CN106289622A - 一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置及方法 - Google Patents

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杨俊芬
战宇皓
程锦鹏
谢坚
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    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed

Abstract

本发明属于机械测量仪器设备技术领域，涉及一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置及方法。包括用于与待测高强螺栓连接副固定连接的固定装置，设置在与待测高强螺栓连接副配合的螺母处用于为螺母施加扭矩的扭矩扳手，扭矩扳手通过套筒与螺母连接，扭矩扳手与套筒之间设有扭矩传感器，扭矩传感器与扭矩显示器连接，螺母与待测高强螺栓连接副头部之间的螺杆上设有测量待测高强螺栓连接副螺杆轴向应变的单向应变片，单向应变片与电阻应变仪连接。本发明组装简单，操作速度快，并且测量结果准确、可靠，尤其适用于小批量高强螺栓连接副扭矩系数的检测。

Description

一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置及方法
【技术领域】
本发明属于机械测量仪器设备技术领域，涉及一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置及方法。
【背景技术】
高强度大六角头螺栓连接副是由同批制造的一个螺栓、一个螺母和两个垫圈组成的结构连接紧固件，作为连接钢结构构件的重要方式，由于它具有施工简便，受力性能好，耐疲劳，连接可靠度高等优点，已在大型钢结构工程和道路桥梁等方面得到了广泛的应用。其中高强度螺栓连接副的扭矩系数是评价构件连接性能的重要指标，对确保工程安全质量起着关键性作用。
目前，对扭矩系数k的计算主要通过《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)规定的公式k＝T/(DP)进行计算。
式中：k―扭矩系数；
T―施加的扭矩，N·m；
D―螺栓的公称直径，mm；
P―螺栓所受的预拉力，KN
由于螺栓在一定扭矩下产生应变，螺栓所受的预拉力P可通过与应变拟合出的线性关系通过下面公式进行计算；P＝EAε1
式中：E―螺栓材料的弹性模量；
A―螺杆的截面面积，A＝πD2/4，D螺栓的公称直径，mm。
ε1―螺栓在扭矩下产生的应变
施加的扭矩T可通过扭矩扳手进行确定，在螺栓的公称直径已确定的情况下，可得出扭矩系数k。
在测量高强螺栓连接副的扭矩系数k时，现有技术在施拧过程中，操作者常通过扭矩扳手进行人工施加扭矩，但是由于扭矩扳手存在一定误差，约在±3％左右，人工作业时很难控制准确的精度。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置及方法，采用该装置对扭矩系数k进行测量时，速度快，精度高，安全可靠。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，包括用于与待测高强螺栓连接副固定连接的固定装置，设置在与待测高强螺栓连接副配合的螺母处用于为螺母施加扭矩的扭矩扳手，扭矩扳手通过套筒与螺母连接，扭矩扳手与套筒之间设有扭矩传感器，扭矩传感器与扭矩显示器连接，螺母与待测高强螺栓连接副头部之间的螺杆上设有测量待测高强螺栓连接副螺杆轴向应变的单向应变片，单向应变片与电阻应变仪连接。
所述单向应变片设置多个，且在待测高强螺栓连接副螺杆的圆周方向对称设置。
所述单向应变片设置两个。
所述待测高强螺栓连接副的螺杆上开设有用于容纳与单向应变片连接的导线的凹槽，凹槽的上端延伸至单向应变片的下端，凹槽的下端向下延伸且贯穿待测高强螺栓连接副的头部。
