CN107271097A - 一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置及方法，属于机械工程和力学领域。该装置包括：螺栓连接件、压力传感器、力矩扳手、疲劳试验机、四通道放大器、数据采集卡以及安装有数据采集软件的电脑。疲劳试验机对螺栓试验件加载交变载荷，压力传感器测量夹紧力衰减的变化，并以力信号的形式传送到四通道放大器进行力信号放大，最终放大后的力信号由数据采集卡进行数据采集，并在相应电脑软件上对数据进行处理，得到夹紧力衰减与加载载荷大小和时间的变化关系，最终得到螺栓松弛的规律。本发明解决了在一定幅值和频率的交变载荷加载作用下螺栓夹紧力衰减随时间变化测量困难的问题，具有精度高、结构简单且能够实时监测等优良性能。
Description
技术领域
本发明设计了一种测量螺栓夹紧力随交变载荷加载而衰减的装置及其使用方法，属于机械工程和力学领域。
背景技术
螺栓是最常见的紧固件之一。因其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于机械、车辆、铁路以及各种工程结构之中。为了增强螺纹联接的刚性、紧密性和防松能力，以及受拉螺栓的疲劳强度，联接螺栓必须被施加一个预紧力。螺栓松弛为具有一定预紧力的螺栓紧固件在交变载荷情况下，其夹紧力下降的过程称为螺栓松弛。螺栓的松动问题使用环境复杂，影响螺栓连接的因素较多，尽管有各种方法防止螺栓连接的松动，但由于螺栓连接特有的连接方式，从本质上防止螺栓连接紧固力矩下降的方法却没有。
在实际的装配生产过程中，预紧力不容易被直接测到，因而人们采取种种其他手段来控制预紧力，如扭矩控制法，转角控制法等，这些方法虽然能表征出来预紧力的变化，但无法定量的去表述预紧力的变化。
目前定量测量夹紧力衰减的方法十分有限。比较先进的一种方法为，在待测螺栓的六角帽中心打一个直径2mm的盲孔，在孔内安装埋入式应变计，经过封胶固化等处理程序后，放在试验机上进行标定，即给出螺栓所受轴向的紧固力与轴向应变的关系，一般情况下呈线性关系。经过上述标定后，即可得到螺栓轴向应变与轴向紧固力的关系。随后可以将装有应变计的螺栓安装在结构上，在加上荷载后通过应变仪采集螺栓轴向的应变数据，最后根据标定文件将应变换算成螺栓的轴向紧固力。这种方法虽然能够准确的测出螺栓夹紧力的变化情况，但其对螺栓具有破坏性，预埋应变计发生塑性变形不可恢复，可重复使用率低，以及造价较高等缺点，不具有应用广泛性。
基于以上所述，本发明解决了以往测量螺栓夹紧力衰减的种种困难，且具有精度高、结构简单，而且操作起来简便易行，能够实时监测等优良性能。
发明内容
为了解决定量实时测量螺栓夹紧力衰减变化的情况。本发明设计了一套精度高、结构简单，而且操作起来简便易行的实时测量螺栓夹紧力衰减变化的装置及方法。其螺栓夹紧力衰减测试系统框图如图(1)所示，通过Instron8801拉伸试验机给螺栓连接件加载交变载荷，结合压力传感器，四通道放大器，Smacq数据采集卡采集数据，以及对应电脑软件分析处理数据，通过改变拉伸试验机输入载荷的频率和幅值以及加载载荷的时间，来控制施加载荷的大小和作用时间，进而研究螺栓夹紧力持续变化。
本发明的具体技术方案为：一种实时测量螺栓夹紧力随交变载荷加载而变化的情况，将两个压力传感器分别夹于螺栓头部和试件表面中间，上下两个连接件用两个型号为M16×110mm的螺栓连接，连接好的螺栓试验件用拉伸试验机夹持固定，并给其提供不同周期，不同频率和幅值的交变载荷，随着交变载荷循环加载，获得的力学信号，通过四通道放大器放大，再通过Smacq数据采集卡采集，最终由电脑软件处理获得螺栓的夹紧力随时间的变化数据。该装置精度高，操作简单，实时测量出螺栓夹紧力随交变载荷变化的情况。
为了实现上述目标，一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，包括数显力矩扳手、Instron8801拉伸试验机(9)、压力传感器1(3)、压力传感器2(7)、外六角M16×110mm螺栓1(2)、外六角M16×110mm螺栓2(8)、M16螺母1(4)、M16螺母2(6)、上连接件(1)、下连接件(5)、四通道放大器(16)、放大器电源(15)、Smacq数据采集卡(13)、采集卡接线端子(14)、采集卡USB数据线(11)、采集卡电源适配器(12)以及对应安装有采集软件的电脑(10)；
