CN110658129A - 一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置 - Google Patents

一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，该装置由基座、螺母(1)、垫圈(2)、套筒(3)、应变片(4)、待测试螺栓(5)、紧定螺钉(6)以及数据采集系统组成；本发明具有测试过程简单、设备体积小、使用灵活、价格低廉的有益效果。该装置由被测试螺纹紧固件、套筒、基座、应变片以及数据采集系统组成，套筒通过螺纹连接固定在基座上，且套筒是根据实际连接工况定制的，其材料、成型方式(铸造、锻造等)、表面粗糙度以及表面处理方式(电镀锌、阳极氧化等)与实际夹紧元件是相同的，应变片用于测试套筒的轴向应变以获得螺纹紧固件的轴向预紧力，应变片与数据采集系统相连以采集记录应变值。

Description

一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置
技术领域
本发明涉及一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，属于测试装置技术领域。
背景技术
螺纹紧固件因其易于拆卸和维修而被广泛应用于各类机械机构中，是应用最广泛的连接方式之一。其在拧紧过程中产生的预紧力的大小和稳定性将直接决定螺纹连接的安全性和可靠性。在大多数工程应用中，紧固件的预紧力是通过扭矩扳手在螺钉/螺栓头部或螺母上施加拧紧力矩来实现的。
拧紧过程中紧固件的总摩擦系数对扭矩-预紧力(T-FV)关系有着显著的影响。通过扭矩扳手施加的拧紧力矩主要用于克服两个地方的摩擦：由于螺栓头部或螺母与支承面相对滑动引起的支承面摩擦和内螺纹与外螺纹之间的螺纹摩擦，只有一小部分扭矩用于使紧固件伸长并产生夹紧力。
对螺纹紧固件摩擦系数的不准确估计可能导致对螺纹连接性能的高估或低估。过高估计摩擦系数可能造成对螺纹紧固件施加较大的拧紧力矩，得到的实际夹紧力过大，进而导致被连接件因应力过大而断裂失效；相反，过低估计摩擦系数会导致实际得到的夹紧力过小，进而出现松动、噪声、泄露等各种问题。因此对螺纹紧固件摩擦系数的错误估计会导致非常危险的失效，尤其是在涉及人们生命安全的重要应用中。
扭矩-预紧力关系通常通过使用常数K，即扭矩系数来简化。一些文献和标准对扭矩系数给出了0.20的近似值，但是说明将它用于重要连接时应该慎重。此外，还有一些标准和文献给出了螺纹紧固件在各种材料、成型方式以及表面条件等不同组合下扭矩系数的平均值。然而，其都具有很大的分散性，无法保证得到一个准确可靠的夹紧力值，尤其是在一些关键的应用中。
对螺纹紧固件的摩擦进行准确的测试对于提升螺纹连接的可靠性以及安全性具有非常重要的意义。目前常见的测试螺纹的摩擦系数的装置大多是基于压力传感器、旋转扭矩传感器、角度编码器以及直流电动机等测试元件以及动力元件，不仅造价高昂而且操作复杂，不利用大范围的推广使用。因此，设计一种操作简单、价格低廉、满足实际工程应用的测试装置，用于评估工程中螺纹紧固件的总摩擦系数，对保证螺纹连接的安全性以及可靠性具有非常重要的意义。
发明内容
本发明公开了一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置。
在一些标准和文献中，常用扭矩系数K来简化扭矩-预紧力(T-FV)关系，其可表示为式(1)所示：
T＝K·FV·d (1)
其中，T(N·m)是作用在螺栓/螺钉头部或螺母上的拧紧力矩，K是扭矩系数(或称螺母系数)，FV(kN)是预紧力，d(mm)是螺纹公称直径。并且对扭矩系数K给出了0.20的近似值。此外，还有一些标准和文献给出了螺纹紧固件在各种材料、成型方式以及表面条件等不同组合下扭矩系数的平均值。然而，其都具有很大的分散性，无法保证得到一个准确可靠的夹紧力值，尤其是在一些关键的应用中。
