CN1066806C - 紧固件的预拉伸装置及预拉伸方法 - Google Patents

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Abstract

在紧固件的预拉伸装置中，一预拉伸单元(4，5)在第一区连接在紧固件(2)的一端上，并安装成使得它在第二区被一刚性构件(1a，20)所支撑，紧固件相对于刚性构件能发生预拉伸伸长。该预拉伸单元(4，5)包含一种形状记忆金属，如象用形状记忆金属制作的部件(4)，并将其适当安排，使得它能在相变时通过一保持件(5)将紧固件伸长。

Description

紧固件的预拉伸装置及预拉伸方法
本发明涉及的是一种螺栓或类似紧固件的预拉伸装置，这种装置可用于工程，尤其是用于在装配操作中预拉伸大个螺栓。
最好是在螺帽拧紧之前采取用一预先计算好的力拉长螺栓的方法来实现预拉伸。为了实现这一步，人们已提出了一些预拉伸的工具，例如液压预拉伸装置就是其中之一，瑞典专利7701049-4就是一个例子。它是用液压来拉伸螺栓，然后把螺帽向下拧紧。在除去压力后，连接件将被拉紧并在螺栓中就保持了所希望的预应力。
在上述情形中，拉伸发生在待拉伸的螺栓顶部，而且还常常把一柱塞状的部分放入螺栓内的孔之中，液压可施加在这柱塞状部分的一端上。因此，拉伸力将由柱塞直接对螺栓端部的作用所控制，从而在两端部之间将产生预拉伸伸长(pre-tensioning elongation)。
在德国专利DE-OS3733243中利用了一个放置于螺栓内孔中而且还能加热的柱塞件。在某些情形中，利用了一个放置在螺栓内，同时还能，例如，用电流加热的钢棒，这个钢棒将会由于引入其中的热而发生热膨胀使待拉伸的螺栓伸长。所有上述方法都要求复杂的装置和工具，而且常常必须为各种尺寸的螺栓各做一套工具。
美国专利5,248,233公开的是一种松开螺栓连接的装置，它利用了一种装有加热元件的形状记忆金属(shape-memory)圆柱的相变来松开分段式螺帽(segmented nut)而不会对结构产生冲击性的影响(shock effect)。这份专利却并没表明实现紧固操作的预拉伸的作用。
美国专利4,450,616包含了一个形状记忆金属盘(disk)，它仅仅利用形状记忆金属的性质来保证螺帽或螺栓的紧固性。
本发明提供一种紧固件的预拉伸装置，它包含一个预拉伸单元，此单元具有在第一区域与紧固件的一端相连的第一部件，并具有与第一部件相邻的第二部件，与拧紧件一起，拧紧件是一个与预拉伸单元分离的部件而且附着在紧固件上以便能与预拉伸单元无关地运动，紧固件的另一端可附着在第二工件上，第二工件限制了紧固件在伸长方向上的移动，其特征在于，预拉伸单元包含形状记忆金属，目的是，通过相变膨胀以便作用在第一部件上把紧固件伸长并允许把拧紧件移动向第一工件的拧紧位置上，在形状记忆金属的伸长效应卸去前，用紧固件连接在第二工件上。
本发明还提供一种预拉伸紧固件的方法，按照这种方法把预拉伸单元在它的第一区域与紧固件一端相连，而且该单元第二部件在其第二区域被刚性结构件所支撑，预拉伸长就是相对于这个刚性结构发生用于将第一工件连接在第二工件上，其特征在于：预拉伸单元的第二部件包含形状记忆金属，将形状记忆金属加热到它的转变温度时，它由于相变而膨胀，并作用在第一部件上将紧固件伸长，以使得能将附连在紧固件上并可相对于第二工件作相对运动的拧紧件拧紧，紧固件的另一端附着第二工件并限制紧固件在伸长方向上的移动，拧紧的方法是将拧紧件相对于第二工件向准备用紧固件连接的第一工件移动，之后再将形状记忆金属的伸长效应卸去而将紧固件最后拧紧。
在按照本发明所述的预拉伸装置中，与现有的装置有关的大多数缺点都已被消除。本发明所述的装置是以利用已知的这种形状记忆金属为基础。
