CN106289621B - 一种测量螺栓预紧力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量螺栓预紧力的装置及方法，装置包括带孔螺栓，以及套在带孔螺栓上的相互自上而下依次叠加的三个临时受压片、特制螺母、压力测试器和螺母；带孔螺栓上的预留孔伸出最下方的临时受压片，销钉水平插入带孔螺栓的预留孔且沿带孔螺栓的两侧壁伸出；套入带孔螺栓上的特制螺母上的预留凹槽与销钉对接，套在带孔螺栓上的压力测试器内径大于带孔螺栓外径且不与带孔螺栓侧壁接触，螺母旋紧在带孔螺栓末端；该装置通过依次扭转螺母和特制螺母对螺栓进行两次拉伸计算出螺栓的预紧力。本发明改善了测量螺栓预紧力的方法，提高了测量螺栓预紧力的精度，最终测得的预紧力更加精确，在实际使用过程中更加方便快捷。

Description

一种测量螺栓预紧力的装置及方法

技术领域

本发明涉及测量螺栓预紧力的装置及方法，具体涉及一种在测量过程中不再受到外在因素的影响而能够精确测量螺栓预紧力的装置及方法。

背景技术

螺栓的适用范围极其广泛，在日常生活和工业生产制造当中，螺栓都是不可缺少的连接构件，所以螺栓也被称为工业之米。螺栓的运用范围有：电子产品，机械产品，数码产品，电力设备，机电机械产品。船舶，车辆，水利工程，甚至化学实验上也有用到螺栓。螺栓作为一种紧固装置，在航空航天，建筑，汽车制造，医疗器械等领域的使用过程中，需要对螺栓的预紧力进行精确的控制。本发明针对以往测量螺栓预紧力的缺陷，改善了螺栓预紧力的测量精度以及测量过程。

以往螺栓预紧力的测量方式主要分为以下两种：

(1)通过拧紧力矩控制预紧力

实施方法：设置扭矩扳手的扭矩为T，利用扭矩扳手为螺栓施加预紧力，直到螺母的扭矩达到扭矩扳手的最大扭矩T；最后通过公式计算螺栓的预紧力。

螺栓预紧力的计算方法：

拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩T₁和螺母支撑面上的摩擦力矩T₂，故拧紧力矩T＝T₁+T₂。由理论力学得到预紧的螺纹力矩T₁和预紧力F的关系为：

T₁＝Fd₂tan(φ+ρ)/2。

六角螺母支撑面是外径为D₁(≈S)、内径为D₀的圆环面，对于非磨合圆环面，摩擦力矩为：

T₂＝μ_nF((D₁ ³-D₀ ³)/[3(D₁ ²-D₀ ²)]

可得：

式中，(D₁ ³-D₀ ³)/[3(D₁ ²-D₀ ²)]为圆环面的当量摩擦半径，ρ为当量摩擦角，d₂为中径，

为升角，μ_n为支撑面的摩擦系数。

可以看出，拧紧力矩与预紧力呈线性关系，控制了拧紧力矩的大小，就可以计算出预紧力值。

(2)通过螺栓伸长量控制预紧力

螺栓伸长法就是在拧紧过程中、或拧紧结束后测量螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化量的关系，控制螺栓预紧力的一种方法。

拧紧螺母时，螺栓在预紧力的作用下产生拉伸变形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸变形时产生弹性变形，伸长量与预紧力的关系是：

式中，δ_b为螺栓伸长量；l_e为螺栓有效长度；E_b为弹性模量；A_b为螺栓横截面积。

可以得出，预紧力与螺栓伸长呈线性关系，且与摩擦因数和被联接件刚度无关，这样，只需要测量出拧紧前后螺栓的长度就知道了螺栓准确的伸长量，所以，这种方法控制预紧力的准确值很高。

这两种测量螺栓预紧力的方法都具有一定的缺陷及局限性，主要表现为以下两点：

1、利用扭矩螺栓测量螺栓预紧力时由于测量过程中会受到摩擦因数和几何参数偏差的影响，在一定的拧紧力矩下，预紧力值的离散性比较大。特别是在无摩擦条件下，由于接触凸点局部拎焊可能使螺母系数K变得很大。所以在摩擦因数和几何参数偏差的影响下，螺栓预紧力的控制的精度不到位，误差一般会达到40％左右，所以这种方法只能用在一般密封要求不高的场合。

