CN111390547B - 一种螺栓预紧力的加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺栓预紧力的加载方法，包括如下步骤：S10获取拧紧数据表，通过传感器采集至少五个试件拧紧数据，获得所述试件的扭矩、预紧力以及转动角度的拧紧数据表；S20获取各数据间的线性关系，根据所述数据表绘制所述预紧力与所述扭矩、所述预紧力与所述转动角度数据的关系图，并获得各数据间的线性关系；S30根据所述线性关系与现场拧紧数据获得预紧力与扭矩的真实线性关系K’，通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T；以及S40加载螺栓或螺母至目标扭矩T完成预紧力的加载。本发明的一种螺栓预紧力的加载方法，克服了现有螺栓装配过程中存在的预紧力散度大、稳定性差、预测和控制难度大的问题，避免了加载过程中误差的引入，提高了被连接件连接后的稳定性。

Description

一种螺栓预紧力的加载方法

技术领域

本发明涉及螺栓装配技术领域，具体涉及一种螺栓预紧力的加载方法。

背景技术

目前螺栓装配技术领域常用的两种螺栓加载方法为扭矩法与扭矩转角法。扭矩法，即利用扭矩与螺栓预紧力之间的线性关系，施加一定扭矩以达到获得相应螺栓预紧力的目的，这一方法是加载螺栓最为常见的方法，但由于扭矩与预紧力之间的关系受到摩擦的影响而产生较大的波动，所得预紧力的一致性较差。扭矩转角法，即在给螺纹紧固件施加一定目标预紧力时，先按一定目标扭矩对紧固件进行拧紧，再对紧固件施加一定的角度载荷，以实现控制目标预紧力的目的。

扭矩转角法主要利用了在连接件完全贴合后预紧力与转角的线性关系，且这一线性关系受摩擦的影响较小，所得预紧力更加均匀且具有很好的稳定性。但是在扭矩加载的初期仍然使用的是扭矩法，所以扭矩法的误差仍然会引入。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种螺栓预紧力的加载方法，克服了现有螺栓装配过程中存在的预紧力散度大、稳定性差、预测和控制难度大的问题，避免了加载过程中误差的引入，提高了被连接件连接后的稳定性。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种螺栓预紧力的加载方法，包括如下步骤：S10获取数据表，通过传感器采集至少五个试件拧紧数据，获得所述试件的扭矩、预紧力以及转动角度的拧紧数据表；S20根据所述数据表绘制所述预紧力与所述扭矩、所述预紧力与所述转动角度数据的关系图，并获取各数据间的线性关系；S30获取目标扭矩T，根据所述线性关系获得预紧力与现场拧紧数据所述扭矩的真实线性关系K’，通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T；F’为预设目标预紧力，Tp为自锁扭矩；以及S40加载螺栓或螺母至所述目标扭矩T完成预紧力的加载；其中，所述线性关系包括所述扭矩与所述预紧力线性段的斜率为K1、所述预紧力与所述角度线性段的斜率为K2以及所述预紧力与所述角度关系曲线中线性段与非线性段临界点所对应的预紧力F0；根据所述K1计算出F0所对应的扭矩T0＝K1*F0；所述步骤S30包括如下步骤：S31获取自锁扭矩Tp，对第三组试件加载预紧力，使用螺栓、螺母将被连接件连接，在所述被连接件还未被螺栓、螺母触压前记录连接过程中的扭矩，所述扭矩的峰值即为所述自锁扭矩Tp；S32获取真实线性关系K’，对所述第三组试件继续加载力至扭矩a×T0，并记录此时的角度A1，继续加载力至扭矩a×T0+ΔT并记录此时的角度A2；根据K2获得ΔA所对应的预紧力差值ΔF，K’＝ΔT/ΔF；其中，ΔA＝A2-A1，ΔT为预设值，a＝1.2；以及S33通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T。

进一步地，所述步骤S10包括如下步骤：S11模拟真实应用环境准备试件及环境条件，所述试件包括螺栓、螺母以及被连接件，所述环境条件包括润滑、转速；S12将第一组试件的螺栓拧紧至屈服，获得屈服预紧力Ft；以及S13以所述Ft的60％为目标预紧力F，按相应的试验要求对第二组试件进行拧紧试验，通过传感器采集拧紧数据，并将数据整理在数据表中。