本发明是以形状记忆金属的晶体结构中所发生的受温度影响的相变为根据的。这个现象被称为马氏体反应(martensitic reaction)。形状记忆金属合金做的工件的形状和体积在由外力引起形变之后加热，可在较低温度时完全恢复到与原始状态相应的形状和体积。通常而言，在4-8％的形变之后这种恢复仍然是完全的。马氏体反应是在一个十分狭窄的转变温度范围内开始和发生。这个温度范围通常大约是20℃(As到Af的范围内)，它通常可与-30-+100℃的温度范围内的一个所希望的区段相适应。在某些条件下马氏体反应在结晶学上讲完全是可逆的。形状记忆金属的形变不是以热膨胀为基础的，而是以由于温度变化所激发的晶体结构上的相变为基础的。一旦到达转变温度，相变就立即发生。因为转变温度低，所以待加热的工件不会需要大量的热能。
形状记忆金属存在有两个主要的类别，一种显示出单向的形状记忆效应，而另一种则显示出双向效应。基于单向形状记忆效应的那些形状记忆金属，由预定的转变温度所激发的形变是不可逆的。在双向形状记忆效应的情形中，当工件冷却到一预定的温度(Ms到Mf范围)以下时形变是可逆的。下文就把基于单向形状记忆效应的形状记忆金属称为单向形状记忆，金属而把基于双向效应的形状记忆金属命名为双向形状记忆金属，而且温度相应地被称为上转变温度(Af)和下转变温度(Mf)。
双向形状记忆金属具有一上转变温度，其典型值是在80-100℃的范围，而且只有在工件冷却或降温到下转变温度时，工件才能恢复到原来的状态，下转变温度的典型值是在-20到+20℃的范围。上述的循环可以重复多次，甚至可达10000次的程度，这主要与形变和负载有关。好几种形状记忆合金都可承受很高的应力而不会发生塑性形变和失去形状记忆特性，应力甚至可以高达800-1000N/mm2，因而用这样的材料所做的工件可以由于形变而产生一很大的力。
在按照本发明所述的装置中，在所谓的形状记忆金属的预定转变温度范围内开始的相变被用作紧固件的拉伸动力源，这种相变引起了形状记忆金属件的尺寸变化。由于这种尺寸变化而引起的力被用来拉伸紧固件。双向形状记忆金属的形变能力典型的大约为4％，而预应力拉伸，例如对钢制螺栓而言，典型的大约是纵向长度的0.2％。
下面，我们将参照附图较详细地描述本发明。这些附图是：
图1画出了按照本发明所述的预拉伸螺栓的配置和装置。
图2画出了图1所示的本发明的锁定件和实际的拧紧件。
图3画出了按照本发明所述的用于预拉伸紧固件的另一种装置，它利用了一个放置于紧固件中的形状记忆金属芯(cartridge)来进行预拉伸。
图4画出了按照本发明所述的第三种借助形状记忆金属芯来实现预拉伸的装置，其中用钢棒代替了部分形状记忆金属芯。
图5画出了按照本发明所述的第四种应用方案，其中形状记忆金属芯是放置在紧固件的孔之外，而且将钢棒放置在孔中来进行力的传递。
在本发明中，紧固件被认为是指：通常的细长形的、在施力时可伸长而且可借助于能在紧固件长方向移动的拧紧件被拉紧从而与待连接的工件形成紧固关系的连接件。紧固件至少相对于拧紧件紧贴其上的待连接的第一工件而言是可自由伸长的。而且拧紧件的运动相对于待连接的第二工件而言，在伸长方向上是受限的，至少在拧紧件被拧紧在第一工件上时是这样。
按照图1的配置，待连接到一起的工件1a，1b是用充作紧固件2的螺栓连接的。在图1所画的情形中，显示出螺栓穿过上面的第一工件1a，通过螺纹8与下面的第二工件1b连接在一起。在螺栓的上端螺纹9上有转动拧紧件3，例如螺帽，而且在螺帽的上面，在同一螺纹上还旋拧有一为锁定件(locking piece)的第一部件5，在这个锁定件内，螺帽有一自由移动的空间。在锁定件的类似裙子的边缘部分13与待紧固的第一工件1a之间放置有一用双向形状记忆金属制造的为环形套垫(annular sleeve)的第二部件4。锁定件与套垫一起形成一个预拉伸单元(unit)。在这里，为锁定件的第一部件5充当了一个保持件，被用来承受为套垫的第二部件4中的相变所引起的效应并把它们再传递给螺栓。
