CN109029962B - 确定紧固施工方案的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定紧固施工方案的试验系统，该系统包括两片法兰、待测紧固件、紧固工具和压力传感器，压力传感器的探测头设置于两片法兰之间，待测紧固件中的螺栓贯穿法兰的孔和压力传感器的孔。还包括定反力臂垫圈和定反力臂套筒，所述定反力臂垫圈套设于螺栓且位于一侧螺母处下方，定反力臂套筒的上侧与紧固工具的一端连接。本发明试验系统，通过模拟施工现场，可以准确测量出螺栓达载时的预紧力并准确记录紧固工具的工作状态，施工时基于测量出的预紧力和紧固工具的工作状态而进行紧固作业，可以保障紧固件达到施工要求的预紧力，防止因预紧力偏差而导致连接不牢靠，设备密封失效发生泄漏。

Description

确定紧固施工方案的试验系统

技术领域

本发明涉及技术紧固技术领域，特别涉及一种确定紧固施工方案的试验系统。

背景技术

利用紧固件(例如螺栓)连接管道，在施工中应用非常普遍。设计院根据要连接的管道的参数(管径、材质等)确定所需法兰的规格(孔数、厚度、材质等)，进而再确定所需的螺栓的规格(直径、材质等)，以及螺栓所需要达到的预紧力，施工单位在施工时，通过扳手给螺栓施加扭矩来产生相应的预紧力。理论上，通过施加相应力矩就可以达到所需的预紧力F。然而现实中，时常出现螺栓实际达到的预紧力不够或过大的情况发生，使得连接件的连接强度偏差过大在密封处发生泄漏，或者因预紧力过大而损坏螺栓，原因就在于所需的预紧力是通过经验公式计算出来的，而实际值无从得知，理论计算值与实际值存在一定误差。目前可测试紧固件K值的试验系统并未消除紧固过程中的反力臂等因素，易造成试验误差，不能准确提供紧固施工时的参数。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种可以准确确定紧固施工方案的试验系统。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种确定紧固施工方案的试验系统，所述试验系统包括两片法兰、待测紧固件、紧固工具和压力传感器，其中一片法兰固定于基座，压力传感器的探测头设置于两片法兰之间，待测紧固件的螺栓贯穿法兰的孔和压力传感器的孔；其中，所述紧固工具用于拧动待测紧固件的螺母，使螺栓达到紧固状态，并记录扭矩值；所述压力传感器用于测量拧动螺母过程中法兰所受到的压力值，所述压力值即为待测紧固件的预紧力。

进一步地，还包括定反力臂垫圈和定反力臂套筒，所述定反力臂垫圈设于螺栓且位于一侧螺母处下方，定反力臂垫圈的外轮廓为正多边形，且所述定反力臂垫圈至少一面设置有径向单向齿；所述定反力臂套筒的上侧与紧固工具的一端连接，定反力臂套筒包括同轴的外套筒和内套筒，外套筒的下侧开口形状与定反力臂垫圈的外轮廓相匹配，外套筒用于锁紧定反力臂垫圈以产生定力距反力臂，内套筒与外套筒间隙配合，内套筒的下侧开口形状与螺母的外轮廓相匹配，内套筒用于锁紧并驱动螺母旋转；所述外套筒不随内套筒旋转而旋转。

紧固工具一般可以使用扭矩扳手、电动扳手、液压扳手、气动扳手，本方案中，通过在扳手上设置定反力臂套筒，同时在螺母处设置定反力臂垫圈，定反力臂垫圈的径向单向齿使定反力臂垫圈与被紧固物件表面不发生相对旋转，外套筒与定反力臂垫圈配合成为反力臂支点，内套筒向螺母输出扭矩，作用力与反作用力同轴旋转，定反力臂套筒仅受到扭矩输出方向的扭转力，降低了所述定反力臂套筒所受力矩和力系的复杂度，消除扳手在紧固过程中的侧向偏载，使紧固过程中作用力与反作用力皆作用于螺栓径向直线方向，解决螺栓受力不均等问题，保证试验的准确性。