固定装置包括内侧矩形框架和外侧矩形框架，内侧矩形框架和外侧矩形框架均包括处于上方的顶板、处于下方的底板和处于两侧的挡板，挡板的两端分别与顶板和底板固定连接，内侧矩形框架设置在外侧矩形框架的内部且对应边平行，外侧矩形框架固定且其底板与内侧矩形框架的底板连接，待测高强螺栓连接副的螺杆从下往上贯穿内侧矩形框架和外侧矩形框架的顶板的中部，螺母设置在外侧矩形框架顶板的上方，待测高强螺栓连接副的头部处于内侧矩形框架顶板的下方。
所述外侧矩形框架的底板与内侧矩形框架的底板通过可调节螺杆连接，可调节螺杆与待测高强螺栓连接副同轴设置，可调节螺杆的下端与外侧矩形框架底板连接，上端贯穿内侧矩形框架的底板，且配合连接有第一螺母，第一螺母设在内侧矩形框架的底板上方。
一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，先将固定装置固定，以及将待测高强螺栓连接副通过螺母与固定装置固定连接；
步骤二，再将单向应变片设置在待测高强螺栓连接副的螺杆上，且处于螺母与待测高强螺栓连接副的头部之间，单向应变片与电阻应变仪连接，再将扭矩传感器与扭矩显示器连接；
步骤三，通过连接有扭矩传感器和套筒的扭矩扳手为螺母施加扭矩，在施加力矩时，电阻应变仪显示待测高强螺栓连接副的拉应变，扭矩显示器显示待测高强螺栓连接副上施加的扭矩，通过所测拉应变及施加的扭矩能够计算得到扭矩系数k。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明的测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置在测量螺栓连接副的扭矩系数k时，扭矩扳手施加的扭矩通过扭矩传感器测量并通过扭矩显示器显示，同时通过单向应变片测量螺栓连接副的轴向应变并通过电阻应变仪显示，通过所测拉应变及施加的扭矩能够计算得到扭矩系数k，本发明的装置能够给操作人员的施拧过程提供了准确的数据，使得人工作业时能够控制准确的精度。
进一步的，通过设置多个单向应变片减小了螺栓杆各方向受力不均匀的影响，从而使得测量的轴向应变值更加准确，保证了测量的精度。
进一步的，本发明通过在螺杆上开用于容纳与单向应变片连接的导线的凹槽、将导线埋入凹槽，且凹槽的下端向下延伸且贯穿待测高强螺栓连接副的头部，因此有效的保护了连接应变片的导线不受损坏。
进一步的，本发明通过外侧矩形框架的底板与内侧矩形框架的底板通过可调节螺杆连接，通过调节螺杆长度能够控制内侧矩形框架合适的活动范围，从而满足不同长度的待测高强螺栓连接副，只需更换不同孔径的外侧矩形框架的顶板和内侧矩形框架的顶板，即可满足不同直径的待测高强螺栓连接副。
本发明的测试装置组装简单，操作便捷，只需对所述的待测高强螺栓连接副粘贴应变片，对螺母施加扭矩即可计算出扭矩系数，十分适合小批量扭矩系数的检测，对实验的数据的测量提供了可靠的保障。
【附图说明】
图1为本发明的整体结构示意图；
图2(a)为待测高强螺栓连接副钻孔和应变片布置的结构示意图，图2(b)为图2(a)的仰视图，图2(c)为图2(a)中B-B截面示意图；
图3为待测试件装置和试件加载装置的结构示意图；
其中，1为外侧底板、2为外侧挡板、3为第一高强螺栓、4为内侧底板、5为内侧挡板、6为可调节螺杆、6-1为第一螺母、7为外侧顶板、8为第二高强螺栓、9为扭矩显示器、10为套筒、11为扭矩传感器、12为扭矩扳手、13为电阻应变仪、14为导线、15为待测高强螺栓连接副、15-1为螺母、16为内侧顶板、17为第三高强螺栓、18为单向应变片、19为凹槽。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图3所示，本发明的测量螺栓连接副扭矩系数的装置包括待测试件装置、试件固定装置、试件加载装置、数据采集系统：
试件固定装置包含有外侧矩形框架、内侧矩形框架、第一高强螺栓3、可调节螺杆6、第二高强螺栓8、第三高强螺栓17，其中外侧矩形框架包括外侧底板1、外侧挡板2、外侧顶板7，内侧矩形框架包括内侧底板4、内侧挡板5、内侧顶板16；
待测试件装置包括单向应变片18、待测高强螺栓连接副15；