该装置按下述的方式运作：用某种方法，例如热风机把以套垫形式的第二部件4加热到上转变温度，此时套垫里面发生相变，沿螺栓方向伸长并通过锁定件将可相对于待连接的第一工件1a伸长的紧固件2拉伸。然后可通过锁定件上的一些孔道7将专用工具插入拧紧件3上的一些凹口10中把拧紧件3拧紧。在拧紧拧紧件3后，可让形状记忆金属套垫降温或把它冷却到下转变温度，在这个转变温度上套垫就会恢复到原来的尺寸，同时螺栓被拉紧。这时即可松掉锁定件和去掉形状记忆金属套垫。
形状记忆金属套垫的尺寸可按各螺栓的长度和拉伸该螺栓所需要的力分别选定。但是，最实用的是把套垫做成这样的厚度，使得它能足够拉伸各种长度直到已确定的最大长度的螺栓。如果预拉伸螺栓所要求的伸长小于形状记忆金属垫的伸长，则可在形状记忆金属垫与锁定件的边缘部分13之间留一间隙11，这个间隙的尺寸是这样的，它应使得形状记忆金属垫的伸长减去间隙宽度后的差值等于所要求的螺栓的预拉伸长。这个间隙可借助某个已知的测量仪器来测定。
以形状记忆金属垫形式的第二部件4可以用一已知的方法，例如采用热风机或电阻将其加热到上转变温度。热风机和电阻丝都能很容易地安放在该套垫的周围。由于转变温度比较低，所以所需的热量并不很大。当它的温度降到下转变温度时，用双向形状记忆金属做的套垫就会恢复到原来的形状。如果这个温度是在环境温度以下时，则可利用，例如，干冰将它冷却到下转变温度。
按照本发明所述的装置具有明显的优点。它能利用通常的具有头部或榫头(tenons)的螺栓，而且为了实现预拉伸，该装置所要求的空间也很小。完成预拉伸也不必需要测量装置。可以使用同一装置把螺栓松开。
采用在为锁定件的第一部件5上安装几个适配环12(adaptor ring)的方法，就可使该装置能用于各种相应尺寸的螺栓的预拉伸。适配环的内螺纹6与紧固件2的相应螺纹9相适配，而且适配环通过外螺纹14固定在锁定件的边缘部分13上。
对于熟悉技术的人来说显然可知，如果要拉伸一个长的螺栓，一个单一的形状记忆金属垫又不足以给螺栓产生一所需的预拉伸长时，就可在锁定件下面一个摞一个地放置两个或好几个形状记忆金属垫。那时，这些垫可以具有标准的高度，这样，就能利用施加一个或一个摞一个地施加好几个套垫的方法，来达到预拉伸所希望的伸长度。
套垫也可沿它的周边方向(peripheral direction)上分成几个部分。在这情形，最好是，锁定件包含两个或好几个分开的指向待连接的第一工件1a的腿，用来代替它的象裙子的边缘部分13。形状记忆金属件就安置在这些腿的下面。
形状记忆金属件也可固定在锁定件上以使得这些部件固定在一起。
图3画出了另一种方法，它使用了一个支撑在紧固件的孔底部的预拉伸单元。孔15是在待预拉伸为螺栓的紧固件2的中心钻出的并可容纳为形状记忆金属芯的第二部件4。在这个芯的里边放置了一加热元件16，它可以是，例如一个可用电加热的电阻。为限位器螺栓的第一部件5充当了一个保持件(retaining piece)。限位螺栓可被固定在孔15的开口一侧的螺栓的内螺纹17中。以后就把该限位器螺栓叫做限位器。电线19沿限位器内钻的孔18通过限位器，到达形状记忆金属芯。在螺栓中钻的孔15主要延伸于螺栓预拉伸的过程中将会伸长的区域。
该装置可按下述方式运作：把待拉伸的螺栓安装到位并把形状记忆金属芯放置在螺栓孔15中。把限位器拧进螺纹17并使得芯中加热元件16的电线19通过限位器的小孔18。适当地转动限位器以使得在形状记忆金属芯(第二部件4)与限位器(第一部件5)之间留一间隙11，这个间隙的尺寸应等于形状记忆金属芯的长度变化与所希望的螺栓伸长度之差值。当形状记忆金属芯被加热元件16加热到上转变温度时，芯子将发生以长度增加形式出现的形变。同时它通过为孔15底部的刚性构件20和限位器把螺栓伸长。在螺栓处于伸长状态时，把螺帽(拧紧件3)拧紧。当形状记忆金属芯冷却到下转变温度时，它就返回到原来的尺寸，螺栓已被预拉伸了。这时就可取掉限位器和形状记忆金属芯。可以用类似的方法来松开螺栓。
上面的描述中，紧固件2是用电阻进行加热。显然，对于熟悉技术的人来说，采用某种其他的已知方法进行加热也是可以的。
