CN110926923A - 一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，包括建立试验平台、螺栓扭拉测试，本发明通过对预紧力进行卸载以方便实现对螺母的松脱。

Description

一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统

技术领域

本发明涉及螺栓扭拉试验领域，更具体的说，它涉及一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统。

背景技术

下面的背景技术用于帮助读者理解本发明，而不能被认为是现有技术。

螺栓扭拉试验平台作为紧固件测试行业的基础试验平台，被用来测定螺栓扭矩-预紧力转化能力以及其他性能。然而现有的螺栓扭拉试验平台过于复杂，成本较高，测试平台较大且不易携带。此外，在测量一些特殊紧固件扭拉特性时不能满足测量条件，例如在测量高锁螺母时，螺母拧紧后螺母头部的夹紧部位自动断裂脱落，此时巨大的螺栓预紧力使得螺母的松脱十分困难，试验进程受到严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，试验平台结构简单，通过对预紧力进行卸载以方便实现对螺母的松脱。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，建立试验平台，包括固定平台、止转芯轴、钢珠固定套、承力钢珠和轴力传感器，止转芯轴固定于固定平台，止转芯轴具有中心通道，轴力传感器和钢珠固定套均套设于止转芯轴外部，钢珠固定套开有通道，止转芯轴开设孔槽，预紧时、承力钢珠位于通道内且承力钢珠凸出于通道，卸载时、转动钢珠固定套、承力钢珠落入孔槽；螺栓扭拉测试步骤，包括：获得螺栓达到屈服所需的预紧力Fs ，取Fs的80%作为目标预紧力Ft；将螺栓安置于试验平台；使用电动扭矩扳手对螺栓/螺母进行拧紧，拧紧至目标预紧力Fs后终止拧紧；读取并记录电动扭矩扳手和试验平台上的数据，并对数据进行处理分析，得到螺栓的扭拉特性参数，取扭矩系数K。

优选的，止转芯轴为阶梯轴，包括细轴和粗轴，细轴在上，粗轴在下，孔槽开于粗轴端面；钢珠固定套包括端部和侧部，端部中心开有与细轴间隙配合的通孔，通道开于端部且沿通孔圆周分布，孔槽与通道相对应。优选的，通道沿同一圆周均匀分布，或者沿不同圆周设置。

优选的，端部与侧部形成凹槽结构，凹槽与粗轴间隙配合，侧部高度小于粗轴高度。

优选的，钢珠固定套设有定位部。

优选的，定位部为定位销固定孔，定位销固定孔开于侧部，粗轴柱面开有定位销孔，定位销固定孔与定位销孔对应，所述试验平台包括定位销，定位销与定位销固定孔、定位销孔相配合。

优选的，定位销固定孔具有插入面，插入面为平面。

优选的，定位销固定孔沿端部的中心线对称设置两个。

优选的，所述钢珠固定套侧部设有卸载把手。优选的，侧部开有卸载把手孔，卸载把手一端固定于卸载把手孔内。优选的，卸载把手孔具有把手插入面，把手插入面为平面。

优选的，所述试验平台包括下传感器垫块和上传感器垫块，下传感器垫块、轴力传感器和上传感器垫块从下往上依次叠放且套设于细轴外部，下传感器垫块位于端部上方。

优选的，细轴为腰圆型，下传感器垫块和上传感器垫块中心均开有与细轴适配的腰圆孔，与细轴间隙配合。

优选的，所述试验平台设有被连接件，被连接件中心开有穿孔，穿孔与中心通道对中，上传感器垫块设有限制被连接件转动自由度的被连接件限位机构。优选的，被连接件限位机构包括止动平面。优选的，上传感器垫块顶部开有定位槽，止动平面为定位槽槽壁，被连接件与定位槽适配。优选的，定位槽和被连接件均为正方形。

优选的，所述试验系统包括螺母，被连接件的面积大于螺母面积。

优选的，螺栓头快换套筒开有螺栓孔和螺栓头孔，螺栓的螺栓头与螺栓头孔适配，螺栓头孔、螺栓孔与中心通道对中。优选的，固定平台设有限制螺栓头快换套筒转动自由度的套筒限位机构。优选的，套筒限位机构包括止动平面。优选的，固定平台开有套筒定位孔，止动平面为套筒定位孔孔壁，螺栓头快换套筒与套筒定位孔适配。优选的，套筒定位孔和螺栓头快换套筒均为正方形。