在VDI2230中，提出了一个更加精确的T-FV关系，如式(2)所示，拧紧扭矩被分成三个分量，螺纹力矩Tp，螺纹摩擦力矩Tt，支承面摩擦力矩Tb。其中，螺纹力矩分量Tp用于使紧固件伸长并产生夹紧力。
T＝Tp(FV,p)+Tt(FV,d2,μt)+Tb(FV,μb,db) (2)
对于ISO公制螺纹(三角形，牙型角为60°)上式可写为：
T＝FV(0.16·p+0.58·d2·μt+0.5·μb·db) (3)
其中，p(mm)为螺纹螺距，μt为螺纹摩擦系数，d2(mm)是螺纹基本中径(d2＝d-0.6495p)，μb为支承面摩擦系数，db(mm)为支承面有效直径。
运用特定的测试装置测出其中的一些参数，结合式(3)易求出螺纹摩擦系数μt以及支承面摩擦系数μb。满足这种要求的测试装置大多是基于压力传感器、旋转扭矩传感器、角度编码器以及直流电动机等测试元件及动力元件，造价高昂、操作复杂，只适用于实验室研究使用。此外，该类装置大多引入了环形压力传感器等改变原有连接装配方式的元件。
在实际工程应用中，只关注螺纹紧固件在装配过程中总摩擦系数即其扭矩—预紧力(T-FV)关系，而不必关注单个摩擦系数的具体数值。，因此，为了便于测试和计算可认为螺纹摩擦系数μt和支承面摩擦系数μb相等，并用总摩擦系数μm代替它们，即μt＝μb＝μm。这样便可用总摩擦系数μm来表示螺纹紧固件在拧紧时的T-FV关系，由式(3)可以得到总摩擦系数μm的计算公式：
T＝FV(0.16·p+0.58·d2·μm+0.5·μm·db)
总摩擦系数μm可用于评价螺纹紧固件在拧紧过程中的性能，由式(4)可知，计算μm，只需测得拧紧力矩T和预紧力FV。
为了实现上述过程，设计制造如下的测试装置：
该装置由基座、螺母(1)、垫圈(2)、套筒(3)、应变片(4)、待测试螺栓(5)、紧定螺钉(6)以及数据采集系统组成；
其中基座被固定在工作台上用于固定套筒便于施加拧紧力矩；为了准确测试螺纹紧固件在装配过程中真实的总摩擦系数，套筒是根据实际连接工况特别定制的，其材料、成型方式(铸造、锻造等)、表面粗糙度以及表面处理方式(电镀锌、阳极氧化等)与实际夹紧元件是相同的。4个应变片被均匀的粘贴在试样套筒的外表面的中部同时测量4个部位的轴向压缩应变，并求其平均值，以保证测试结果的精确性，用数显扭矩扳手施加拧紧力矩。
进一步地，测试过程还包括如下测试步骤：
将基座固定在工作台上；
将待测螺栓依次穿过套筒、垫圈和螺母，并用紧定螺钉固定螺栓头部；
将套筒下端旋入基座的螺纹孔并拧紧；
将应变片与数据采集系统相连；
用数显扭矩扳手旋转螺母进行紧固并记录拧紧力矩；
通过应变片测试记录的套筒的轴向压缩应变εC计算螺栓的预紧力FV，并结合数显扭矩扳手记录的拧紧力矩T，计算螺纹紧固件的总摩擦系数μm。
有益效果：
1.本发明提出用总摩擦系数μm代替螺纹摩擦系数μt和支承面摩擦系数μb来评价螺纹紧固件在拧紧过程中的T-FV关系，在满足工程应用要求的同时大大地简化了计算和测试过程。
2.本发明公开的测试装置与现有测试装置相比价格低廉、结构简单，更容易实现，此外它还避免了引入压力传感器或直接在螺纹紧固件上粘贴应变片测量夹紧力。
3.试验过程中拧紧力矩是通过工程中常用的拧紧工具数显扭矩扳手施加的，更符合螺纹连接实际紧固工况，避免了从试验系统到工程紧固工具之间的误差。
4.试验装置中的套筒是根据实际连接工况定制的，其材料、成型方式、表面处理以及表面粗糙度与被夹紧元件是相同的，使测试条件更加符合实际连接工况。
附图说明
下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简要的介绍。
图1为待测试螺栓安装示意图
图中 1-螺母，2-垫圈，3-套筒，4-应变片，5-待测试螺栓，6-紧定螺钉。
图2为测试装置整体示意图