压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别用外六角M16×110mm螺栓1(2)和外六角M16×110mm螺栓2(8)固定，外六角M16×110mm螺栓1(2)通过M16螺母1(4)连接，外六角M16×110mm螺栓2(8)和M16螺母2(6)连接；压力传感器分别串联在外六角M16×110mm螺栓1(2)、外六角M16×110mm螺栓2(8)和上连接件(1)之间，上连接件(1)和下连接件(5)的两端分别夹在Instron8801拉伸试验机(9)上，压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别连接到四通道放大器(16)上的K和L通道，四通道放大器(16)与Smacq数据采集卡(13)接好后，通过采集卡USB数据线(11)使得Smacq数据采集卡(13)与安装有采集软件的电脑(10)相连，Smacq数据采集卡(13)连接有采集卡电源适配器(12)，放大器电源(15)通过采集卡接线端子(14)与Smacq数据采集卡(13)连接；M16螺母1(4)和M16螺母2(6)的旋紧由显力矩扳手控制。
上连接件(1)和下连接件(5)的材料，加工方式以及尺寸相同，该试件满足基本的刚度和强度要求，能够真实再现实际工程中螺栓连接情况，在获得准确实验数据的同时，不破坏螺栓本身的结构，重复使用率高。
上连接件(1)和下连接件(5)外侧过渡区域均采用倒圆角处理。
压力传感器1(3)和压力传感器2(7)为圆饼形，孔径为16.5mm。
数据采集卡(13)基于高速USB读写技术实现高带宽数据传输，最高1MSa/s采样率的数据采集需要；模拟采集数据高达1MSa/s的高速采样同时，还具有16位的垂直分辨率和最大±24V的7个量程。
一种实时测量螺栓夹紧力衰减的方法，
步骤一：根据实际工况，对螺栓及其螺栓连接件进行受力分析，计算出螺栓及其连接件在不受破坏的情况下，螺栓所能承受的最大载荷Fmax；
步骤二：启动Instron8801拉伸试验机(9)，预热10min；将压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别用外六角M16×110mm螺栓1(2)和外六角M16×110mm螺栓2(8)以及M16螺母1(4)和M16螺母2(6)固定在螺栓连接件上；通过控制数显力矩扳手来控制加载的扭矩；
步骤三：压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别连接到四通道放大器(16)上的K和L通道，四通道放大器(16)输出端，红色线接电源正24Vdc，棕色接电源负0V，K通道是通过绿色和橙色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，绿色接信号正，橙色接信号负；L通道是通过紫色和粉色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，紫色接信号正，粉色接信号负；四通道放大器(16)与Smacq数据采集卡(13)接好后，通过采集卡USB数据线(11)使得Smacq数据采集卡(13)与安装有采集软件的电脑(10)通过相连；
步骤四：螺栓试验件、压力传感器1(3)、压力传感器2(7)、四通道放大器(16)、Smacq数据采集卡(13)以及装有采集软件的电脑(10)的接线都连接好后，将连接好的螺栓试验件夹持在Instron8801拉伸试验机(9)上，安成整套装置的安装；
步骤五：依次打开四通道放大器(16)、Smacq数据采集卡(13)的电源开关，打开Instron8801拉伸试验机(9)实验操作软件，设置加载频率和加载力大小，并设置交变载荷类型即正弦波、方波、锯齿波以及循环周期；开启载荷加载试验，由电脑(10)采集夹紧力F和时间t的数据，绘制出F-t二维曲线图。
上连接件(1)和下连接件(5)结构相同，均为T型组件，材料为35CrMo，尺寸大小满足强度和刚度要求，这样可以避免因连接件强度，刚度不够造成的尺寸变形对螺栓夹紧力的影响，外侧过渡区域均采用倒圆角处理，该设计理念避免了因轴向拉力过大而导致的应力集中现象。
有益效果
解决了实验过程中测量螺栓夹紧力变化比较困难的问题，同时对于以往测量误差较大，测量起来步骤繁琐等问题给予了相应的解答。给出了一种经济，操作简单，误差小且能够实时测量螺栓夹紧力衰减变化的装置和方法。
1)设计了一套简单但实用的螺栓夹紧力衰减装置，该试件满足基本的刚度和强度要求，能够真实再现实际工程中螺栓连接情况，在获得准确实验数据的同时，不破坏螺栓本身的结构，重复使用率高，该装置组成简单，只有上下连接件，螺栓和螺母本身构成，根据工程实际情况，本试验装置暂且不考虑垫圈对螺栓夹紧力的影响。
2)压力传感器是考虑实际工作环境的复杂性，根据企业装配设备特性，结合M16×110mm螺栓本身尺寸以及所设计的拉伸试验件尺寸大小所设计的，该设计为圆饼形，孔径为16.5mm，在满足量程和高精度的前提下，减小压力传感器本身的厚度至20mm。
3)数据采集卡基于高速USB读写技术实现高带宽数据传输，最高1MSa/s采样率的数据采集需要。模拟采集数据高达1MSa/s的高速采样同时，还具有16位的垂直分辨率和最大±24V的7个量程，满足了螺栓夹紧力数据采集的要求。
