CN105300671A - 一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微小型精密仪器领域，具体公开了一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置，该装置主要由T型扳手、自定心轴承、扭矩传感器组件、S型高精度传感器、龙门支架、弹簧扳手、可更换小挡板、连接柱组件、支撑架组件和限位组件组成；T型扳手与扭矩传感器组件连接，S型高精度传感器安装在支撑组件上并与连接柱组件固定连接，限位组件固定安装在支撑架组件上，能够针对不同的型号螺栓、紧固材料和润滑条件的螺栓连接，测量螺栓连接过程中的扭矩和预紧力，采用数理统计的方法，获得不同条件下的K值的变化规律。

Description

一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置

技术领域

本发明属于微小型精密仪器领域，具体涉及一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置。

背景技术

随着航空、航天、军事、医疗上对精密仪表的精度和稳定性的要求不断增加，提高精密仪表的精度和稳定性的任务已经迫在眉睫。螺栓连接由于其可观的连接力和方便拆装的特点，在机械产品中得到广泛的使用。准确获得螺栓连接中扭矩和预紧力的关系对于提高装配质量具有重要意义。螺栓的预紧力，是指所有的螺栓都需要拧紧，是连接在承受工作载荷之前，预先收到作用力。精密仪表的装配中，若预紧力过高，螺栓连接引起应力集中，进而造成被联接件塑性变形，从而影响精密仪表的精度；如果预紧力过低，首先可能会导致的就是螺栓连接起不到实际的连接作用，其次过低的预紧力会引起在振动环境中的精密仪表螺栓脱松，被连接件出现滑移，严重影响精密仪表的精度或造成仪表损坏。目前生产实践中主要应用扭矩法来控制螺纹连接的预紧力，该方法的基本原理是在拧紧过程中通过控制拧紧扭矩来实现对预紧力的间接控制。

T＝KdF(1.1)

其中，T：扭矩；K：扭矩系数；d：螺纹公称直径；F：螺纹连接件轴向预紧力。

目前，工程中扭矩系数K一般主要依据经验来确定。在支承表面不光滑、无润滑油时，K一般取0.2；在支承表面光滑、有润滑油时，K一般取0.1。但是在实际拧紧过程中，扭矩系数K并不是一个常数，螺纹支承表面的粗糙度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、拧紧时的温度等都会对扭矩系数K产生影响。由此可见，对于精密仪表或者其它高精度仪器，在预紧力需要精确控制时，材料、温度、润滑条件等多种不确定因素，K的经验值显然满足不了工程实际需求，因此，测量精密螺栓连接中的扭矩和预紧力，因此，提出针对精密螺栓连接中，扭矩系数K值的取值规律，建立扭矩与预紧力之间的映射关系，对于定量、准确地控制精密机械产品中螺栓的连接中的拧紧扭矩具有重要意义。

螺栓连接中扭矩和预紧力关系的测量方法主要有应变片法、超声波测量法、扭拉传感器测量方法等。其中，所述应变片法的测量方法理论精度虽然比较高，但由于操作复杂，应变片的粘贴质量影响最终测量精度，所以该方法主要适用于实验室的实验研究，并不适合工程应用。所述超声波法，该方法测量精度高，但缺点是对试验螺栓的结构和加工有特定的要求，只适用于特定的螺栓。由于精密仪表中使用的高精度小型螺栓连接具有尺寸小、精度要求高、易损坏等特点，所以目前基于船、车等大型机械产品的螺栓连接的扭拉传感器测量装置并不合适。而利用扭拉传感器测量方法的横向布置测量装置的扭拉关系，由于螺栓和测量仪器的自身重力影响螺栓连接的同轴度，所以其精度也较低。

为了实时监测精密仪表或者其它高精度仪器中的微小型螺栓连接过程中的扭矩-拉力，且能获得高精度和高标准的测量值，亟需研究一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置，能够针对不同型号螺钉，不同紧固材料，不同润滑条件的螺栓连接，测量螺栓连接过程中的扭矩和预紧力，采用数理统计的方法，获得不同条件下的K值的变化规律，该变化规律可用于指导生产实践。

