CN109268375A - 一种测力螺栓 - Google Patents

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叶益民
王宗盛
潘济宇
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2218—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction

Abstract

本发明公开了一种测力螺栓，包括螺栓本体和弹性敏感元件，所述弹性敏感元件包括弹性件本体和应变片，在弹性本体上设置有一侧平面，在所述侧平面上贴有四枚应变片R1、R2、R3、R4形成惠斯通全桥电路；相邻的两应变片的粘贴方向相互垂直；弹性本体的一端设置有凹槽，四枚应变片的引线从该凹槽内引出。所述螺栓本体包括螺帽和螺柱，在螺帽端沿螺栓本体轴向向下开设容纳孔；所述弹性敏感元件嵌入该容纳孔，使所述侧平面与螺栓轴向平行；让弹性敏感元件与螺栓本体成为一体结构。本发明的螺栓能够实时测量螺栓所受拉力大小，进而监测螺栓所在结构的受力情况，具有测量结果精准、机械结构简单、使用方便的优点。

Description

一种测力螺栓
技术领域
本发明涉及一种螺栓，具体涉及一种可以实现实时测量螺栓预紧力的螺栓。
背景技术
在船舶工程，电网工程，水利工程，桥梁建筑工程等领域都存在很多如风机、海洋平台、桥梁、输电塔、港机、船舶等大型工程结构，在这些结构中，螺栓是必不可少的部件，它们被大量使用于固定各部件。这些螺栓对整个大型结构起着非常重要的作用，当大型结构发生形变时，这些固定各部件的螺栓所承载的应力将最先发生变化。所以螺栓预紧力的检测是十分重要的。
目前市面上常见的螺栓预紧力传感器主要分为两类，一类是直接测量螺栓产生的预紧力，一类是间接测量螺栓预紧力。
第一类：测力螺栓/螺栓预紧力传感器这是一种把螺栓直接作为测力元件的传感器，以最直接的方式将作用在螺栓上的力测量出来，结构简单，测量准确，是科研及力学监测的首选。
第二类：环形垫圈称重传感器通过增加在螺栓处的垫圈传感器来间接测量螺帽处的压力，从而获得螺栓所受到的预紧力，环形垫圈要有足够的大小以安装感应装置，也是目前螺栓预紧力测试的主要方式之一。
以上两种方式都无法对螺栓的预紧力进行实时监测，也就做不到对整个结构的实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，寿命长、更加安全可靠的实时监测螺栓预紧力的螺栓，进而实现对螺栓所在的整体结构做到实时监控，预警作用。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种测力螺栓，包括螺栓本体和弹性敏感元件，所述弹性敏感元件包括弹性件本体和应变片，在弹性本体上设置有一侧平面，在所述侧平面上贴有四枚应变片R1、R2、R3、R4形成惠斯通全桥电路；相邻的两应变片的粘贴方向相互垂直；弹性本体的一端设置有凹槽，四枚应变片的引线从该凹槽内引出。
所述螺栓本体包括螺帽和螺柱，在螺帽端沿螺栓本体轴向向下开设容纳孔；所述弹性敏感元件嵌入该容纳孔，使所述侧平面与螺栓轴向平行；让弹性敏感元件与螺栓本体成为一体结构。
进一步的：所述弹性敏感元件为圆柱形，其对应的所述容纳孔同为圆柱孔。
进一步的：所述容纳孔内设置内螺纹，弹性敏感元件通过螺纹连接固定在容纳孔内与螺栓本体成为一体结构。
进一步的：所述弹性敏感元件还包括4芯微型航插，固定在弹性本体上开设凹槽的一端。
进一步的：所述弹性敏感元件的一端设置帽体，在帽体上开设引线通孔。
进一步的：所述应变片R1、R2、R3、R4的粘贴方向沿所述侧平面依次为竖直方向、水平方向、竖直方向、水平方向。
一种螺栓受力测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
在被测螺栓的螺帽中心沿其轴向向下开设一盲孔；