对于每一种螺栓长度和每一种拉伸螺栓所需要的力，都可分别定做相应尺寸的形状记忆金属芯。但是，切实可行的是，可以这样来确定形状记忆金属芯的长度，使得它能足以使给定长度的螺栓伸长。如果待拉伸的螺栓所要求的伸长度小于形状记忆金属芯的伸长度则在形状记忆金属芯和限位器之间可留一间隙11，这样，同一形状记忆金属芯就可用于多种尺寸的螺栓的预拉伸。这个间隙可以用下述方法来度量：首先把限位器向下拧，然后按给定的转动圈数来拧开它，或者用某种已知方法来测量限位器的突出长度。
图4画出了实现预拉伸操作的第三种方案。将以限位器形式的第一部件5拧进待拉伸的位于螺栓一端上的孔15的开口部分的内螺纹17中。在开口部分的无螺纹的延伸部分17a中放置一以形状记忆金属芯形式的第二部件4。放置在螺栓中的延伸孔15中的金属棒21从形状记忆金属芯处开始延伸，这个棒是用来将形状记忆金属芯的形变所引起的力通过为孔底部的刚性构件20传递到螺栓的另一端。这个装置的运作方式与前述方式相同。
图5画出了第四种方法。在这里，为形状记忆金属芯的第二部件4是放置在螺栓孔的外面，而且在这之前已在孔中放置了，例如，一根钢棒21。钢棒比紧固件2中的钻孔长，而且它应作成这样的尺寸以使得它能承受住伸长为螺栓的紧固件2时所需要的力。螺帽(拧紧件3)以及其后与图3中限位器相应的以限位螺帽形式的第一部件5a都被拧在螺栓端部的螺纹上，以后把螺帽称为限位器，而且在它的内部至少容纳一个为形状记忆金属圆柱体的第二部件4a，这个圆柱体与图3中的形状记忆金属芯相对应。该圆柱体紧贴在棒21上，而且靠在限位器的另一侧。可以借助放置在它里面的加热元件把形状记忆金属圆柱体加热到上转变温度，或者把加热元件放置在限位器内的空间22中。加热也可从外部加热限位器来完成，这时，热将沿着限位器传导到形状记忆金属圆柱体并使它在那里开始所希望的相变，这就产生一个使紧固件2伸长的力，这个力是从形状记忆金属圆柱体通过限位器传递到螺栓的一端，同时还通过棒21传递到螺栓的另一端，这样把螺栓拉伸了。在这样把螺栓拉伸后，把拧紧件3向下拧到待连接的第一工件1a上，相对于第一工件1a而言，螺栓是能够自由伸长的，其操作可按与图3和图4方案相同的方式来完成。在将形状记忆金属圆柱体冷却后，或在把它冷却到下转变温度的过程中，它都会恢复它原来的尺寸，同时预拉伸装置(means)限位器，形状记忆金属圆柱体，可能会有的加热元件以及棒21都可以被取掉。用类似的方法也可将螺栓松开。
也可以在图5所示的实施例中利用间隙11，因而形状记忆金属芯或圆柱体的形变和希望的螺栓伸长彼此可以适配得很好，如前面所解释的那样。
在图5所示的实施例中，也可把两个或几个相应的或者可变长度(orvariable-lenghth)的圆柱体一个摞一个地叠放来代替一个单一的形状记忆金属芯，这样它们共同起作用的转变就可与所希望的螺栓的伸长相匹配。
在把用单向形状记忆金属做的形状记忆金属芯用到装置中时，要想在预拉伸后将芯取出是很困难的。如果利用双向形状记忆金属做的芯子，在预拉伸后是很容易将芯子取出的，而且还可再用来预拉伸其他的螺栓。上述情形也适用于从图1和图2所示的预拉伸装置中取出形状记忆金属件。但是，在冷却过程中，却会发生一些现象，如松弛(relaxation)和热缩(themal shrinkage)也都可能有助于取掉单向形状记忆金属制作的预拉伸装置。
熟悉该技术的人都知道，本发明除了可用于附图和说明中所描述的那些紧固件而外，还可用于其他紧固件的预拉伸，而热量传递到形状记忆金属芯的途径对装置的功能并不重要。
形状记忆金属通常是金属合金，而且已知它们存在着好些类型，例如与添加剂混合的镍-钛合金就是一种。本发明并不限于任何单一的已知或后来发现的形状记忆金属。

Claims (14)