一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，包括：T型扳手、自定心轴承、扭矩传感器组件、S型高精度传感器、龙门支架、弹簧扳手、可更换小挡板、连接柱组件、支撑架组件、限位组件；

所述扭矩传感器组件的上端与T型扳手连接，其下端与弹簧扳手连接；

所述龙门支架的上端与所述扭矩传感器组件固定连接并通过小支架和自定心轴承支撑所述T型扳手，其下端固定在工作台上；

所述连接柱组件的上端与实验所测螺钉连接，其下端与S型高精度传感器连接；

所述支撑架组件通过螺栓将S型高精度传感器和限位组件固定连接；

所述限位组件固定在所述支撑架组件上，防止所述连接柱组件发生扭转；工作时，所述限位组件支撑连接柱组件，以减小因连接柱组件扭转对S型高精度传感器测量精度的影响。

其连接关系为：所述T型扳手与扭矩传感器组件连接，所述扭矩传感器组件固定安装在龙门支架上，所述扭矩传感器组件的下端与弹簧扳手连接，所述S型高精度传感器安装在支撑组件上并与所述连接柱组件固定连接，所述限位组件固定安装在支撑架组件下端。

进一步地，所述扭矩传感器组件包括刚性联轴器I、刚性联轴器II和高精度动态扭矩传感器；所述刚性联轴器I将所述T型扳手与高精度动态扭矩传感器连接，所述高精度动态扭矩传感器固定安装在龙门支架上，高精度动态扭矩传感器的下端利用刚性联轴器II与弹簧扳手连接。

进一步地，所述支撑架组件包括上支撑板、四根螺柱和下支撑板；所述上支撑板与所述下支撑板是通过四根长螺柱连接的，可调整其高度和水平度，其中所述上支撑板设有方形凹槽，该凹槽用来放置可更换小挡板；所述下支撑板设有中心孔，所述连接柱组件通过该中心孔与所述S型高精度传感器连接。

进一步地，所述限位组件包括L型限位挡板、轴支座、轴承和光轴；所述L型限位挡板与所述下支撑板固定连接，所述轴承穿过光轴安装在轴支座18上，所述轴支座固定在L型限位挡板上。

进一步地，所述的连接柱组件包括螺母挡板、T型槽螺母固定板、连接块；螺母挡板、T型槽螺母固定板和连接块固定在一起，所述螺母挡板的下端面设有定位槽；所述连接块为空心长方体，其上端面设有四个螺纹孔，其作用是固定T型槽螺母固定板和螺母挡板，其下端面设有中心孔，该孔的作用与所述下支撑板的中心孔的作用相同；所述螺母挡板和T型槽螺母固定板是可被更换的零件。

有益效果：

1.本发明通过精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置与方法的设计，将螺钉的预紧力通过连接柱组件转化为S型高精度传感器能够直接测量的拉力，此转化过程简明清晰，操作方便，能实现不同工况下的高精度扭矩拉力关系的测量。通过紧凑简明的设计，将螺栓连接时扭矩和拉力分解开测量。既能实现在螺栓连接过程中的扭矩拉力的实时监测，又能得到统计数据，以便分析在某种特定实验条件下螺纹连接中扭矩和拉力的关系，进而指导生产实践。

2.本发明具有高精度模拟螺栓连接实际工况的功能，测量装置不仅能够测量不同润滑条件下的不同螺栓尺寸的扭矩和预紧力，而且能够实现不同被连接材料的模拟。

3.本发明装置的连接柱组件和传感器组件的垂直布置，有效地避免了横向布置中螺栓和测量仪器自身重力对测量结果的影响，提高了螺栓连接中扭矩和拉力的测量精度。

附图说明

图1为精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置的系统分布示意图。

图2为精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置的系统局部示意图。

图3为精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置的局部剖切示意图。

其中，1-T型扳手，2-自定心轴承，3-刚性联轴器I，4-高精度动态扭矩传感器，5-龙门支架，6-刚性联轴器II，7-弹簧扳手，8-试验螺钉，9-上支撑板，10-可更换小挡板，11-螺柱，12-L型限位挡板，13-下支撑板，14-螺母挡板，15-T型槽螺母固定板、16-连接块，17-S型高精度传感器，18-轴支座，19-轴承，20-光轴。