优选的，套筒定位孔内设有调整垫块，调整垫块位于螺栓头快换套筒上方。

优选的，粗轴底部通过紧固螺栓固定于固定平台。

本发明的工作过程：先将待测螺栓穿过止转芯轴的中心通道，在被连接件上将螺母预拧至螺栓上，此时定位销位于定位销固定孔和定位销孔内，承力钢珠位于钢珠固定套的通道内且高度略高于通道。使用外部加载工具按照一定的加载需求对螺栓（螺母）进行加载，所测预紧力由轴力传感器测量得到。当待测螺母为高锁螺母等一些特殊紧固件时，需对预紧力进行卸载以方便实现对螺母的松脱，卸载时，将定位销从定位销固定孔内拔出，转动卸载把手至一定角度，承力钢珠从钢珠固定套的通道内落入转芯轴的孔槽内，下传感器垫块与钢珠固定套端部预留出间隙，使得下传感器垫块、轴力传感器和上传感器垫块下移，从而实现预紧力的卸载，此时再使用外力便可轻易能够将螺母进行松脱。

本发明的有益效果：

1、本发明在预紧时、承力钢珠位于通道内且承力钢珠的顶点高出钢珠固定套的上表面，卸载时、转动钢珠固定套、承力钢珠落入孔槽，对预紧力进行卸载以方便实现对螺母的松脱。

2、通过设置定位部，保证预紧时通道与孔槽错开。

3、通过设置被连接件，以用来模拟螺栓连接真实接触表面状态，可根据测试要求随时调换。

4、将被连接件设置为正方形，不仅能限制被连接件的转动自由度，还可根据不同支承面状况，方便实现系列被连接件的可调换。

5、被连接件的面积大于螺母面积，螺母位于被连接件上方，对螺母施加的预紧力通过被连接件传递到轴力传感器上，通过增大被连接件的受力面积，提高轴力传感器的检测灵敏度。

6、通过设置螺栓头快换套筒，螺栓头与螺栓头孔配合，限制螺栓头在螺栓头孔内的转动自由度，从而在拧紧螺栓的过程中以固定住螺栓头，还可通过更换螺栓头快换套筒，实现不同型号螺栓头的适配。

7、通过将螺栓头快换套筒设置为正方形，以限制螺栓头快换套筒的转动自由度，从而在拧紧螺栓的过程中以固定住螺栓，还方便实现系列螺栓头快换套筒的可调换。

8、通过设置调整垫块，以用来调整螺栓的夹持长度。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的正视图。

图3为图2中A-A向的剖面视图。

图4为止转芯轴的结构示意图。

图5为钢珠固定套的结构示意图。

图6为被连接件的结构示意图。

图7为螺栓头快换套筒的剖面视图。

图8为固定平台的结构示意图。

图中标识：固定平台1，套筒定位孔11，紧固螺栓12，止转芯轴2，中心通道21，孔槽22，细轴23，粗轴24，定位销孔241，钢珠固定套3，通道31，端部32，通孔321，侧部33，卸载把手孔331，把手插入面332，定位部34，插入面341，卸载把手35，承力钢珠4，轴力传感器51，下传感器垫块52，上传感器垫块53，腰圆孔54，定位销6，定位槽531，被连接件71，螺栓孔721，螺栓头孔722，螺栓头快换套筒72，调整垫块73，螺栓81，螺母82。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。这些说明仅仅是采用举例的方式进行说明本发明的方式是如何实现的，并不能对本发明构成任何的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，属于“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

如图1-8所示，一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，首先建立试验平台，包括固定平台1、止转芯轴2、钢珠固定套3、承力钢珠4和轴力传感器5，止转芯轴2固定于固定平台1，止转芯轴2具有中心通道21，轴力传感器5和钢珠固定套3均套设于止转芯轴2外部，钢珠固定套3开有通道31，止转芯轴2开设孔槽22，预紧时、承力钢珠4位于通道31内且承力钢珠4凸出于通道31，卸载时、转动钢珠固定套3、承力钢珠4落入孔槽22。将待测螺栓放入中心通道21中，顶部用螺母拧紧，预紧时、承力钢珠4位于通道31内且承力钢珠4的顶点高出通道31，卸载时、转动钢珠固定套3、承力钢珠4落入孔槽22，以方便实现对螺母的松脱。需要说明的是，承力钢珠4凸出通道31的长度不限，孔槽22的深度不限，需满足承力钢珠4落入孔槽22内时，预留出松脱空间即可。本实施例中，预紧时、承力钢珠4的顶点略高出通道31，转动钢珠固定套3、承力钢珠4落入孔槽22内时，承力钢珠4的顶点与钢珠固定套3的上端面齐平。

