)中：T为拧紧力矩；F为预紧力；ψ为螺纹升角；ρ_v为螺纹连接副的当量摩擦角，d₂为螺纹中径，μ_c为螺母与被连接件承压面间的摩擦系数，D₁为螺母支撑面外径；d₀为被连接件或垫圈孔直径，通常情况下：

ρ_v＝arctan1.15μ_v       (2)

μ_v为螺纹副的摩擦系数；由于ψ、ρ_v角度均很小，一般不超过10°，因此：

tan(ψ+ρ_v)≈tanψ+tanρ_v         (3)

将式(3)带入式(1)，可得：

$T=\frac{1}{2}F{D}_1{\mathrm{\μ}}_c+F\frac{d_2{\mathrm{\μ}}_v}{2\cos \mathrm{\β}}+F\frac{t}{2\mathrm{\π}}=T_1+T_2+T_3$

式(4)中：D₁为螺母支撑面外径；t为螺纹螺距；β为螺纹升角，对于普通螺纹，β＝30°。

式(4)中T₁为克服螺母与被连接支撑面间摩擦力需施加的力矩；T₂为克服螺纹副间的摩擦力需施加的力矩；T₃为克服螺纹斜面受力产生的阻力矩，同时使连接件产生预紧力。通常情况下，T₁为拧紧力矩T的50％，T₂为拧紧力矩T的40％，而能够产生预紧力的T₃仅为拧紧力矩T的10％。

试验中采用经过校准的力矩扳手控制拧紧力矩，螺母内部产生的预紧力与应变关系的推导过程如下：在螺母上施加一定的拧紧力矩T，由于拧紧力矩的作用，螺栓内部会产生预紧力F，螺杆在预紧力的作用下被拉长，螺杆内会产生拉应力σ，假设螺杆的横截面积为A，则有：

F＝σ·A      (7)

根据胡克定律可知，在弹性变形范围内，螺杆内的拉应力σ与应变ξ满足如下关系：

σ＝ξ·E            (8)

式(8)中，E为螺栓材料的弹性模量，由式(7)、式(8)可得：

F＝ξ·E·A        (9)

式(9)表明，在弹性变形范围内，螺栓内部产生的预紧力F与螺杆的应变ξ成正比，因此，通过在螺杆上粘贴应变片，可以实时监测螺杆在不同预紧力下的应变大小，从而可以实时监测螺栓内部预紧力的大小。

本发明中，应变片4一般为电阻应变片，在试件测点表面粘贴电阻应变片是当前获取应变的主要方法，其原理为：螺杆表面测点受载出现表面应变，粘贴在螺杆表面的电阻应变片感知应变后电阻值发生变化，经电阻应变仪处理得到变化的电流或电压，并由记录器记录下来，再经过比例换算，最后得到螺杆表面的应变和应力，在实际检测时，为确保准确性，可以分不同的拧紧力矩测试，并且每个拧紧力矩可以多次测量取平均值，如，本实施方式采用两个应变片4，每次检测时，测得的应变值为两个应变片4的平均值，再如，首先进行在不涂防松胶的情况下，测量拧紧力矩分别为10NM、15NM、20NM、25NM两片应变片4的读数；其次，在待测螺栓2的螺纹上涂抹防松胶，测量拧紧力矩分别为10NM、15NM、20NM、25NM两片应变片4的读数，在每种工况下重复加载五次，读五组读数，在数据分析中去掉最大值和最小值，取三组读数进行数据分析，再经过比例换算，最后得到螺杆表面的应变和应力，进而得到防松胶对螺纹连接件(待测螺栓2)的预紧力影响。

Claims (10)

1.测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，其特征在于，主要包括：待测螺母(1)、待测螺栓(2)、固定支架(3)、一个以上的应变片(4)、力矩扳手、防松胶和静态应变仪；

所述固定支架(3)由底座和支架组成，所述支架为中空结构且固定在底座上；

所述应变片(4)固定在待测螺栓(2)的螺杆的中部区域；

所述待测螺栓(2)的螺杆从支架的一侧贯穿至支架的另一侧，且螺杆的顶端伸出支架表面，应变片(4)位于支架的中空结构内；

所述待测螺母(1)拧在螺杆伸出支架的部分上；

所述防松胶能够粘结待测螺母(1)与螺杆；

所述力矩扳手对待测螺母(1)施加拧紧力矩；

所述静态应变仪与应变片(4)连接。

2.根据权利要求1所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，其特征在于，所述支架为前后面开口或者左右面开口的方体，支架的顶面和底面沿轴向设有第一通孔，支架的底面固定在底座的顶面上，底座的底面上设有凹槽，凹槽内设有与第一通孔同轴的第二通孔，螺杆依次贯穿第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，伸出支架的顶面。

3.根据权利要求1所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，其特征在于，所述螺杆的中部区域设有平槽，应变片(4)固定在平槽内。

4.根据权利要求1所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，其特征在于，所述应变片(4)为两个，相对于螺杆的中心轴对称的固定在螺杆的中部区域。

5.根据权利要求4所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的装置，其特征在于，所述螺杆的中部区域设有相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，每个平槽内各固定有一个应变片(4)。

6.测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将固定支架(3)固定在工作台上；

所述固定支架(3)由底座和支架组成，底座固定在工作台上，支架为中空结构且固定在底座上；

步骤二、将应变片(4)固定在待测螺栓(2)的螺杆的中部区域，并将应变片(4)与静态应变仪连接；

步骤三、将螺杆从支架的一侧贯穿至支架另一侧，且螺杆的顶端伸出支架表面，应变片(4)位于支架的中空结构内；

步骤四、将待测螺母(1)拧在螺杆伸出支架的部分上，使用力矩扳手对待测螺母(1)施加拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤五、松开待测螺母(1)，在螺杆伸出支架的部分上涂抹防松胶，再将待测螺母(1)拧在螺杆伸出支架的部分上，对待测螺母(1)施加与步骤四相同的拧紧力矩，利用静态应变仪测量该拧紧力矩条件下螺杆上产生的应变量；

步骤六、螺杆上的应变量与待测螺栓(2)的预紧力成正比关系，根据步骤四和步骤五测得的应变量的变化关系得出涂抹防松胶对待测螺栓(2)的预紧力影响的量化指标。

7.根据权利要求6所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，其特征在于，所述步骤一中，支架为前后面开口或者左右面开口的方体，支架的顶面和底面沿轴向设有第一通孔，支架的底面固定在底座的顶面上，底座的底面上设有凹槽，凹槽内设有与第一通孔同轴的第二通孔，步骤三中，螺杆依次贯穿第二通孔、支架底面的第一通孔、支架顶面的第一通孔，伸出支架的顶面。

8.根据权利要求6所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，其特征在于，所述步骤三中，螺杆的中部区域设有平槽，应变片(4)固定在平槽内。

9.根据权利要求6所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，其特征在于，所述步骤三中，应变片(4)为两个，相对于螺杆的中心轴对称的固定在螺杆的中部区域。

10.根据权利要求6所述的测量防松胶对螺纹连接件预紧力影响的方法，其特征在于，所述步骤三中，螺杆的中部区域设有相对于螺杆的中心轴对称的两个平槽，每个平槽内各固定有一个应变片(4)。