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。

本发明提供了一种精密螺栓连接扭矩-预紧力映射关系测量装置，实现本发明技术方案如下：

如附图1、2所示，一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置包括：T型扳手1、自定心轴承2、扭矩传感器组件、S型高精度传感器17、龙门支架5、弹簧扳手7、可更换小挡板10、连接柱组件、支撑架组件、限位组件；

所述T型扳手1为T型圆柱钢材焊接成的扳手，并且通过自定心轴承2安装在龙门支架5上，用刚性联轴器I3与扭矩传感器4连接，以便施加扭矩。

所述扭矩传感器组件包括刚性联轴器I3、刚性联轴器II6和高精度动态扭矩传感器4；所述刚性联轴器I3将所述T型扳手1与高精度动态扭矩传感器4连接，所述高精度动态扭矩传感器4固定安装在龙门支架5上，高精度动态扭矩传感器4的下端利用刚性联轴器II6与弹簧扳手7连接。

所述龙门支架5是一个起支撑作用的板材零件，龙门支架5的下端通过螺栓固定在工作台上，上端用四个螺钉固定高精度动态扭矩传感器4，通过上的小支架和自定心轴承2支撑T型扳手1。

所述支撑架组件包括上支撑板9、四根螺柱11和下支撑板13；所述上支撑板9与所述下支撑板13是通过四根长螺柱11连接的，可调整其高度和水平度，其中所述上支撑板9设有方形凹槽，该凹槽用来放置可更换小挡板10；所述下支撑板13设有中心孔，所述连接柱组件通过该中心孔与所述S型高精度传感器17连接；

如图3所示，所述限位组件包括L型限位挡板12、轴支座18、轴承19和光轴20；所述L型限位挡板12与所述下支撑板13固定连接，防止所述连接柱组件发生扭转，所述轴承19穿过光轴20安装在轴支座18上，所述轴支座18固定在L型限位挡板12上。工作时，所述限位组件支撑连接柱组件，以减小因连接柱组件扭转对S型高精度传感器17引起测量精度的影响。

所述的连接柱组件是实现测量螺钉(8)拉力的重要组件，包括螺母挡板14、T型槽螺母固定板15、连接块16；螺母挡板14、T型槽螺母固定板15和连接块16固定在一起，所述螺母挡板14的下端面设有定位槽；所述连接块16为空心长方体，其上端面设有四个螺纹孔，其作用是固定T型槽螺母固定板15和螺母挡板14，其下端面设有中心孔，该孔的作用与所述下支撑板13的中心孔的作用相同；所述螺母挡板14和T型槽螺母固定板15是可被更换的零件。

其连接关系为：所述T型扳手1与扭矩传感器组件连接，所述扭矩传感器组件固定安装在龙门支架5上，所述扭矩传感器组件的下端与弹簧扳手7连接，所述S型高精度传感器17安装在支撑组件上并与所述连接柱组件固定连接，所述限位组件固定安装在支撑架组件下端。

微小型螺栓连接中扭矩-预紧力映射关系的步骤如下(以M2型航空螺栓为例)：

第1步：随机选取100个航空螺栓为试验件，并对该试验件进行分组和标号即分成5组(a_i～e_i)，每组有i个螺栓(i为1～20的正整数)。

第2步：使用基于机器视觉的快速检测系统检测每个螺钉的螺纹，用MatroxInspector软件对检测出的螺纹图像进行标定、测量，计算出螺纹外径

第3步：确定润滑条件、被连接件材料等，然后进行螺栓连接拧紧实验，并使利用东方振动和噪声技术研究所的DASP软件以及相配套的硬件进行数据采集，获得当螺栓预紧力达到设计要求值时的S型高精度传感器和扭矩传感器的动态曲线。