根据所述试验平台进行螺栓扭拉测试，包括：

获得螺栓达到屈服所需的预紧力Fs ，取Fs的80%作为目标预紧力Ft。螺栓达到屈服所需的预紧力Fs可通过现有的测试试验方法获得。

通过中心通道将螺栓81安置于试验平台。

使用电动扭矩扳手对螺栓81/螺母82进行拧紧，拧紧至目标预紧力Fs后终止拧紧。需要说明的是，电动扭矩扳手能够控制并记录拧紧速度、扭矩、转角等参数；预紧力由扭拉试验平台上的轴向力传感器实时监测并记录。电动扭矩扳手，例如Atlas。

读取并记录电动扭矩扳手和试验平台上的数据，并对数据进行处理分析，得到螺栓的扭拉特性参数，取扭矩系数K。所述数据为整个加紧过程中的数据，包括扭矩、转角、预紧力等。

需要说明的是，本试验平台作为一个工具并没有要求有固定的测试方法，也可以以扭矩Tt作为目标扭矩，拧紧至目标扭矩后终止拧紧。扭拉特性的测试试验不限于这两种方式，要根据试验方案具体制定，但在试验平台上无非就是设定目标预紧力或目标扭矩，达到这个目标后就终止拧紧并读取数据。当然也有一种以一定的初始扭矩T₀和一定的目标转角下作为目标的。

优选的，如图4和5所示，止转芯轴2为阶梯轴，包括细轴23和粗轴24，细轴23在上，粗轴24在下，孔槽22开于粗轴24端面；钢珠固定套3包括端部32和侧部33，端部32中心开有与细轴23间隙配合的通孔321，通道31开于端部32，通道31沿通孔321圆周分布，孔槽22与通道31相对应。通孔321为圆孔，转动钢珠固定套3能绕细轴23作圆周运动，这样，转动钢珠固定套3后能保证通道31内的承力钢珠4落入对应的孔槽22内。可以理解的是，钢珠固定套3转动至一定角度时，通道31内的承力钢珠4均恰好落入孔槽22内。

优选的，通道31沿同一圆周均匀分布。当然，通道31可沿不同圆周设置，但前提是每个圆周均有对应的通道31和孔槽22。

优选的，如图5所示，端部32与侧部33形成凹槽结构，凹槽与粗轴24间隙配合，侧部33高度小于粗轴24高度。安装时，钢珠固定套3穿过止转芯轴2的细轴23并位于粗轴24端面上，凹槽与粗轴24间隙配合，侧部33覆盖住部分粗轴24柱面。

优选的，如图5所示，钢珠固定套3设有定位部34。定位部34的作用在于预紧时，通道31与孔槽22错开。

优选的，如图4所示，定位部为定位销固定孔34，定位销固定孔34开于侧部33，粗轴24柱面开有定位销孔241，定位销固定孔34与定位销孔241对应，所述试验平台包括定位销6，定位销6与定位销固定孔34、定位销孔241相配合。安装时，钢珠固定套3套设于粗轴24外部，定位销固定孔34与定位销孔241对应，定位销6依次插入定位销固定孔34、定位销孔241中，此时，承力钢珠4位于钢珠固定套3的通道31内且其顶点略高于通道31。

优选的，如图5所示，定位销固定孔34具有插入面341，插入面341为平面。平面有利于安装定位销6，并提高钢珠固定套3与粗轴24之间的紧固性。

优选的，如图5所示，定位销固定孔34沿端部33的中心线对称设置两个。进一步保证钢珠固定套3与粗轴24之间相对固定。

优选的，如图1和2所示，所述钢珠固定套侧部33设有卸载把手35。卸载时，将定位销6从定位销固定孔34内拔出，转动卸载把手35至一定角度，承力钢珠4从钢珠固定套3的通道31内落入止转芯轴2的孔槽22内，实现预紧力的卸载。优选的，卸载把手35沿端部33的中心线对称设置两个。优选的，侧部33开有卸载把手孔331，卸载把手35一端固定于卸载把手孔331内。优选的，卸载把手孔331具有把手插入面332，把手插入面332为平面。平面有利于安装卸载把手35。