在盲孔内嵌入贴有应变片的弹性敏感元件，使弹性敏感元件与被测螺栓成为一体；
将弹性敏感元件的引线通过微型航插与测力仪连接，在测力仪上读取该被测螺栓的受力数据。
进一步的：步骤(2)中弹性敏感元件包括以上任意一项弹性敏感元件。
本发明的技术效果是：
本发明在螺栓内部嵌入一体的弹性敏感元件，使弹性敏感元件的受力情况与用于连接用的螺栓一致，在弹性敏感元件上利用4片电阻应变片组成惠斯通全桥电路可以测得弹性敏感元件的应变值，再根据弹性敏感元件的弹性模量即可得到相应的应力。本发明的螺栓能够实时测量螺栓所受拉力大小，进而监测螺栓所在结构的受力情况，具有测量结果精准、机械结构简单、使用方便的优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明结构示意图。
图2-1是本发明螺栓本体结构示意图一。
图2-2是本发明螺栓本体结构示意图二；
图3-1是本发明弹性敏感元件示意图一。
图3-2是本发明弹性敏感元件示意图二。
图3-3是本发明弹性敏感元件示意图三。
图4是本发明应变片粘贴位置示意图。
图5是本发明的全桥电路示意图。
图6为本发明装配好后的整体示意图。
图7为本发明应力应变标定曲线。
其中，上述附图包括以下附图标记：螺栓本体100，螺帽110，螺柱120，容纳孔130；弹性敏感元件200，应变片210，帽体220，通孔221。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种测力螺栓，包括螺栓本体和弹性敏感元件，所述弹性敏感元件包括弹性件本体和应变片，在弹性本体上设置有一侧平面，在所述侧平面上贴有四枚应变片R1、R2、R3、R4形成惠斯通全桥电路；相邻的两应变片的粘贴方向相互垂直；弹性本体的一端设置有凹槽，四枚应变片的引线从该凹槽内引出；所述螺栓本体包括螺帽和螺柱，在螺帽端沿螺栓本体轴向向下开设容纳孔；所述弹性敏感元件嵌入该容纳孔，使所述侧平面与螺栓轴向平行；让弹性敏感元件与螺栓本体成为一体结构。
通过将弹性敏感元件嵌入螺栓本体内，在不改变螺栓本来的作用前提下，可以更好的实现对螺栓的受力情况监测，进而可以对有螺栓参与的整个结构进行安全等多方面的监测。
本发明通过设置安全系数抵消螺栓加工后产生的应力集中的影响，同时标定试验时可以检出加工后力学性能不合格的产品，进一步保证整体结构的安全性。
弹性敏感元件可以通过焊接、螺旋连接、胶水等方式固定在螺栓本体内部，在此不做限定。
应变片的输出端可以通过无线的传输方式与测力仪连接，更加方便可靠，实现在线或是远程控制，在此不做限定。
在此通过一个具体的实施例对本发明做更详细的解释说明：
选用M12×60、性能等级为4.8级(公称抗拉强度为400MPa，屈服比值为0.8，公称屈服强度320MPa)的螺栓作为螺栓本体100。
在螺栓上打一个直径为3mm、深度为32.5mm的螺纹孔，形成待测螺栓如图2所示。
对M3×32.5的螺栓进行加工处理，从螺帽下切去27.5mm长度的侧面使其有光滑的平面用来贴应变片，在螺帽上打两个直径为1.5mm的小孔引出引线(在没有螺帽的螺栓上，开设凹槽)，如图3所示。
在切好的侧面上从上往下依次贴上四个电阻应变片，分别为R1、R2、R3、R4如图4所示。将四个应变片组成惠斯通全桥电路，电路示意图如图5所示。将贴好应变片的弹性敏感元件旋入待测螺栓固定，构成测力螺栓如图6所示。
本发明的工作原理是这样实现的：
在待测螺栓受到拉力作用的情况下，螺栓受到的拉力通过固定接触传递到弹性敏感元件上，通过粘贴在弹性敏感元件上的应变片全桥电路来感受螺栓应变，并通过调制电路将信号放大及数字转换最终实现螺栓拉力的测试。
装配螺栓时待测螺栓受到紧固力F，对于弹性敏感元件上的应变片，R1和R3受拉应力，R2和R4受压应力。
其中R1和R3上的拉应变为：
R2和R4上的压应变为：
则电桥输出应变值εT为：