具体实施方式
下面将结合说明书附图以外六角螺栓为例对本发明的测试装置及测试过程进行清楚、完整地描述。
针对现有测试装置的缺点，本发明一种新的评估螺纹紧固件摩擦性能的测试装置，该装置由基座、螺母(1)、垫圈(2)、套筒(3)、应变片(4)、螺栓(5)、紧定螺钉(6)以及数据采集系统组成。
其中基座被固定在工作台上，以便于施加拧紧力矩，套筒(3)通过螺纹连接固定在基座上，待测试螺栓(5)依次穿过套筒(3)、垫圈(2)和螺母(1)，通过旋转螺母施加拧紧力矩，使紧固件伸长产生预紧力的同时使套筒产生轴向压缩形变，应变片(4)粘贴于套筒的外部并与数据采集系统相连，以获得套筒的轴向压缩应变，进而计算螺纹紧固件的夹紧力，用数显扭矩扳手施加拧紧力矩并记录拧紧力矩大小。
用扭矩系数K来简化扭矩-预紧力(T-FV)关系，表示为式(1)所示：
T＝K·FV·d (1)
但其过于简化，运用推荐的经验值得到的预紧力有较大的分散，不能用于重要的连接。
其中，T(N·m)是作用在螺栓/螺钉头部或螺母上的拧紧力矩，K是扭矩系数(或称螺母系数)，FV(kN)是预紧力，d(mm)是螺纹公称直径。
在VDI2230中，提出了一个更加精确的T-FV关系，如式(2)所示，拧紧扭矩被分成三个分量，螺纹力矩Tp，螺纹摩擦力矩Tt，支承面摩擦力矩Tb。其中，螺纹力矩分量Tp用于使紧固件伸长并产生夹紧力。
T＝Tp(FV,p)+Tt(FV,d2,μt)+Tb(FV,μb,db) (2)
对于ISO公制螺纹(三角形，牙型角为60°)上式可写为：
T＝FV(0.16·p+0.58·d2·μt+0.5·μb·db) (3)
其中，p(mm)为螺纹螺距，μt为螺纹摩擦系数，d2(mm)是螺纹基本中径(d2＝d-0.6495p)，μb为支承面摩擦系数，db(mm)为支承面有效直径。
根据式(3)大约只有10％左右的拧紧力矩用于使紧固件伸长产生预紧力，大部分拧紧力矩被用来克服摩擦，因此螺纹紧固件的摩擦对T-FV关系的影响十分显著。
运用特定的测试装置测出其中的一些参数，结合式(3)易求出螺纹摩擦系数μt以及支承面摩擦系数μb。满足这种要求的测试装置大多是基于压力传感器、旋转扭矩传感器、角度编码器以及直流电动机等测试元件及动力元件，造价高昂、操作复杂，只适用于实验室研究使用。此外，该类装置大多引入了环形压力传感器等改变原有连接装配方式的元件。
在工程应用中，只关注螺纹紧固件在装配过程中总摩擦系数即其扭矩—预紧力(T-FV)关系，而不必关注单个摩擦系数的具体数值。因此，为了便于测试和计算可认为螺纹摩擦系数μt和支承面摩擦系数μb相等，并用总摩擦系数μm代替它们，即μt＝μb＝μm。这样便可用总摩擦系数μm来表示螺纹紧固件在拧紧时的T-FV关系，由式(3)可以得到总摩擦系数μm的计算公式：
T＝FV(0.16·p+0.58·d2·μm+0.5·μm·db)
Figure BDA0002231081790000061
总摩擦系数μm可用于评价螺纹紧固件在拧紧过程中的性能，为了计算μm，只需测得拧紧力矩T和预紧力FV。由式(4)可知，计算μm，只需测得总扭矩T和预紧力FV。
进一步地，测试过程包括如下测试步骤：
步骤1：将基座固定在工作台上，将待测螺栓依次穿过套筒、垫圈和螺母，并用紧定螺钉固定螺栓头部，如图1所示；
步骤2：将套筒下端旋入基座的螺纹孔并拧紧，然后把应变计与数据采集系统相连。
步骤3：用数显扭矩扳手旋转螺母施加拧紧力矩，并记录拧紧力矩的大小T。
步骤4：分别读取应变片测得的套筒的轴向压缩应变，并计算其平均值εC。根据套筒材料的杨氏弹性模量E以及其应力截面积Aeq可计算出套筒的轴向压缩力FC，其在大小上与紧固件的预紧力FV是相等的。
|FC|＝FV＝|εC|·E·Aeq (5)
步骤5：根据测得的拧紧力矩以及计算得出的预紧力，由式(4)可计算得出螺纹紧固件总摩擦系数μm。
步骤6：根据式(1)计算紧固件的扭矩系数K：