试件加载装置包括套筒10、扭矩传感器11、扭矩扳手12；
数据采集系统包括扭矩显示器9、电阻应变仪13；
外侧底板1通过第一高强螺栓3固定设置在固定安装位置；
外侧挡板2的底部对称焊接在外侧底板1的两端，外侧挡板2的顶部通过第二高强螺栓8与外侧顶板7固定连接，形成外侧矩形框架；
内侧底板4在中心位置开有与可调节螺杆6相同直径的孔洞，可调节螺杆6在表面设有螺纹，底部焊接在外侧底板1的中心位置，顶部穿过内侧底板4的孔洞并与第一螺母6-1固定连接；内侧挡板5的底部对称焊接在内侧底板4的两端，内侧挡板5的顶部通过第三高强螺栓17与内侧顶板16固定连接形成内侧矩形框架；
内侧顶板16和外侧顶板7在中心开有与待测高强螺栓连接副15直径相匹配的孔洞，待测高强螺栓连接副15的螺杆从下往上穿过内侧顶板16以及外侧顶板7上供螺杆穿过的孔洞，并与相应的顶板表面紧密接触；
待测高强螺栓连接副15在靠近其头部的螺杆上开设凹槽19，凹槽19的下端贯穿待测高强螺栓连接副15的头部，单向应变片18设置在凹槽19上端结束处的螺杆表面，且在圆周方向对称布置，单向应变片18设置两个，在测量时可以取两者的平均应变作为该螺杆的拉应变；将单向应变片18上连接的导线14埋入凹槽19内，将导线14从待测高强螺栓连接副15的头部引出，最后将导线14与头部固定连接；
套筒10的一端开设与螺母15外形尺寸匹配的容纳槽，螺母15为六角头螺母，另一端设有圆柱形凸起部，凸起部上设有螺纹；扭矩传感器11一端设有与圆柱形凸起部形状尺寸匹配的槽，另一端设有六角形凸起部；扭矩扳手12下端设有与六角形凸起部形状尺寸匹配的凹槽；
待测高强螺栓连接副15上配合的螺母15-1与套筒10相连，套筒10与扭矩传感器11相连，扭矩传感器11与扭矩扳手12相连，扭矩传感器11与扭矩显示器9相连；
电阻应变仪13由测量电桥、放大器、显示仪表和读数机构等组成，贴在待测高强螺栓连接，待测高强螺栓连接副15上的单向应变片18通过导线14接于测量电桥上，并与之串联成一个通路，记录螺杆由扭矩产生的变形，并对电阻应变仪发出信号，使得测量电桥有电压输出，经放大器放大后在电阻应变仪上由显示器读出相应的应变值。
本发明专利在进行扭矩系数k测试时，分为以下四步：
第一步，将外侧底板1通过第一高强螺栓3固定在地面上，外侧挡板2与将外侧底板1焊接，再通过第二高强螺栓8将外侧顶板7和外侧挡板2相连，使外侧底板1、外侧顶板7和两个外侧挡板2形成一个外侧矩形框架；内侧顶板16通过第三高强螺栓17与内侧挡板5相连，并连同内侧底板4一起形成内侧矩形框架；内侧底板4通过在外侧底板1上焊接的可调节螺杆6以及可调节螺杆6上配合连接的第一螺母6-1与外侧底板1相连接，从而使内侧矩形框架和外侧矩形框架形成一个整体，并能够根据待测高强螺栓连接副15的长度，调整可调节螺杆6至合适位置；
第二步，将两个单向应变片18对称贴在已开过凹槽的19待测高强螺栓连接副15的螺杆上，将导线埋入凹槽内，并将导线从待测高强螺栓连接副15的端头处引出，把待测高强螺栓连接副15的头部端固定在内侧矩形框架的顶板上，螺母端固定在外侧矩形框架的顶板上，并把导线从螺母出引出与电阻应变仪相连接；
第三步，根据待测高强螺栓连接副15的尺寸选择合适的套筒10套在螺母15-1上，在套筒10的上端根据圆柱形凸起选择合适尺寸的扭矩传感器11并旋入其中，在扭矩传感器11中接上扭矩显示器9，以便在施加扭矩时显示示数，扭矩扳手12的凹槽处与扭矩传感器11的六边形凸起紧密相连，从而使试件加载装置形成一个整体；
第四步，当需要测试时，对扭矩扳手12进行平稳均衡的施加拟定的扭矩，并在扭矩显示器9上读出拟定示数，由于在一定扭矩作用下，螺杆处产生了轴力，发生了变形，伸长量通过单向应变片18测量并将测量信号传递给电阻应变仪13，在电阻应变仪13的显示器上读出应变示数，取两个应变片的平均应变作为螺杆的拉应变；
再通过P＝EAε1，算出预拉力P，再按照《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)规定的公式k＝T/(DP)得出扭矩系数，并计算扭矩系数的算术平均值与标准差。