4)整套实验装置的组合，能够准确实时测量出服役螺栓夹紧力的变化，为解决实际工程螺栓夹紧力衰减问题，提供了有效的测试方案。实验所得数据，经处理分析可以得到螺栓松弛的规律。
附图说明
图1螺栓夹紧力衰减测试系统框图。
图2螺栓夹紧力力衰减测试试验连接件。
图3螺栓夹紧力衰减测试装置图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
步骤一：根据实际工况，对螺栓及其螺栓连接件进行受力分析，计算出螺栓及其连接件在不受破坏的情况下，螺栓所能承受的最大载荷Fmax。
螺栓装配理论初始预紧力计算：所设计的螺栓规格为M16×110mm，螺栓材料和连接件材料相同，均采用35CrMo，强度等级为10.9，由GB/T196-2003,螺栓的相关参数，如表1所示。
表1螺栓参数
根据公式：
T＝T1+T2 (1)
式中：T1-旋转副中的摩擦阻力距；T2-螺母与支撑面间的摩擦力矩；λ-螺纹升角；ρ＇-当量摩擦角；fc-无润滑条件下的摩擦系数；rf-支撑面摩擦半径。
计算理论初始预紧力为
Q0＝35.41KN-73.48KN
步骤二：启动Instron8801拉伸试验机(9)，依次打开试验机的制冷设备开关，液压系统开关，控制器开关，最后打开试验机电脑，启动软件，加压至201Bar左右，预热10min。将压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别用外六角M16×110mm螺栓1(2)和外六角M16×110mm螺栓2(8)以及M16螺母1(4)和M16螺母2(6)固定在螺栓连接件上，如图(2)所示。通过控制数显力矩扳手来控制加载的扭矩，拧紧时，左右两侧螺栓要求循序交替拧紧，例如，施加20N·m的紧固力矩，首先用数显力矩扳手把左侧螺栓拧紧到5N·m,然后把右侧螺栓拧紧到5N·m,加载完成后，再回到左侧螺栓拧紧到10N·m,之后再把右侧螺栓加载到10N·m,依次循环，每次增加5N·m，交替拧紧直到达到目标紧固力矩为止。这种拧紧方式的优点在于可以预压连接件，防止螺纹毛刺等缺陷造成的假扭矩。根据实验要求先初步预设一个螺栓紧固力矩的初始值将两螺栓拧紧，所加载扭矩的大小，理论上不超过螺栓所能承受的最大拧紧力矩Tmax。
步骤三：压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别连接到四通道放大器(16)上的K和L通道，四通道放大器(16)输出端，红色线接电源正24Vdc，棕色接电源负0V，K通道是通过绿色和橙色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，绿色接信号正，橙色接信号负。L通道是通过紫色和粉色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，紫色接信号正，粉色接信号负。四通道放大器(16)与Smacq数据采集卡(13)接好后，通过采集卡USB数据线(11)使得Smacq数据采集卡(13)与安装有采集软件的电脑(10)通过相连。
步骤四：螺栓试验件、压力传感器1(3)、压力传感器2(7)、四通道放大器(16)、Smacq数据采集卡(13)以及装有采集软件的电脑(10)的接线都连接好后，将连接好的螺栓试验件夹持在Instron8801拉伸试验机(9)上，安成整套装置的安装，如图(3)所示。
步骤五：依次打开四通道放大器(16)、Smacq数据采集卡(13)的电源开关，打开Instron8801拉伸试验机(9)实验操作软件，设置加载频率和加载力大小，并设置交变载荷类型(正弦波、方波、锯齿波)以及循环周期；开启载荷加载试验，由电脑(10)采集夹紧力F和时间t的数据，绘制出F-t二维曲线图。
对上述实验过程进行重复操作，依次改变加载载荷的幅值和频率，分别得到不同载荷下的F-t曲线，通过对实验数据的综合分析，获得在改变加载频率和加载幅值下的螺栓夹紧力力随时间的衰减规律，基于螺栓夹紧力的衰减规律建立螺栓松弛的数学模型。
Claims (7)
1.一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：包括数显力矩扳手、Instron8801拉伸试验机(9)、压力传感器1(3)、压力传感器2(7)、外六角M16×110mm螺栓1(2)、外六角M16×110mm螺栓2(8)、M16螺母1(4)、M16螺母2(6)、上连接件(1)、下连接件(5)、四通道放大器(16)、放大器电源(15)、Smacq数据采集卡(13)、采集卡接线端子(14)、采集卡USB数据线(11)、采集卡电源适配器(12)以及对应安装有采集软件的电脑(10)；