Figure BDA0002231081790000063
综上所述，本发明公开的测试装置，与现有装置相比其结构以及测试计算过程更加简单，降低了测试的成本，此外测试环境更贴近实际连接工况。满足工程应用中对对扭矩—预紧力关系测试的要求，便于在工程中推广应用。
本发明中所描述的实施例只是为了阐述该装置的一个优选实施例，并不用于限制本申请。同时，对于本领域的技术人员基于对本发明的理解，可进行各种更改和变化，所有基于本发明装置做出的变化、改进均应在本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，其特征在于：
该装置由基座、螺母(1)、垫圈(2)、套筒(3)、应变片(4)、待测试螺栓(5)、紧定螺钉(6)以及数据采集系统组成；
其中基座被固定在工作台上，以便于施加拧紧力矩，套筒(3)通过螺纹连接固定在基座上，待测试螺栓(5)依次穿过套筒(3)、垫圈(2)和螺母(1)，用紧定螺钉(6)固定测试螺栓(5)的头部，通过旋转螺母施加拧紧力矩，使紧固件伸长产生预紧力的同时使套筒产生轴向压缩形变，应变片(4)粘贴于套筒的外部并与数据采集系统相连，以获得套筒的轴向压缩应变，进而计算螺纹紧固件的夹紧力，用数显扭矩扳手施加拧紧力矩并记录拧紧力矩大小。
2.根据权利要求1所述的一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，其特征在于，在套筒外表面中部均匀粘贴4个应变片，同时测量4个部位的轴向压缩应变，并求其平均值，以保证测试结果的精确性。
3.根据权利要求1所述的一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，其特征在于，试验装置中的套筒是根据实际连接工况定制的，与被夹紧元件的材料、成型方式、表面处理以及表面粗糙度保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，其特征在于，螺纹紧固件的预紧力根据以下公式计算：
|FC|＝FV＝|εC|·E·Aeq (1)
其中，εC为套筒的平均轴向压缩应变，E为套筒材料的杨氏弹性模量，Aeq为套筒应力截面积，FC为套筒的轴向压缩力，其在大小上与紧固件的预紧力FV相等。
5.根据权利要求1所述的一种测试螺纹紧固件总摩擦系数的装置，其特征在于，螺纹紧固件的总摩擦系数μm可用以下公式来计算：
Figure FDA0002231081780000011
其中，T(N·m)为拧紧力矩，p(mm)为螺纹螺距，FV(kN)是预紧力，d2(mm)是螺纹基本中径(d2＝d-0.6495p)，db(mm)为支承面有效直径。
6.采用权利要求1所述测试装置进行的一种螺纹紧固件总摩擦系数的测试方法，其特征在于，只需测得拧紧力矩T和套筒的轴向压缩应变εC，便可计算得到总摩擦系数μm；
步骤1：将基座固定在工作台上，将待测螺栓依次穿过套筒、垫圈和螺母，并用紧定螺钉固定螺栓头部；
步骤2：将套筒下端旋入基座的螺纹孔并拧紧，然后把应变片与数据采集系统相连；
步骤3：用数显扭矩扳手旋转螺母施加拧紧力矩，并记录拧紧力矩的大小T；
步骤4：分别读取应变片测得的套筒的轴向压缩应变，并计算其平均值εC；根据套筒材料的杨氏弹性模量E以及其应力截面积Aeq可计算出套筒的轴向压缩力FC，其在大小上与紧固件的预紧力FV是相等的；
|FC|＝FV＝|εC|·E·Aeq (5)
步骤5：根据测得的拧紧力矩以及计算得出的预紧力，由式(4)可计算得出螺纹紧固件总摩擦系数μm；
Figure FDA0002231081780000021
步骤6：根据式(1)计算紧固件的扭矩系数K：
Figure FDA0002231081780000022
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