进一步地，上述试验系统中还包括万能试验机，用于测量螺栓的屈服强度和断裂强度，以便于检验螺栓是否合格并根据屈服强度控制拧动螺母过程中加载给螺栓的拧紧力矩。试验过程中，需要达到紧固状态，又要保障螺栓不被过度拉扯而损坏，因此，通过测试螺栓的屈服强度，以测出的实际屈服强度为参考设计加载给螺栓的拧紧力矩，可以使螺母与法兰达到紧固状态且螺栓不失去机械性能。

进一步地，上述试验系统中还包括长度测量工具，用于测量螺栓的直径。一般地，螺栓的直径作为一项技术参数，在螺栓出厂时已经获知，但是基于加工工艺和个体化的差异，使得每个螺栓之间的直径可能存在误差，通过实际测量螺栓的直径，便于试验过程中准确地提供拧紧力矩，提高预紧力的准确性。

进一步地，上述试验系统中还包括计算机，用于与万能试验机配合记录螺栓应力应变曲线，用于记录紧固工具工作时的工作状态，用于与压力传感器配合记录螺栓受力曲线。万能试验机绘制的应力应变曲线是表达螺栓机械性能的直观技术参数，检验螺栓是否符合技术规范。计算机可通过液压传感器、气压传感器、连接电动扳手等方式记录紧固工具的工作状态，压力传感器是反应螺栓受力过程中预紧力的变化。通过上述传感器与计算机获得试验中的所有参数，经过数据分析，给出符合施工要求的紧固方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过本试验系统可准确的确定出紧固施工用的液压、气压等参数，给出准确的紧固方案，施工时，基于实际测出的预紧力选择合适的螺栓，进行紧固作业，可以保障紧固件达到施工要求的预紧力，防止因预紧力不足、不均匀而导致连接不牢靠在密封处发生泄漏，或者预紧力过大而损坏螺栓。另外，本试验系统结构简单，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例中法兰、基座、螺栓之间的连接示意图。

图2为实施例中试验系统中各试验设备组装后的状态示意图。

图3为实施例中压力传感器的结构示意图。

图4为实施例中定反力臂套筒的结构示意图。

图5所示为实施例中所述定反力臂垫圈的主视图。

图6所示为实施例中所述定反力臂垫圈的仰视图。

图中标记说明

螺栓10，法兰20，螺母30，基座40，压力传感器50，电动扳手60，内套筒71，外套筒72，径向单向齿81，定反力臂垫圈82。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本实施例中提供了一种确定紧固施工方案的试验系统，该试验系统包括两片法兰20、基座40、待测紧固件、紧固工具、定反力臂垫圈、定反力臂套筒和压力传感器50，压力传感器50的探测头设置于两片法兰20之间，待测紧固件中的螺栓10贯穿法兰20的孔和压力传感器50的孔，并套上螺母30及定反力臂垫圈82(其结构如图5-6所示)，定反力臂垫圈82的外轮廓为正多边形(例如一般为正六边形或正八变形)，且所述定反力臂垫圈82至少一面设置有径向单向齿81。

其中，法兰20是符合国家或行业标准制造，可以是单孔或多孔，与施工现场使用的法兰20孔径、材质、硬度等一致。如图2所示，其中一片法兰20固定于基座40上，基座40也可以通过螺钉固定于试验台面上，本实施例中法兰20是通过焊接的方式固定于基座40上，当然也可以采用其他方式固定。另外，也可以设置一个支撑台(图中未示出)，用于支撑另一片法兰20，在拧动螺母30的过程中法兰20可在支撑台上移动，设置支撑台支撑另一片可移动的法兰20，可以避免由于重力而使法兰20与螺栓10之间产生弯矩，影响测量的准确性。

如图3所示，本实施例中压力传感器50包括管状的探测头和带数码显示器的机体，探测头与机体之间通过信号线连接，探测头采集的信号经过机体处理后直接显示成压力数值。如图1所示，探测头设置于两片法兰20之间，紧固件拧紧时，螺栓10受拉力，法兰20面受到来自螺母30的压力，压力传感器50显示法兰20受到的压力值，该压力值可间接表述为螺栓10受到的拉力(即测量所求的预紧力)，记录螺栓10的拉力值。