2、通过测量螺栓伸长量测量螺栓的预紧力的方法在实际工程问题上，测量螺栓的伸长量很不方便，这种方法一般用在需要严格控制精度的场合。

发明内容

本发明主要针对以往测量螺栓预紧力方法的缺陷，改善了测量螺栓预紧力的方法，提高了测量螺栓预紧力的精度。在螺栓预紧力的测量过程中不在受到外在因素的影响。最后得出的螺栓预紧力只与螺栓本身的弹性模量以及截面面积有关。所以最终测得的预紧力更加精确，在实际使用过程中更加方便快捷。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种测量螺栓预紧力的装置，包括带孔螺栓，以及套在带孔螺栓上的相互自上而下依次叠加的三个临时受压片、特制螺母、压力测试器和螺母；带孔螺栓上的预留孔伸出最下方的临时受压片，销钉水平插入带孔螺栓的预留孔且沿带孔螺栓的两侧壁伸出；套入带孔螺栓上的特制螺母上的预留凹槽与销钉对接，套在带孔螺栓上的压力测试器内径大于带孔螺栓外径且不与带孔螺栓侧壁接触，螺母旋紧在带孔螺栓末端。

进一步，销钉伸出带孔螺栓两侧壁的长度相同。

进一步，所述带孔螺栓的预留孔在带孔螺栓上的位置高度大于三个临时受压片的厚度之和。

进一步，所述特制螺母内壁为相互反旋的双螺旋螺纹，在相互反旋的双螺旋螺纹的顶部尽头分别设有预留凹槽。

相应地，本发明给出了一种测量螺栓预紧力的方法，包括下述步骤：

1)将带孔螺栓插入相互自上而下依次叠加的三个临时受压片，使带孔螺栓上的预留孔伸出下方的临时受压片；

2)将销钉水平插入带孔螺栓的预留孔道之中，然后将特制螺母套入带孔螺栓，并将销钉对准特制螺母上预留的凹槽当中，不可以转动特制螺母；

3)再将压力测试器套入带孔螺栓中，此时压力测试器不可以与带孔螺栓接触；最后再将螺母安装在带孔螺栓上；

4)扭转螺母，对初始长度为L₁的带孔螺栓进行第一次拉伸，得到第一次拉伸后螺栓的总长L₂，并得到第一次拉伸后螺栓的轴力F₁；

5)保持第一次拉伸后螺栓的总长L₂不变，然后转动特制螺母对螺栓进行第二次拉伸，使销钉与特制螺母中的螺纹产生挤压力F₂，使压力测试器的度数变为零；

6)将螺母与压力测试器拆除，根据所测得的第一次拉伸后螺栓的轴力F₁以及螺栓本身的弹性模量E计算出第二次拉伸后螺栓的轴力F₂，该轴力F₂与销钉与特制螺母中的螺纹产生挤压力相等，即为螺栓的预紧力。

相对于现有技术，本发明的特点在于：

本发明采用压电式压力测试器与特制螺栓及特制螺母配合使用。压电式压力测试器可以精确的测量螺栓所受到的压力，但由于造价昂贵，在测量预紧力的过程中需要循环使用。所以，本发明通过特制螺栓以及特制螺母，使压电式压力测试器在使用后可以脱离结构进行循环使用。

