CN105485125B - 一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于紧固件设计技术领域，具体涉及一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法。提出的一种可测预紧伸长量的螺栓具有螺栓头（1）和螺栓杆（2）；螺栓杆（2）由上向下依次为光杆和螺杆；螺栓头（1）的中心、螺栓杆（2）光杆的中心均具有用以测长杆（5）穿过的通孔；螺栓杆（2）螺杆的中心具有与测长杆（5）螺纹连接的螺纹孔；测长杆（5）具有由上向下依次设置的螺纹段（3）和测量段（4）；测长杆测量段（4）的端面为平面，且与测长杆（5）的轴线垂直；螺栓头（1）的上端端面为与测长杆（5）的轴线垂直的平面。本发明在不改变目前螺栓安装结构的条件下，达到了准确测量螺栓受拉杆部伸长量的目的，实现了螺栓预紧应力的精确控制。
Description
技术领域
本发明属于紧固件设计技术领域，具体涉及一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法。
背景技术
螺栓广泛应用于船舶、机械、建筑、桥梁等国民经济各个环节，被称为“工业之米”；其具有通用性强、安装成本较低、可重复拆装等优点。
为保证连接结构的刚度、可靠性、密封、防松及提高螺栓疲劳强度等应用要求，大部分螺栓在安装过程中均需进行预紧处理：即在装配时对螺栓施加一定的预紧应力；大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接件的寿命都是有益的，特别是对有密封要求的连接更为必要；为防止螺栓预紧过载或预紧不足，对螺栓的预紧应力需进行精确控制。
文献《紧固件连接设计手册》中，对于受拉螺栓连接，σp（预紧应力）的取值通常如下：
在一般机械，σp=（0.5～0.7）σS；
航空航天机械，σp≈0.35σS；
在特殊连接如高强度螺栓摩擦连接σp≈0.75σS；
为保证预紧力加载的精度，人们在生产实践中采取了众多的控制措施控制螺栓预紧应力；如：拧紧力矩法、长度测量法、扭转角度控制法、应变片测量法、液压拉伸法和加热预伸长法。
目前控制螺栓预紧力方法简述如下：
（1）力矩法：采用扭力扳手：通过控制拧紧力矩来实现控制预紧力，力矩法是国内外长期普遍采用的方法，其优点是较简单、易于实施、不需要复杂的仪器设备、费用少，但测得的预紧力值误差大而且分散，一般误差±25%。这主要是由于连接件和被连接件的表面质量（包括粗糙度、螺纹精度、润滑、镀层等）和拧紧速度的差别所造成的。
（2）测量螺栓伸长法：螺栓原始长度为Ls（mm），设计规定的预紧力为Qp（N）时,拧紧后需要的螺栓长度L’s为：
式中Cb——螺栓的刚度，N/mm。
由于螺栓的剖面面积沿螺栓长度有变化，由公式计算出的结果不十分准确，可以材料拉伸试验机绘制“载荷—伸长”标定曲线；安装时根据测得的伸长量可得出预紧力，误差为±（3～5）%；为保证测量的精确，螺栓两端应精加工，且仅适用于安装结构有足够测量空间的场合；一般仅用于特殊需要场合。
（3）扭角法：其原理与测量螺栓伸长法相同，只是将伸长量改为螺母从原始拧紧位置（所有被连接件紧贴）再旋拧的角度θ。
式中 P—螺栓螺纹螺距，mm
Cb—螺栓的刚度，N/mm
Qp—螺栓的预紧力，N
为确定原始拧紧位置和旋拧角度，需要进行必要的测试试验，测得的预紧力值误差±15%，对于弹性连接副及连接副表面不平整的情况将会产生极大的误差。
（4）应变片法：将特制的电阻应变片作为敏感元件，粘贴在被测螺栓的光杆上，拧紧螺栓时，螺栓受预紧力变形，导致电阻应变计的电阻变化，在一定范围内电阻变化与螺栓应变成线性比例关系，由此即可推算出螺栓中的预紧力。这种方法精度高，测得的预紧力值误差一般为±1%；但工艺复杂，费用较高。且需要一定的测量空间。