1．紧固件的预拉伸装置，它包含一个预拉伸单元(4,5)，此单元具有在第一区域与紧固件(2)的一端相连的第一部件(5)，并具有与第一部件相邻的第二部件(4)，与拧紧件(3)一起，拧紧件(3)是一个与预拉伸单元(4,5)分离的部件而且附着在紧固件(2)上以便能与预拉伸单元无关地运动，紧固件的另一端可附着在第二工件(1b)上，第二工件限制了紧固件(2)在伸长方向上的移动，其特征在于，预拉伸单元(4,5)包含形状记忆金属，目的是，通过相变膨胀以便作用在第一部件(5)上把紧固件(2)伸长并允许把拧紧件(3)移动向第一工件(1a)的拧紧位置上，在形状记忆金属的伸长效应卸去前，用紧固件连接在第二工件(1b)上。
2．按按照权利要求1所述的预拉伸装置，其特征在于：第一部件(5)是一个装在第一区域的保持件(retaining piece)，以及包含形状记忆金属件的第二部件(4,4a)处于保持件与刚性构件(1a,20)之间。
3．按照权利要求1所述的预拉伸装置，其特征在于：形状记忆金属是双向形状记忆金属，它至少具有一高于预拉伸单元的安装温度(mounting temperature)的上转变温度。
4．按照权利要求1或2或3所述的预拉伸装置，其特征在于：第一部件(5)是一个锁定件，它放置在如象螺帽并可沿着螺纹运动的拧紧件(3)的上方，该锁定件被安置同一螺纹上而且可通过指向待连接的第一工件(1a)的边缘部分(13)支撑。
5．按照权利要求2所述的装置，其特征在于：与锁定件的边缘部分(13)相连系地放置的是用形状记忆金属做的第二部件(4)，如象套垫或一些分离的垫片。
6．按照权利要求4所述的装置，其特征在于：锁定件具有一适配环(12)(adaptorring)以便把锁定件装配到待预拉伸的紧固件(2)的螺纹上，锁定件还包含一个可连接到适配环(12)上的边缘部分(13)。
7．按照权利要求5或6所述的装置，其特征在于：形状记忆金属的第二部件(4)是与锁定件相连接的。
8．按照权利要求2或3所述的装置，其特征在于：在由待预拉伸的紧固件(2)中钻的孔(15)和附连在紧固件端部的第一部件(5,5a)所限定的空间中有一第二部件(4,4a)，其为用形状记忆金属制成的芯并用来进行预拉伸的。
9．按照权利要求8所述的装置，其特征在于：形状记忆金属芯其一端紧贴在第一部件(5,5a)上，而另一端紧贴在棒(21)上，这个棒(21)就象是从形状记忆金属芯向下延伸到孔底一样。
10．按照权利要求8所述的装置，其特征在于：形状记忆金属芯上装设有一加热元件(16)，热能是通过第一部件(5,5a)被送到此加热元件的。
11．预拉伸紧固件的方法，按照这种方法把预拉伸单元(4,5)在它的第一区域与紧固件(2)一端相连而且该单元第二部件(4)在其第二区域被刚性结构件所支撑，预拉伸长就是相对于这个刚性结构发生用于将第一工件(1a)连接在第二工件(1b)上，其特征在于：预拉伸单元(4,5)的第二部件(4)包含形状记忆金属，将形状记忆金属加热到它的转变温度时，它由于相变而膨胀，并作用在第一部件(5)上将紧固件(2)伸长以使得能将附连在紧固件(2)上并可相对于第二工件(1b)作相对运动的拧紧件(3)拧紧，紧固件(2)的另一端附着第二工件并限制紧固件(2)在伸长方向上的移动，拧紧的方法是将拧紧件(3)相对于第二工件(1b)向准备用紧固件连接的第一工件(1a)移动，之后再将形状记忆金属的伸长效应卸去而将紧固件(2)最后拧紧。
12．按照权利要求11所述的方法，其特征在于：形状记忆金属是双向形状记忆金属，其预拉伸效应可以用冷却或让它降温到它的下转变温度的方法来消除。
13．按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于：第一部件(5)是与紧固件(2)相连的保持件，而且预拉伸是借助于安装在保持件和刚性结构件之间的形状记忆金属的第二部件(4)来实现的。
14．按照权利要求13所述的方法，其特征在于：紧固件(2)的理想预拉伸长度与形状记忆金属的第二部件(4)的伸长变化是采用在第二部件(4)和由于相变的原因第二部件将作用于其上的第一部件之间留有一间隙(11)来互相匹配的。
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