本发明改善了以往测量螺栓预紧力的方法，使螺栓预紧力的测量更加方便快捷，测得的结果更加精确。相对于以往的测量方法具有以下有益效果：

1.比通常测量螺栓预紧力的方法有更高的精确度。

2.相对于扭矩扳手测量螺栓预紧力的方法，排除了人为因素，以及摩擦力对测量结果的影响。

3.相对于测量螺栓伸长量的方法，测量过程简单，实施方便。

附图说明

图1为构件整体布置图。

图2(a)-(c)为构件中带孔螺栓的正视图、侧视图和俯视图。

图3(a)-(c)为构件特制螺母的正视图、侧视图和俯视图。

图4为特制螺母的A-A截面剖视图。

图5为特制螺母的B-B截面剖视图。

图6(a)-(b)为构件中压电式压力测试器的正视图和俯视图。

图7为测量螺栓预紧力方法过程示意图。

图中：1、带孔螺栓；2、临时受压片Ⅰ；3临时受压片Ⅱ；4、临时受压片Ⅲ；5、特制螺母；6、销钉；7、压力测试器；8、螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明测量螺栓预紧力的装置，包括带孔螺栓1，以及套在带孔螺栓1上的相互自上而下依次叠加的临时受压片Ⅰ2、临时受压片Ⅱ3、临时受压片Ⅲ4、特制螺母5、压力测试器7和螺母8；带孔螺栓1上的预留孔伸出临时受压片Ⅲ4，销钉6水平插入带孔螺栓1的预留孔，且沿带孔螺栓1的两侧壁伸出，使销钉6伸出带孔螺栓1沿其径向两侧的长度相同。套入带孔螺栓1上的特制螺母5上的预留凹槽与销钉6对接，套在带孔螺栓1上的压力测试器7内径大于带孔螺栓1外径且不与带孔螺栓1侧壁接触，螺母8旋紧在带孔螺栓1末端。

如图2(a)-(c)所示，带孔螺栓1的预留孔在带孔螺栓1上的位置高度大于临时受压片Ⅰ2、临时受压片Ⅱ3和临时受压片Ⅲ4的厚度之和。设在普通丁头螺栓底部预留孔洞，可以用来安装销钉。销钉与带孔螺栓结合后可以与特制螺母5通过销钉互相挤压，给予螺栓一定的预紧力。

如图3(a)-(c)所示，特制螺母5内壁为相互反旋的双螺旋螺纹，在相互反旋的双螺旋螺纹的顶部尽头分别设有预留凹槽，见图4、图5所示。

本发明螺栓预紧力的测量方式：如图1所示将构件进行安装。

1)将带孔螺栓1插入相互自上而下依次叠加的临时受压片Ⅰ2、临时受压片Ⅱ3和临时受压片Ⅲ4，使带孔螺栓1上的预留孔伸出临时受压片Ⅲ4；

2)将销钉6水平插入带孔螺栓1的预留孔道之中，使销钉6伸出带孔螺栓1沿其径向两侧的长度相同；然后将特制螺母5套入带孔螺栓1，并将销钉6对准特制螺母5上预留的凹槽当中(此时，不可以转动特制螺母5)；

3)再将压力测试器7套入带孔螺栓1中，此时压力测试器7不可以与带孔螺栓1接触，以免后期产生摩擦力影响最后测得的压力；压力测试器7结构见图6(a)、(b)所示。最后再将螺母8安装在带孔螺栓1上；

4)将所有零件安装好之后，扭转螺母8，见图7所示，对初始长度为L₁的带孔螺栓进行第一次拉伸，使整个构件内部出现压力，此时，螺栓整体受拉，内部拉力相同。得到第一次拉伸后螺栓的总长L₂，并得到第一次拉伸后螺栓的轴力F₁，通过扭转螺母8将压力测试器的读数确定为F₁并记录读数；

5)然后，不再转动螺母8，保持第一次拉伸后螺栓的总长L₂不变，开始转动特制螺母5对螺栓进行第二次拉伸，使销钉6与特制螺母5中的螺纹产生挤压力F₂；此时，销钉6与带孔螺栓1螺帽之间的螺栓继续拉伸，而销钉6与螺母8之间的螺栓开始放松。所以，此时可以看到压力测试器7的读数开始变小。继续扭转特制螺母5，使压力测试器7的度数变为零。最后，销钉6与螺母8之间的螺栓完全放松，不再产生内力。

6)此时在构件当中，螺母8不再为构件提供内力，所以螺母8的去除也不会影响临时受压片Ⅰ2、临时受压片Ⅱ3以及临时受压片Ⅲ4之间的正压力。最后，螺母8以及压力测试器7都可以从机构中去除。

在特制螺母5进行扭转之前，特制螺母5与带孔螺栓1之间不产生力的作用。带孔螺栓1可以与特制螺母5产生沿螺栓方向的相对位移，当扭转特制螺母5后，带孔螺栓1与特制螺母之间相互挤压为螺栓提供预紧力。

最后，根据之前所测得的初始压力F₁以及螺栓本身的弹性模量就可以算出第二次拉伸后螺栓的轴力F₂，该轴力F₂与销钉与特制螺母中的螺纹产生挤压力相等，即为螺栓的预紧力。