第4步：处理所述动态曲线对应的数据，计算该实验条件下扭矩系数并去除该组扭矩系数中最大和最小的奇异值。

令(1≤i≤n≤20)，其中为在a组实验条件下，螺栓连接的扭矩系数平均值。

第5步：建立a组实验条件下螺栓连接预紧力-扭矩映射关系的数学模型，即其中d为a组实验条件下该型号螺栓的公称直径，F预紧力。

第6步：其他组实验根据实验条件类推。

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 (5)

1.一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，包括：T型扳手(1)、自定心轴承(2)、扭矩传感器组件、S型高精度传感器(17)、龙门支架(5)、弹簧扳手(7)、可更换小挡板(10)、连接柱组件、支撑架组件和限位组件；

所述扭矩传感器组件的上端与T型扳手(1)连接，其下端与弹簧扳手(7)连接；

所述龙门支架(5)的上端与所述扭矩传感器组件固定连接并通过小支架和自定心轴承(2)支撑所述T型扳手(1)，其下端固定在工作台上；

所述连接柱组件的上端与实验所测螺钉(8)连接，其下端与S型高精度传感器(17)连接；

所述支撑架组件通过螺栓将S型高精度传感器(17)和限位组件固定连接。

所述限位组件固定在所述支撑架组件上，防止所述连接柱组件发生扭转；工作时，所述限位组件支撑连接柱组件，以减小因连接柱组件扭转对S型高精度传感器(17)测量精度的影响；

其连接关系为：所述T型扳手(1)与扭矩传感器组件连接，所述扭矩传感器组件固定安装在龙门支架(5)上，所述扭矩传感器组件的下端与弹簧扳手(7)连接，所述S型高精度传感器(17)安装在支撑组件上并与所述连接柱组件固定连接，所述限位组件固定安装在支撑架组件下端。

2.一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，所述扭矩传感器组件包括刚性联轴器I(3)、刚性联轴器II(6)和高精度动态扭矩传感器(4)；所述刚性联轴器I(3)将所述T型扳手(1)与高精度动态扭矩传感器(4)连接，所述高精度动态扭矩传感器(4)固定安装在龙门支架(5)上，高精度动态扭矩传感器(4)的下端利用刚性联轴器II(6)与弹簧扳手(7)连接。

3.一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，所述支撑架组件包括上支撑板(9)、四根螺柱(11)和下支撑板(13)；所述上支撑板(9)与所述下支撑板(13)是通过四根长螺柱(11)连接的，可调整其高度和水平度，其中所述上支撑板(9)设有方形凹槽，该凹槽用来放置可更换小挡板(10)；所述下支撑板(13)设有中心孔，所述连接柱组件通过该中心孔与所述S型高精度传感器(17)连接。

4.一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，所述限位组件包括L型限位挡板(12)、轴支座(18)、轴承(19)和光轴(20)；所述L型限位挡板12与所述下支撑板13固定连接，所述轴承(19)穿过光轴(20)安装在轴支座(18)上，所述轴支座(18)固定在L型限位挡板(12)上。

5.一种精密螺栓连接扭矩-拉力关系的测量装置，其特征在于，所述的连接柱组件包括螺母挡板(14)、T型槽螺母固定板(15)、连接块(16)；螺母挡板(14)、T型槽螺母固定板(15)和连接块(16)固定在一起，所述螺母挡板(14)的下端面设有定位槽；所述连接块(16)为空心长方体，其上端面设有四个螺纹孔，其作用是固定T型槽螺母固定板(15)和螺母挡板(14)，其下端面设有中心孔，该孔的作用与所述下支撑板13的中心孔的作用相同；所述螺母挡板(14)和T型槽螺母固定板(15)是可被更换的零件。