如图2所示，本实施例中采用的紧固工具为电动扳手60，且在电动扳手60的一端设置定反力臂套筒，如图4所示，定反力臂套筒包括同轴的外套筒72和内套筒71，外套筒72的下侧开口形状与定反力臂垫圈的外轮廓相匹配，外套筒用于锁紧定反力臂垫圈以产生定力距反力臂，内套筒71与外套筒72间隙配合，内套筒71的下侧开口形状与螺母的外轮廓相匹配，内套筒71用于锁紧并驱动螺母旋转，外套筒72不随内套筒71旋转而旋转。采用电动扳手，可以通过扭矩表直接显示出扭矩值。紧固工具也可以采用扭矩扳手、液压扳手、气动扳手等，液压扳手可以通过液压站压力换算出扭矩，气动扳手可以通过恒压风换算出扭矩。紧固工具用于拧动螺母30，使螺栓10达到紧固状态，并记录扭矩值。

所述紧固状态，行业中，以给螺栓10加载70—80％屈服强度的拧紧力矩，此时的螺栓10为紧固合格，即达到所述紧固状态，此种状态下，可以保证拧紧又不使螺栓10失去机械性能。因此，为了更加准确地保障螺栓10达到所述紧固状态，作为较优的实施方式，试验系统中可以还包括万能试验机，用于测量螺栓10的屈服强度和断裂强度。在试验过程中，基于测出的屈服强度，给螺栓10加载拧紧力矩，紧固过程中通过观察扭矩值，防止拉断或使螺栓10失去机械性能；另一方面，通过屈服强度的测量也可以检验螺栓10质量是否合格，若不合格则直接抛弃使用，避免施工现场使用后导致安全事故。

试验时，先利用万能试压机测试待测试的螺栓10(该螺栓10即为施工用相同规格螺栓10)的屈服强度及断裂强度，然后如图2所示组装各试验设备，组装完成后按设计要求紧固螺栓10。具体的，电动扳手驱动内套筒旋转，内套筒旋转期间，内套筒的下侧开口钳住螺母带动螺母旋转，外套筒的上侧开口锁死定反力臂垫圈，由于径向单向齿的作用，定反力臂垫圈与被紧固件表面不发生相对旋转，外套筒与定反力臂垫圈形成反力臂支点。压力传感器50的数显值(预紧力F)应略高于设计要求，但不超过螺栓10的屈服强度，电动扳手60记录拧紧扭矩值Ts。试验过程中，可以在70—80％屈服强度的拧紧力矩范围内，进行多次测试，每次加载的拧紧力矩不同，每次测试即记录得到一组数据。针对每组测试数据，即有一个扭矩值和压力值，压力值即为测量所得的预紧力。现场施工时即可根据试验中测量得到的数据，选取相应的扭矩值加载给螺栓，以达到相应的预紧力，可以保障紧固件达到施工要求的预紧力，防止因预紧力不够而导致连接不牢靠，或者预紧力过大而损坏螺栓10。试验过程中，借助于计算机记录的数据主要有：应力应变曲线、螺栓受到预紧力、紧固工具工作状态(扭矩、液压或风压等)。

上述试验系统中，通过在扳手上设置定反力臂套筒，同时在一侧螺母处下方设置定反力臂垫圈，定反力臂垫圈的径向单向齿使定反力臂垫圈与被紧固物件表面不发生相对旋转，外套筒与定反力臂垫圈配合成为反力臂支点，内套筒向螺母输出扭矩，作用力与反作用力同轴旋转，定反力臂套筒仅受到扭矩输出方向的扭转力，降低了所述定反力臂套筒所受力矩和力系的复杂度，消除扳手在紧固过程中的侧向偏载，使紧固过程中作用力与反作用力皆作用于螺栓径向直线方向，解决螺栓受力不均等问题，使得紧固工具施加的扭矩转化为螺栓预紧力的精度高，保证试验的准确性。