（5）液压拉伸法：液压拉伸法为采用液压缸在螺栓和被连接工件间预拉所需加载的预紧力，然后旋合螺母至表面贴合，贴合后卸除液压缸加载的预拉力。这种方法具有装配快捷、预紧精度高等优点。但预拉端必须留有足够长的预拉螺纹和液压设备空间，对于大规格螺栓复杂构件的装配通常难以实现。
（6）加热预伸长法：加热预伸长法利用材料的热胀冷缩原理，在装配前将螺栓加热至一定的温度后装配，利用冷却收缩产生预紧力。该方法适用于大截面、长规格及预紧力要求不高的场合。
然而船用桨叶螺栓用于固定螺旋桨和桨毂，安装有严格的预紧力控制要求；受产品结构及流体力学线型控制要求的限制，安装空间狭小，无法采用比较精确的应变计法、液压拉伸法和传统测量螺栓伸长法；目前只能采用力矩法或扭角法进行预紧应力控制，但采用力矩法或扭角法进行预紧应力控制的精度不高。
发明内容
为了克服现有螺栓预紧应力测量方法繁琐，控制精度较低的不足，本发明的目的在于提出一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可测预紧伸长量的螺栓，所述的螺栓具有螺栓头和螺栓杆；所述螺栓杆连接在螺栓头的下端；所述螺栓杆由上向下依次为光杆和螺杆；所述螺栓头的中心、螺栓杆所述光杆的中心均具有用以测长杆穿过的通孔；螺栓杆所述螺杆的中心具有与测长杆螺纹连接的螺纹孔，且螺栓杆中心所具有螺纹孔的直径大于螺栓杆所述通孔的直径；所述的测长杆具有由上向下依次设置的螺纹段和测量段，测长杆所述螺纹段的直径大于测量段的直径，且测长杆所述螺纹段的长度小于螺栓杆所述螺纹孔的长度；测长杆所述测量段的端面为平面，且与测长杆的轴线垂直；所述螺栓头的上端端面为与测长杆的轴线垂直的平面；在螺栓安装前所述测长杆穿过螺栓头中心所具有的通孔、螺栓杆所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段与螺栓杆螺纹连接为一体，且所述测长杆的中心线与所述螺栓杆的中心线重合；在螺栓安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，通过比较安装前和安装后螺栓与测长杆间的差值，即可准确获得螺栓伸长量，避免了复杂的测量结构。
螺栓头的中心、螺栓杆所述光杆中心的所具有通孔的直径d1与螺栓杆所述光杆的直径D0需满足d1 2/D0 2≤0.05，由于螺栓杆光杆截面面积的减小会导致螺栓承载应力加大，截面面积减小不高于5%，避免过大的截面面积减小造成螺栓过载。
测长杆螺纹段的长度≥1.2倍测长杆螺纹段螺纹公称直径，测长杆在装配后通过螺纹安装实现测长杆的中心线与所述螺栓杆的中心线重合。
所述测长杆的螺纹段端部加工与安装工具配合用的凹槽，用以保证测长杆的安装和拆卸。
一种可测预紧伸长量螺栓的测量方法，该测量方法采用上述一种可测预紧伸长量的螺栓进行测量，其具体步骤如下：
1）在螺栓安装前，首先在螺栓的中心部位安装测长杆，即：所述测长杆穿过螺栓头中心所具有的通孔、螺栓杆所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段与螺栓杆螺纹连接为一体，且所述测长杆的中心线与所述螺栓杆的中心线重合；所述测长杆的总长度为L1，测长杆测量段的长度为L2，测长杆螺纹段的长度为L1-L2；测长杆测量段的端面作为长度测试平面；
2）将测长杆与螺栓杆安装为一体后，利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LA；
3）然后对螺栓进行安装，在安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，然后利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LB；
4）计算步骤3）所得到的距离LB与步骤 2）所得到的距离LA的差值，即可获得准确的螺栓伸长量，避免了复杂的测量结构。