优选的，如图2和3所示，所述试验平台包括下传感器垫块52和上传感器垫块53，下传感器垫块52、轴力传感器5和上传感器垫块53从下往上依次叠放且套设于细轴23外部，下传感器垫块52位于端部32上方。由于轴力传感器5通过对其上、下端面的挤压获取预紧力值，因此通过设置上、下传感器垫块，满足端面的平面度及硬度要求。预紧时，下传感器垫块52下端面与承力钢珠4顶点接触，卸载时，承力钢珠4落入孔槽22，下传感器垫块52下端面与端部32上表面预留出松脱空间。需要说明的是，通道31的位置应满足被下传感器垫块52覆盖。

优选的，细轴23为腰圆型，下传感器垫块52和上传感器垫块53中心均开有与细轴23适配的腰圆孔54，与细轴23间隙配合。如此设置，以限制下传感器垫块52和上传感器垫块53的转动自由度。

优选的，如图3和6所示，所述试验系统包括螺母82，螺母82下方设有被连接件71，被连接件71中心开有穿孔，穿孔与中心通道21对中。需要说明的是，被连接件71用于模拟螺栓连接真实接触表面状态，是决定支承面摩擦系数的关键要素，可根据测试要求随时调换。

优选的，上传感器垫块53设有限制被连接件转动自由度的被连接件限位机构。在真实的装配环境中，被连接件71要求处于固定状态，因此拧紧螺母时，通过限制被连接件的转动自由度防止其随螺母转动。优选的，被连接件限位机构包括止动平面。优选的，上传感器垫块53顶部开有定位槽531，止动平面为定位槽531槽壁，被连接件71与定位槽531适配。

作为一个优选的方式，如图1和6所示，定位槽531和被连接件71均为正方形，如此，不仅能限制被连接件71的转动自由度，还可根据不同支承面状况，方便实现系列被连接件71的可调换。需要说明的是，定位槽531与被连接件71、上传感器垫块53与细轴23的双重配合实现限制被连接件71的转动自由度。

优选的，如图1所示，被连接件71的面积大于螺母82面积。螺母82位于被连接件71上方，对螺母施加的预紧力通过被连接件71传递到轴力传感器51上，通过增大被连接件71的受力面积，提高轴力传感器51的检测灵敏度。需要说明的是，被连接件71作为预紧力的传递介质，面积大于螺母面积即可。

如图7所示，所述试验平台设有螺栓头快换套筒72，螺栓头快换套筒72开有螺栓孔721和螺栓头孔722，螺栓的螺栓头与螺栓头孔722适配，螺栓头孔722、螺栓孔721、中心通道21依次对中。可通过更换螺栓头快换套筒72，实现不同型号螺栓头的适配。需要说明的是，螺栓头为能被螺栓头孔722限制其转动的形状，例如六角头、D型头等，这样，可以限制螺栓头在螺栓头孔722内的转动自由度，从而在拧紧螺栓的过程中以固定住螺栓头。

优选的，固定平台1设有限制螺栓头快换套筒72转动自由度的套筒限位机构。螺栓头快换套筒72与套筒限位机构配合，以限制螺栓头快换套筒72的转动自由度，从而在拧紧螺栓的过程中以固定住螺栓。优选的，套筒限位机构包括止动平面。优选的，如图3和8所示，固定平台1中心开有套筒定位孔11，止动平面为套筒定位孔11孔壁，螺栓头快换套筒72与套筒定位孔11适配。优选的，套筒定位孔11和螺栓头快换套筒72均为正方形，如此，不仅能限制螺栓头快换套筒72的转动自由度，还方便实现系列螺栓头快换套筒72的可调换。

优选的，如图3所示，套筒定位孔11内设有调整垫块73，调整垫块73位于螺栓头快换套筒72上方。以用来调整螺栓的夹持长度。当然，可以由多个调整垫块73组成。调整螺栓的夹持长度时，可以更换不同厚度的调整垫块，也可以增减调整垫块73的个数。安装螺栓81时，螺栓81依次穿过螺栓头快换套筒72、调整垫块73、中心通道21、被连接件71，再用螺母82拧紧。可以理解的是，调整垫块的形状不限，圆形、方形或不规则的形状均可。