原理，如图所示，螺栓整个拉伸过程可近似描述为一长度为L₁的圆柱体螺栓，经过第一次拉伸后螺栓的总长为L₂，第一次拉伸后螺栓的轴力为F₁；第二次拉伸时，保持第一次拉伸后螺栓总长L₂不变，在M点处施加力F₂，(在放松状态下MB＝L₂-L₁)使M点至B点之间的螺栓放松，且内力为零。最后在M点施加的力F₂即为A点至M点之间螺栓的内部轴力。整个过程相当于在螺栓AB上截去MB，然后将AM拉长至L₁。计算过程如下：

已知：螺栓初始长度AB＝L₁，第一次伸长后螺栓的总长L₂，第一次拉伸后螺栓的轴力F₁，螺栓的弹性模量E，螺栓的横截面积A。

螺栓进行第一次拉伸后，螺栓的轴力F₁与第一次拉伸后螺栓的总长L₂及螺栓的初始长度L₁的关系为：

第二次拉伸后，MB之间的距离为L₂-L₁，且MB段为放松状态。

第二次拉伸后相当于将螺栓AB中截去MB，然后将AM拉伸至长度为L₁；测试AM段的内力为：

整理(1)、(2)两式可以算出第二次拉伸后螺栓的轴力F₂的大小为：

最后可以得出，第二次拉伸后螺栓的内力与螺栓初始长度L₁以及第二次拉伸后的长度L₂都没有关系，只与螺栓第一次拉伸后的内力F₁，以及螺栓本身的弹性模量E，及螺栓横截面面积A有关。

在实际应用中个，最后算的螺栓预紧力不受接触摩擦力，扭矩等外在因素影响，只与螺栓本身使用的钢材及截面大小有关，所以最后算的的预紧力大小相对于以往的扭矩扳手测扭矩法更加精确，相对于测量螺栓伸长量计算螺栓预紧力的方法更加简便。

需说明，本发明保护范围不限于以上图示实例尺寸与相应构件参数。在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，该方法采用如下测量螺栓预紧力的装置，包括带孔螺栓，以及套在带孔螺栓上的相互自上而下依次叠加的三个临时受压片、特制螺母、压力测试器和螺母；带孔螺栓的预留孔伸出最下方的临时受压片，销钉水平插入带孔螺栓上的预留孔且沿带孔螺栓的两侧壁伸出；套入带孔螺栓上的特制螺母上的预留凹槽与销钉对接，套在带孔螺栓上的压力测试器内径大于带孔螺栓外径且不与带孔螺栓侧壁接触，螺母旋紧在带孔螺栓末端；

测量螺栓预紧力的方法，包括下述步骤：

1)将带孔螺栓插入相互自上而下依次叠加的三个临时受压片，使带孔螺栓上的预留孔伸出下方的临时受压片；

2)将销钉水平插入带孔螺栓的预留孔道之中，然后将特制螺母套入带孔螺栓，并将销钉对准特制螺母上预留的凹槽当中，不可以转动特制螺母；

3)再将压力测试器套入带孔螺栓中，此时压力测试器不可以与带孔螺栓接触；最后再将螺母安装在带孔螺栓上；

4)扭转螺母，对初始长度为L₁的带孔螺栓进行第一次拉伸，得到第一次拉伸后螺栓的总长L₂，并得到第一次拉伸后螺栓的轴力F₁；

5)保持第一次拉伸后螺栓的总长L₂不变，然后转动特制螺母对螺栓进行第二次拉伸，使销钉与特制螺母中的螺纹产生挤压力，使压力测试器的度数变为零；

6)将螺母与压力测试器拆除，根据所测得的第一次拉伸后螺栓的轴力F₁以及螺栓本身的弹性模量E计算出第二次拉伸后螺栓的轴力F₂，该轴力F₂与销钉与特制螺母中的螺纹产生挤压力相等，即为螺栓的预紧力。

2.根据权利要求1所述的一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述螺栓进行第一次拉伸后，螺栓的轴力F₁与第一次拉伸后螺栓的总长L₂及螺栓初始长度L₁的关系为：

式中，A为螺栓的横截面积，E为螺栓的弹性模量。

3.根据权利要求2所述的一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述第二次拉伸后螺栓的轴力F₂为：

4.根据权利要求1所述的一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，销钉伸出带孔螺栓两侧壁的长度相同。

5.根据权利要求1所述的一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述带孔螺栓的预留孔在带孔螺栓上的位置高度大于三个临时受压片的厚度之和。

6.根据权利要求1所述的一种测量螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述特制螺母内壁为相互反旋的双螺旋螺纹，在相互反旋的双螺旋螺纹的顶部尽头分别设有预留凹槽。

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