压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别用外六角M16×110mm螺栓1(2)和外六角M16×110mm螺栓2(8)固定，外六角M16×110mm螺栓1(2)通过M16螺母1(4)连接，外六角M16×110mm螺栓2(8)和M16螺母2(6)连接；压力传感器分别串联在外六角M16×110mm螺栓1(2)、外六角M16×110mm螺栓2(8)和上连接件(1)之间，上连接件(1)和下连接件(5)的两端分别夹在Instron8801拉伸试验机(9)上，压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别连接到四通道放大器(16)上的K和L通道，四通道放大器(16)与Smacq数据采集卡(13)接好后，通过采集卡USB数据线(11)使得Smacq数据采集卡(13)与安装有采集软件的电脑(10)相连，Smacq数据采集卡(13)连接有采集卡电源适配器(12)，放大器电源(15)通过采集卡接线端子(14)与Smacq数据采集卡(13)连接；M16螺母1(4)和M16螺母2(6)的旋紧由显力矩扳手控制。
2.根据权利要求1所述的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：上连接件(1)和下连接件(5)的材料，加工方式以及尺寸相同，该试件满足基本的刚度和强度要求，能够真实再现实际工程中螺栓连接情况，在获得准确实验数据的同时，不破坏螺栓本身的结构，重复使用率高。
3.根据权利要求1所述的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：上连接件(1)和下连接件(5)外侧过渡区域均采用倒圆角处理。
4.根据权利要求1所述的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：压力传感器1(3)和压力传感器2(7)为圆饼形，孔径为16.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：数据采集卡(13)基于高速USB读写技术实现高带宽数据传输，最高1MSa/s采样率的数据采集需要；模拟采集数据高达1MSa/s的高速采样同时，还具有16位的垂直分辨率和最大±24V的7个量程。
6.根据权利要求1所述的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的装置，其特征在于：上连接件(1)和下连接件(5)结构相同，均为T型组件，材料为35CrMo，尺寸大小满足强度和刚度要求。
7.利用权利要求1所述装置进行的一种实时测量螺栓夹紧力衰减的方法，其特征在于：
步骤一：根据实际工况，对螺栓及其螺栓连接件进行受力分析，计算出螺栓及其连接件在不受破坏的情况下，螺栓所能承受的最大载荷Fmax；
步骤二：启动Instron8801拉伸试验机(9)，预热10min；将压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别用外六角M16×110mm螺栓1(2)和外六角M16×110mm螺栓2(8)以及M16螺母1(4)和M16螺母2(6)固定在螺栓连接件上；通过控制数显力矩扳手来控制加载的扭矩；
步骤三：压力传感器1(3)和压力传感器2(7)分别连接到四通道放大器(16)上的K和L通道，四通道放大器(16)输出端，红色线接电源正24Vdc，棕色接电源负0V，K通道是通过绿色和橙色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，绿色接信号正，橙色接信号负；L通道是通过紫色和粉色两根线与Smacq数据采集卡(13)相连，紫色接信号正，粉色接信号负；四通道放大器(16)与Smacq数据采集卡(13)接好后，通过采集卡USB数据线(11)使得Smacq数据采集卡(13)与安装有采集软件的电脑(10)通过相连；
步骤四：螺栓试验件、压力传感器1(3)、压力传感器2(7)、四通道放大器(16)、Smacq 数据采集卡(13)以及装有采集软件的电脑(10)的接线都连接好后，将连接好的螺栓试验件夹持在Instron8801拉伸试验机(9)上，安成整套装置的安装；
步骤五：依次打开四通道放大器(16)、Smacq数据采集卡(13)的电源开关，打开Instron8801拉伸试验机(9)实验操作软件，设置加载频率和加载力大小，并设置交变载荷类型即正弦波、方波、锯齿波以及循环周期；开启载荷加载试验，由电脑(10)采集夹紧力F和时间t的数据，绘制出F-t二维曲线图。
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