优选的，如图8所示，粗轴24底部通过紧固螺栓12固定于固定平台1。需要说明的是，紧固螺栓12的个数不限，需满足将止转芯轴2紧固于固定平台1上即可。

本发明的工作过程：先将待测螺栓穿过止转芯轴的中心通道，在被连接件上将螺母预拧至螺栓上，此时定位销位于定位销固定孔和定位销孔内，承力钢珠位于钢珠固定套的通道内且高度略高于通道。使用外部加载工具按照一定的加载需求对螺栓（螺母）进行加载，所测预紧力由轴力传感器测量得到。当待测螺母为高锁螺母等一些特殊紧固件时，需对预紧力进行卸载以方便实现对螺母的松脱，卸载时，将定位销从定位销固定孔内拔出，转动卸载把手至一定角度，承力钢珠从钢珠固定套的通道内落入转芯轴的孔槽内，下传感器垫块与钢珠固定套端部预留出间隙，使得下传感器垫块、轴力传感器和上传感器垫块下移，从而实现预紧力的卸载，此时再使用外力便可轻易能够将螺母进行松脱。

在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。

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Claims (10)

1.一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，建立试验平台，包括固定平台、止转芯轴、钢珠固定套、承力钢珠和轴力传感器，止转芯轴固定于固定平台，止转芯轴具有中心通道，轴力传感器和钢珠固定套均套设于止转芯轴外部，钢珠固定套开有通道，止转芯轴开设孔槽，预紧时、承力钢珠位于通道内且承力钢珠凸出于通道，卸载时、转动钢珠固定套、承力钢珠落入孔槽；螺栓扭拉测试步骤，包括：获得螺栓达到屈服所需的预紧力Fs ，取Fs的80%作为目标预紧力Ft；将螺栓安置于试验平台；使用电动扭矩扳手对螺栓/螺母进行拧紧，拧紧至目标预紧力Fs后终止拧紧；读取并记录电动扭矩扳手和试验平台上的数据，并对数据进行处理分析，得到螺栓的扭拉特性参数，取扭矩系数K。

2.如权利要求1所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，止转芯轴为阶梯轴，包括细轴和粗轴，细轴在上，粗轴在下，孔槽开于粗轴端面；钢珠固定套包括端部和侧部，端部中心开有与细轴间隙配合的通孔，通道开于端部且沿通孔圆周分布，孔槽与通道相对应，端部与侧部形成凹槽结构，凹槽与粗轴间隙配合。

3.如权利要求2所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，钢珠固定套设有定位部，定位部为定位销固定孔，定位销固定孔开于侧部，粗轴柱面开有定位销孔，定位销固定孔与定位销孔对应，所述试验平台包括定位销，定位销与定位销固定孔、定位销孔相配合，定位销固定孔具有插入面，插入面为平面。

4.如权利要求2所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，所述钢珠固定套侧部设有卸载把手。

5.如权利要求2所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，所述试验平台包括下传感器垫块和上传感器垫块，下传感器垫块、轴力传感器和上传感器垫块从下往上依次叠放且套设于细轴外部，下传感器垫块位于端部上方，细轴为腰圆型，下传感器垫块和上传感器垫块中心开有与细轴适配的腰圆孔，与细轴间隙配合。

6.如权利要求5所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，所述试验系统设有螺母，螺母下方设有被连接件，被连接件中心开有穿孔，穿孔与中心通道对中，上传感器垫块设有限制被连接件转动自由度的被连接件限位机构。

7.如权利要求6所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，被连接件限位机构包括止动平面，上传感器垫块顶部开有定位槽，止动平面为定位槽槽壁，被连接件与定位槽适配。

8.如权利要求1所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，所述试验平台设有螺栓头快换套筒，螺栓头快换套筒开有螺栓孔和螺栓头孔，螺栓的螺栓头与螺栓头孔适配，螺栓头孔、螺栓孔、中心通道依次对中，固定平台设有限制螺栓头快换套筒转动自由度的套筒限位机构。

9.如权利要求8所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，套筒限位机构包括止动平面，固定平台开有套筒定位孔，止动平面为套筒定位孔孔壁，螺栓头快换套筒与套筒定位孔适配。

10.如权利要求9所述的一种测试螺栓扭拉特性的载荷可卸式试验系统，其特征在于，套筒定位孔内设有调整垫块，调整垫块位于螺栓头快换套筒上方。

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