Claims (7)

1.一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，包括用于与待测高强螺栓连接副(15)固定连接的固定装置，设置在与待测高强螺栓连接副(15)配合的螺母(15-1)处用于为螺母(15-1)施加扭矩的扭矩扳手(12)，扭矩扳手(12)通过套筒(10)与螺母(15-1)连接，扭矩扳手(12)与套筒(10)之间设有扭矩传感器(11)，扭矩传感器(11)与扭矩显示器(9)连接，螺母(15-1)与待测高强螺栓连接副(15)头部之间的螺杆上设有测量待测高强螺栓连接副(15)螺杆轴向应变的单向应变片(18)，单向应变片(18)与电阻应变仪(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，所述单向应变片(18)设置多个，且在待测高强螺栓连接副(15)螺杆的圆周方向对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，所述单向应变片(18)设置两个。
4.根据权利要求1所述的一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，所述待测高强螺栓连接副(15)的螺杆上开设有用于容纳与单向应变片(18)连接的导线(14)的凹槽(19)，凹槽(19)的上端延伸至单向应变片(18)的下端，凹槽(19)的下端向下延伸且贯穿待测高强螺栓连接副(15)的头部。
5.根据权利要求1所述的一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，固定装置包括内侧矩形框架和外侧矩形框架，内侧矩形框架和外侧矩形框架均包括处于上方的顶板、处于下方的底板和处于两侧的挡板，挡板的两端分别与顶板和底板固定连接，内侧矩形框架设置在外侧矩形框架的内部且对应边平行，外侧矩形框架固定且其底板与内侧矩形框架的底板连接，待测高强螺栓连接副(15)的螺杆从下往上贯穿内侧矩形框架和外侧矩形框架的顶板的中部，螺母(15-1)设置在外侧矩形框架顶板的上方，待测高强螺栓连接副(15)的头部处于内侧矩形框架顶板的下方。
6.根据权利要求5所述的一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的装置，其特征在于，所述外侧矩形框架的底板与内侧矩形框架的底板通过可调节螺杆(6)连接，可调节螺杆(6)与待测高强螺栓连接副(15)同轴设置，可调节螺杆(6)的下端与外侧矩形框架的底板连接，上端贯穿内侧矩形框架的底板，且配合连接有第一螺母(6-1)，第一螺母(6-1)设在内侧矩形框架的底板上方。
7.一种测量高强螺栓连接副扭矩系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，先将固定装置固定，以及将待测高强螺栓连接副(15)通过螺母(15-1)与固定装置固定连接；
步骤二，再将单向应变片(18)设置在待测高强螺栓连接副(15)的螺杆上，且处于螺母(15-1)与待测高强螺栓连接副(15)的头部之间，单向应变片(18)与电阻应变仪连接，再将扭矩传感器(11)与扭矩显示器(9)连接；
步骤三，通过连接有扭矩传感器(11)和套筒(10)的扭矩扳手(12)为螺母(15-1)施加扭矩，在施加力矩时，电阻应变仪(13)显示待测高强螺栓连接副(15)的拉应变，扭矩显示器(9)显示待测高强螺栓连接副(15)上施加的扭矩，通过所测拉应变及施加的扭矩能够计算得到扭矩系数k。
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