进一步地，使用自动拧紧枪将所述螺栓以及所述螺母螺接，所述自动拧紧枪能够检测和控制加载过程中的扭矩值以及角度值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明的一种螺栓预紧力的加载方法，将所述扭矩法与扭矩-转角法结合，利用被连接件完全贴合后预紧力与转角的线性关系，获得目标扭矩，进而完成预紧力的加载；使用本方法对预紧力进行加载的过程中能够根据每根螺栓的拧紧特性动态地调整加载参数以便获得更稳定的预紧力数据，克服了现有螺栓装配过程中存在的预紧力散度大、稳定性差、预测和控制难度大的问题；避免了加载过程中误差的引入，提高了被连接件连接后的稳定性及加载精度。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的螺栓预紧力的加载方法流程图；

图2所示为本发明一实施例的所述被连接件还未被螺栓、螺母触压前记录连接过程中的扭矩与预紧力关系图；

图3所示为本发明一实施例的螺栓预紧力的加载过程各数据的关系图；

图4所示为本发明一实施例的传统方法与本发明的加载方法预紧力稳定性对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。

本实施例提供了一种螺栓预紧力的加载方法，如图1所示，包括如下步骤：S10获取数据表，通过传感器采集至少五个试件拧紧数据，获得所述试件的扭矩、预紧力以及转动角度的拧紧数据表。S20根据所述数据表绘制所述预紧力与所述扭矩、所述预紧力与所述转动角度数据的关系图，并获取各数据间的线性关系。S30获取目标扭矩T，根据所述线性关系获得预紧力与现场拧紧数据所述扭矩的真实线性关系K’，通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T；F’为预设目标预紧力，Tp为自锁扭矩。以及S40加载螺栓或螺母至所述目标扭矩T完成预紧力的加载。

所述步骤S10包括如下步骤：S11模拟真实应用环境准备试件及环境条件，所述试件包括螺栓、螺母以及被连接件，所述环境条件包括润滑、转速；S12将第一组试件的螺栓拧紧至屈服，获得屈服预紧力Ft；以及S13以所述Ft的60％为目标预紧力F，按相应的试验要求对第二组试件进行拧紧试验，通过传感器采集拧紧数据，并将数据整理在数据表中。

所述步骤S20中所述线性关系包括所述扭矩与所述预紧力线性段的斜率为K1、所述预紧力与所述角度线性段的斜率为K2以及所述预紧力与所述角度关系曲线中线性段与非线性段临界点所对应的预紧力F0。根据所述K1计算出F0所对应的扭矩T0＝K1*F0。

所述步骤S30包括如下步骤：S31获取自锁扭矩Tp，对第三组试件加载预紧力，使用螺栓、螺母将被连接件连接，在所述被连接件还未被螺栓、螺母触压前记录连接过程中的扭矩，所述扭矩的峰值即为所述自锁扭矩Tp。使用自动拧紧枪将所述螺栓以及所述螺母螺接，所述自动拧紧枪能够检测和控制加载过程中的扭矩值以及角度值。S32获取真实线性关系K’，对所述第三组试件继续加载力至扭矩a×T0，并记录此时的角度A1，继续加载力至扭矩a×T0+ΔT并记录此时的角度A2；根据K2获得ΔA所对应的预紧力差值ΔF，K’＝ΔT/ΔF；其中，ΔA＝A2-A1，ΔT为预设值，a＝1.2；以及S33通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T。

下面以某发动机关键部位的装配应用环境下的螺栓预紧力的加载方法进行说明。

S11以发动机关键部位真实装配时进行说明，试件55个，预设ΔT＝20Nm、F’＝30KN，拧紧转速8rpm，充分润滑。

S12取第一组试件5个，将螺栓拧紧至屈服，获得屈服预紧力Ft＝110KN。

S13以60％*Ft＝66KN为目标预紧力F进行试验；按试验要求对第二组试件5个进行拧紧，通过传感器采集拧紧数据，并将数据整理在数据表中。

S20将所述数据表中的数据绘制获得所述扭矩与所述预紧力、所述预紧力与所述转动角度数据的关系图，通过线性拟合或其他方法获得所述关系图中各数据间的线性关系。获得K1＝1.8601、K2＝0.1814以及所述预紧力与F0＝10KN。T0＝F0*K1＝10*1.8601＝18.6Nm。