本发明提出的一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法，采用上述技术方案，具有如下有益效果：
1）采用在螺栓中心部位通过机械加工方法加工测长杆安装结构和测量结构，测长杆与螺栓杆之间采用螺纹安装便于安装装配，且通过足够长的螺纹导向，避免了测长杆在内部发生偏斜，影响了测量精度。
2）测长杆螺纹段端部加工有槽状扭矩加载结构，保证了测长杆的安装和拆卸。
综上所述，本发明在不改变目前螺栓安装结构的条件下，可准确测量螺栓受拉杆部的伸长量，并采用机加工方法加以实现，达到了准确测量螺栓受拉杆部伸长量的目的，实现了螺栓预紧应力的精确控制，通过该发明，简化了预紧伸长的测量方法，提高了测量精度和装配效率。
附图说明
图1为本发明中螺栓的结构示意图。
图2为本发明中测长杆的结构示意图。
图3为本发明的测量示意图。
图中：1、螺栓头，2、螺栓杆，3、螺纹段，4、测量段，5、测长杆，6、深度尺。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1所示，一种可测预紧伸长量的螺栓，所述的螺栓具有螺栓头1和螺栓杆2；所述螺栓杆2连接在螺栓头1的下端；所述螺栓杆2由上向下依次为光杆和螺杆；所述螺栓头1的中心、螺栓杆2所述光杆的中心均具有用以测长杆5穿过的通孔；螺栓杆2所述螺杆的中心具有与测长杆5螺纹连接的螺纹孔，且螺栓杆中心所具有螺纹孔的直径大于螺栓杆所述通孔的直径；结合图2，所述的测长杆5具有由上向下依次设置的螺纹段3和测量段4，测长杆所述螺纹段3的直径大于测量段4的直径，且测长杆所述螺纹段3的长度小于螺栓杆2所述螺纹孔的长度；测长杆5所述测量段4的端面为平面，且与测长杆的轴线垂直；所述螺栓头1的上端端面为与测长杆的轴线垂直的平面；在螺栓安装前所述测长杆5穿过螺栓头1中心所具有的通孔、螺栓杆2所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段与螺栓杆螺纹连接为一体，且所述测长杆的中心线与所述螺栓杆的中心线重合；在螺栓安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，通过比较安装前和安装后螺栓与测长杆间的差值，即可准确获得螺栓伸长量，避免了复杂的测量结构。
螺栓头1的中心、螺栓杆2所述光杆中心的所具有通孔的直径d1与螺栓杆所述光杆的直径D0需满足d1 2/D0 2≤0.05，由于螺栓杆光杆截面面积的减小会导致螺栓承载应力加大，截面面积减小不高于5%，避免过大的截面面积减小造成螺栓过载。
测长杆螺纹段3的长度大于等于1.2倍的螺纹段公称直径，保证测长杆的安装定位导向。
所述测长杆5的螺纹段端部加工与安装工具（螺丝刀）配合用的一字凹槽，用以保证测长杆的安装和拆卸。
如图3所示，一种可测预紧伸长量螺栓的测量方法，该测量方法采用上述一种可测预紧伸长量的螺栓进行测量，其具体步骤如下：
1）在螺栓安装前，首先在螺栓的中心部位安装测长杆，即：所述测长杆穿过螺栓头中心所具有的通孔、螺栓杆所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段与螺栓杆螺纹连接为一体，且所述测长杆的中心线与所述螺栓杆的中心线重合；所述测长杆的总长度为L1，测长杆测量段的长度为L2，测长杆螺纹段的长度为L1-L2；测长杆测量段的下端端面作为长度测试平面；
2）将测长杆与螺栓杆安装为一体后，利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LA；
3）然后对螺栓进行安装，在安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，然后利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LB；