其中μ为弹性元件的泊松系数，A为弹性元件的截面积，E为弹性元件的弹性模量。将测力螺栓两端固定在拉伸试验机上，在拉伸方向施加不同的载荷，将全桥电路接入应变测量仪记录应变数据，往复三次上述过程，得到标定曲线如图7所示。通过标定试验得到的线性度、重复度等指标，形成全桥电路的校准公式。根据校准公式可以准确测量测力螺栓的拉力值。
为了降低螺栓内部孔的应力情况，所述弹性敏感元件为圆柱形，其对应的所述容纳孔同为圆柱孔。圆柱形的容纳孔，更加利于加工，弹性敏感元件的安装与拆卸都简单。
为了便于连接：所述容纳孔内设置内螺纹，弹性敏感元件通过螺纹连接固定在容纳孔内与螺栓本体成为一体结构。螺栓连接的方式可以使得弹性敏感元件可以重复利用使用。
在本发明中采用通过微型航插将应变片与测力仪连接。所述弹性敏感元件还包括4芯微型航插，固定在弹性本体上开设凹槽的一端(并不限定在此端，但是为了更好的加工制造以及简化结构，将凹槽设置在此端)。
如果选用带有帽体的螺栓作为弹性敏感元件来说，在帽体上开设通孔会更加容易加工：因此所述弹性敏感元件的一端设置帽体，在帽体上开设引线通孔。一体的帽体可以对嵌入容纳孔的部分进行有效的保护，以及阻挡外物侵入影响测试结果。另外在使用过程中，帽体更加方便弹性敏感元件的安装和拆卸。
由于需要测量X、Y两个方向的应变，因此所述应变片R1、R2、R3、R4的粘贴方向沿所述侧平面依次为竖直方向、水平方向、竖直方向、水平方向。
对现有的连接螺栓进行实时监测的方法，可以采用如下步骤：
(1)在被测螺栓的螺帽中心沿其轴向向下开设一盲孔；
(2)在盲孔内嵌入贴有应变片的弹性敏感元件，使弹性敏感元件与被测螺栓成为一体；
(3)将弹性敏感元件的引线通过微型航插与测力仪连接，在测力仪上读取该被测螺栓的受力数据。
进一步的：步骤(2)中弹性敏感元件包括以上任意一项弹性敏感元件。
通过以上方法，可以对现有的任意螺栓做受力情况的检测和分析，进而对整体结构做监测分析。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测力螺栓，其特征在于：包括螺栓本体和弹性敏感元件，
所述弹性敏感元件包括弹性件本体和应变片，在弹性本体上设置有一侧平面，在所述侧平面上贴有四枚应变片R1、R2、R3、R4形成惠斯通全桥电路；相邻的两应变片的粘贴方向相互垂直；弹性本体的一端设置有凹槽，四枚应变片的引线从该凹槽内引出；
所述螺栓本体包括螺帽和螺柱，在螺帽端沿螺栓本体轴向向下开设容纳孔；所述弹性敏感元件嵌入该容纳孔，使所述侧平面与螺栓轴向平行；让弹性敏感元件与螺栓本体成为一体结构。
2.根据权利要求1所述的测力螺栓，其特征在于：所述弹性敏感元件为圆柱形，其对应的所述容纳孔同为圆柱孔。
3.根据权利要求2所述的测力螺栓，其特征在于：所述容纳孔内设置内螺纹，弹性敏感元件通过螺纹连接固定在容纳孔内与螺栓本体成为一体结构。
4.根据权利要求1所述的测力螺栓，其特征在于：所述弹性敏感元件还包括4芯微型航插，固定在弹性本体上开设凹槽的一端。
5.根据权利要求1所述的测力螺栓，其特征在于：所述弹性敏感元件的一端设置帽体，在帽体上开设引线通孔。
6.根据权利要求1所述的测力螺栓，其特征在于：所述应变片R1、R2、R3、R4的粘贴方向沿所述侧平面依次为竖直方向、水平方向、竖直方向、水平方向。
7.一种螺栓受力测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在被测螺栓的螺帽中心沿其轴向向下开设一盲孔；
(2)在盲孔内嵌入贴有应变片的弹性敏感元件，使弹性敏感元件与被测螺栓成为一体；
(3)将弹性敏感元件的引线通过微型航插与测力仪连接，在测力仪上读取该被测螺栓的受力数据。
8.根据权利要求7所述的螺栓受力测试方法，其特征在于：步骤(2)中弹性敏感元件包括权利要求1—6中任意一项弹性敏感元件。
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