S31取第三组试件15个，分别编号1#～15#，使用螺栓、螺母将被连接件连接，这里以1#螺栓第一次拧紧为例进行说明。在所述被连接件还未被1#螺栓、螺母触压前记录连接过程中的扭矩数据，并将所述扭矩数据绘制成图2，由图2获得所述扭矩的峰值即为所述自锁扭矩Tp＝5.8Nm。

S32如图3所示，继续加载力至扭矩a×T0＝1.2×18.6Nm＝22.32Nm，并记录此时的角度A1＝1634.5°，继续加载力至扭矩1.2×T0+ΔT＝1.2×18.6Nm+20Nm＝42.32Nm并记录此时的角度A2＝1710.5°。ΔA＝A2-A1＝76°。根据K2获得ΔA所对应的预紧力差值ΔF＝ΔA*K2＝76*0.1814KN＝13.8KN，根据K’＝ΔT/ΔF＝20/13.8＝1.448。获得k’＝1.448。

S33通过公式T＝K’F’+Tp＝1.448*30Nm+5.8Nm＝49.24Nm获得目标扭矩T。

S40加载1#螺栓至所述目标扭矩T＝49.24Nm完成预紧力的加载。

重复所述步骤S30～S40完成1#螺栓的剩余重复14次加载。

重复所述步骤S30～S40完成另外14个螺栓中每个螺栓的重复15次预紧力的加载。

取第四组试件15个使用扭矩转角法进行预紧力的加载，获取加载数据。

取第五组试件15个使用扭矩法进行预紧力的加载，获取加载数据。

将本发明与扭矩转角法、扭矩法的加载方法对所述螺栓重复15次拧紧获得的数据进行对比，计算每次拧紧的预紧力均差和标准差见下表1：

表1.重复拧紧15次标准差和均值数据

根据表1制作对比图，如图4所示，标准差越小则代表预紧力的稳定性越好。由图4可以看出，使用本发明加载方法获得的螺栓预紧力的稳定性得到了很大的提升。且相较于其他两种方法，随着重复拧紧次数增加，本发明加载方法的优越性越明显。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种螺栓预紧力的加载方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10获取数据表，通过传感器采集至少五个试件拧紧数据，获得所述试件的扭矩、预紧力以及转动角度的拧紧数据表；

S20根据所述数据表绘制所述预紧力与所述扭矩、所述预紧力与所述转动角度数据的关系图，并获取各数据间的线性关系；

S30获取目标扭矩T，根据所述线性关系获得预紧力与现场拧紧数据所述扭矩的真实线性关系K’，通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T；F’为预设目标预紧力，Tp为自锁扭矩；以及

S40加载螺栓或螺母至所述目标扭矩T完成预紧力的加载；

其中，所述线性关系包括所述扭矩与所述预紧力线性段的斜率为K1、所述预紧力与所述角度线性段的斜率为K2以及所述预紧力与所述角度关系曲线中线性段与非线性段临界点所对应的预紧力F0；

根据所述K1计算出F0所对应的扭矩T0＝K1*F0；

所述步骤S30包括如下步骤：

S31获取自锁扭矩Tp，对第三组试件加载预紧力，使用螺栓、螺母将被连接件连接，在所述被连接件还未被螺栓、螺母触压前记录连接过程中的扭矩，所述扭矩的峰值即为所述自锁扭矩Tp；

S32获取真实线性关系K’，对所述第三组试件继续加载力至扭矩a×T0，并记录此时的角度A1，继续加载力至扭矩a×T0+ΔT并记录此时的角度A2；根据K2获得ΔA所对应的预紧力差值ΔF，K’＝ΔT/ΔF；其中，ΔA＝A2-A1，ΔT为预设值，a＝1.2；以及

S33通过公式T＝K’F’+Tp获得目标扭矩T。

2.根据权利要求1所述的螺栓预紧力的加载方法，其特征在于，所述步骤S10包括如下步骤：

S11模拟真实应用环境准备试件及环境条件，所述试件包括螺栓、螺母以及被连接件，所述环境条件包括润滑、转速；

S12将第一组试件的螺栓拧紧至屈服，获得屈服预紧力Ft；以及

S13以所述Ft的60％为目标预紧力F，按相应的试验要求对第二组试件进行拧紧试验，通过传感器采集拧紧数据，并将数据整理在数据表中。

3.根据权利要求1所述的螺栓预紧力的加载方法，其特征在于，使用自动拧紧枪将所述螺栓以及所述螺母螺接，所述自动拧紧枪能够检测和控制加载过程中的扭矩值以及角度值。

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