4）计算步骤3）所得到的距离LB与步骤 2）所得到的距离LA的差值，即可获得准确的螺栓伸长量，避免了复杂的测量结构。
Claims (4)
1.一种可测预紧伸长量的螺栓，所述的螺栓具有螺栓头（1）和螺栓杆（2）；所述螺栓杆（2）连接在螺栓头（1）的下端；所述螺栓杆（2）由上向下依次为光杆和螺杆；其特征在于：所述螺栓头（1）的中心、螺栓杆（2）所述光杆的中心均具有用以测长杆（5）穿过的通孔，螺栓头（1）的中心、螺栓杆（2）所述光杆中心的所具有通孔的直径d1与螺栓杆所述光杆的直径D0需满足d1 2/D0 2≤0.05，螺栓杆（2）所述螺杆的中心具有与测长杆（5）螺纹连接的螺纹孔，且螺栓杆（2）中心所具有螺纹孔的直径大于螺栓杆（2）所述通孔的直径；所述的测长杆（5）具有由上向下依次设置的螺纹段（3）和测量段（4），测长杆所述螺纹段（3）的直径大于测量段（4）的直径，且测长杆所述螺纹段（3）的长度小于螺栓杆（2）所述螺纹孔的长度；测长杆所述测量段（4）的端面为平面，且与测长杆（5）的轴线垂直，且低于螺栓头（1）的上端端面；所述螺栓头（1）的上端端面为与测长杆（5）的轴线垂直的平面；在螺栓安装前所述测长杆（5）穿过螺栓头中心所具有的通孔、螺栓杆所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段（3）与螺栓杆（2）螺纹连接为一体，且所述测长杆（5）的中心线与所述螺栓杆（2）的中心线重合；在螺栓安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，通过比较安装前和安装后螺栓与测长杆间的差值，即可准确获得螺栓伸长量。
2.如权利要求1所述的一种可测预紧伸长量的螺栓，其特征在于：测长杆螺纹段的长度≥1.2倍测长杆螺纹段螺纹公称直径。
3.如权利要求1所述的一种可测预紧伸长量的螺栓，其特征在于：所述测长杆的螺纹段端部加工与安装工具配合用的凹槽。
4.一种可测预紧伸长量螺栓的测量方法，其特征在于：该测量方法采用权利要求1所述的一种可测预紧伸长量的螺栓进行测量，其具体步骤如下：
1）在螺栓安装前，首先在螺栓的中心部位安装测长杆（5），即：所述测长杆（5）穿过螺栓头（1）中心所具有的通孔、螺栓杆（2）所述光杆中心所具有的通孔，并由测长杆的螺纹段（3）与螺栓杆螺纹连接为一体，且所述测长杆（5）的中心线与所述螺栓杆（2）的中心线重合；所述测长杆（5）的总长度为L1，测长杆测量段（4）的长度为L2，测长杆螺纹段（3）的长度为L1-L2；测长杆测量段（4）的端面作为长度测试平面；
2）将测长杆（5）与螺栓杆（2）安装为一体后，利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LA；
3）然后对螺栓进行安装，在安装过程中，螺栓受拉伸长，位于螺栓内部的测长杆由于不受载荷保持原始长度，然后利用深度尺测量测长杆的长度测试平面与螺栓头上端端面之间的距离，并记为LB；
4）计算步骤3）所得到的距离LB与步骤 2）所得到的距离LA的差值，即可获得准确的螺栓伸长量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 471000, Binhe Road, hi tech Development Zone, Henan, Luoyang, 32 Patentee after: CSSC Shuangrui (Luoyang) special equipment Co.,Ltd. Address before: 471000, Binhe Road, hi tech Development Zone, Henan, Luoyang, 32 Patentee before: LUOYANG SUNRUI SPECIAL EQUIPMENT Co.,Ltd. |
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