由于螺栓10的直径d与预紧力有关(Ts＝K×F×d，F为预紧力，d为螺栓直径，K为螺栓的扭矩系数，Ts为给螺栓加载的拧紧力矩)，虽然直径作为螺栓10的技术参数，在选定螺栓10时已经获知，但是为了避免个体差异之间的误差，提高测试准确度，也可以在试验前利用游标卡尺等长度测量工具当场测量螺栓10的直径，以便于在试验过程中加载合适的拧紧力矩。

另外，利用上述试验系统还可以进行紧固件防松能力测试。具体的，先通过万能试验机测试螺栓10的屈服强度，然后如图1所示组装各试验设备，组装完成后按设计要求紧固螺栓10至预紧力，压力传感器50的数显值(预紧力F)应略高于设计要求，但不超过螺栓10的屈服强度，电动扳手记录拧紧扭矩值Ts，然后使用电动扳手拆卸紧固件，当压力传感器50显示的压力值迅速降低时视为卸松紧固件，电动扳手60记录拆卸扭矩值Ts’。得到拧紧扭矩值Ts和拆卸扭矩值Ts’后，即可通过公式n＝T_s’/T_s·100％，得到评价紧固件防松能力的比值n，n数值越大，防松效果越好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种确定紧固施工方案的试验系统，其特征在于，包括两片法兰、基座、待测紧固件、紧固工具和压力传感器，其中一片法兰固定于基座，压力传感器的探测头设置于两片法兰之间，待测紧固件的螺栓贯穿法兰的孔和压力传感器的孔；其中，

所述紧固工具用于拧动待测紧固件的螺母，使螺栓达到紧固状态，并记录扭矩值；紧固工具为电动扳手；

所述压力传感器用于测量拧动螺母过程中法兰所受到的压力值，所述压力值即为待测紧固件的预紧力；

还包括长度测量工具，用于测量螺栓的直径，以便于在试验过程中准确地提供拧紧力矩；

还包括支撑台，用于支撑两片法兰中的另一片法兰，且法兰可在支撑台上移动；

还包括定反力臂垫圈和定反力臂套筒，所述定反力臂垫圈套设于螺栓且位于一侧螺母处下方，定反力臂垫圈的外轮廓为正多边形，且所述定反力臂垫圈至少一面设置有径向单向齿；所述定反力臂套筒的上侧与紧固工具的一端连接，定反力臂套筒包括同轴的外套筒和内套筒，外套筒的下侧开口形状与定反力臂垫圈的外轮廓相匹配，外套筒用于锁紧定反力臂垫圈以产生定力距反力臂，内套筒与外套筒间隙配合，内套筒的下侧开口形状与螺母的外轮廓相匹配，内套筒用于锁紧并驱动螺母旋转；所述外套筒不随内套筒旋转而旋转；

还包括万能试验机，用于测量螺栓的屈服强度和断裂强度，以便于检验螺栓是否合格及根据屈服强度控制拧动螺母过程中加载给螺栓的拧紧力矩；

利用上述试验系统进行紧固件防松能力测试，先通过万能试验机测试螺栓的屈服强度，然后组装各试验设备，组装完成后按设计要求紧固螺栓至预紧力，压力传感器的数显值略高于设计要求，但不超过螺栓的屈服强度，电动扳手记录拧紧扭矩值Ts，然后使用电动扳手拆卸紧固件，当压力传感器显示的压力值迅速降低时视为卸松紧固件，电动扳手记录拆卸扭矩值Ts’，得到拧紧扭矩值Ts和拆卸扭矩值Ts’后，通过公式n＝T_s’/T_s·100％，得到评价紧固件防松能力的比值n。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，还包括计算机，用于与万能试验机配合记录螺栓应力应变曲线，用于与压力传感器配合记录螺栓受力曲线，用于记录紧固工具工作时的工作状态。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述长度测量工具为游标卡尺。