CN112179554B - 一种小尺寸螺栓紧固件的螺纹扭矩及预紧力测量装置 - Google Patents

一种小尺寸螺栓紧固件的螺纹扭矩及预紧力测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空航天技术领域，提供了一种小尺寸螺栓紧固件的螺纹扭矩及预紧力测量装置，包括预紧力测量部件、与预紧力测量部件输出端同轴的被连接部件、与被连接部件同轴的扭矩测量部件，预紧力测量部件用于检测螺栓拧紧过程中的预紧力大小，被连接部件用于产生预紧力以及传递螺栓拧紧过程产生的扭矩，扭矩测量部件用于检测螺栓拧紧过程中产生的螺纹扭矩。本发明通过等效力传递的方式高精度测量了小尺寸螺栓的预紧力与螺纹扭矩，结合总扭矩与预紧力即可计算扭矩系数、端面摩擦扭矩等参数，通过更换垫片可控制端面摩擦系数，方便了航空航天领域小尺寸螺栓的测试。

Description

一种小尺寸螺栓紧固件的螺纹扭矩及预紧力测量装置
技术领域
本发明用于航空航天领域，更具体地说是一种测量小尺寸螺栓的螺纹扭矩和螺栓预紧力的装置。
背景技术
螺栓连接具有结构简单、装拆方便、紧固可靠的特点，被广泛应用于机械领域、电力领域、航空航天领域。航空发动机复杂结构中大量存在采用螺栓紧固联接的装配结合面，如发动机机匣、压气机转子等；风力发电机的风轮安装同样也用到螺栓连接，而螺栓连接的关键就在于预紧力的控制，预紧力控制精度高可保证变形均匀性，提高连接寿命。
目前对于螺栓预紧力的测量方法主要分为三种：
(1)通过拧紧力矩测量预紧力
首先对力矩扳手设置一个扭矩值，然后利用扭矩扳手对螺栓进行拧紧，直到螺栓拧紧力矩达到力矩扳手设定值，通过拧紧力矩和预紧力的线性关系测得螺栓预紧力。但加载过程中受端面摩擦和几何参数影响较大，最后形成的预紧力分散性较大。
(2)通过测量螺栓伸长量测量预紧力
由于螺栓的伸长量只和螺栓的应力有关,可以排除摩擦系数、接触变形、螺栓被连接件变形等可变因素的影响。所以,通过通过螺栓伸长量控制预紧力可以获得很高的精度,此种方法被广泛应用于重要场合螺栓连接的预紧力控制。
其中，螺栓伸长量法又以超声测量螺栓预紧力较多，超声测量方法为利用拧紧后螺栓伸长量发生改变导致超声回弹波也发生改变，但超声测量需贴压电陶瓷片，而火箭等发射器中有些部件采用的螺栓很小，螺栓的预紧力和扭矩也很小，同时压电陶瓷片不适用于小螺栓的粘贴，以至于螺纹扭矩及螺栓预紧力很难精准测量。
(3)通过扭矩-转角法测量预紧力
利用扭矩转角法测量预紧力即先给螺栓施加一定的力矩，直到拧紧力矩可以使螺母、螺栓和螺栓被连接件贴紧为止，这时开始控制螺母转过一定的角度形成最终螺栓预紧力，转角和预紧力呈线性关系，最终形成的预紧力离散性小。此方法是同时利用拧紧力矩和螺母转角，可精确控制螺栓预紧力。
发明内容
针对以上内容中技术的已有缺陷和改进需求，本发明的目的是提供一种精确测量小尺寸螺栓螺纹扭矩和螺栓预紧力的装置。
本发明的技术实现：
一种用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，包括预紧力测量部件，与所述预紧力测量部件输出端同轴相连的被连接结构，与所述被连接结构输出端同轴的扭矩测量部件；
所述螺栓预紧力测量部件包括上夹具、垫片、待测螺栓、压力传感器和上安装台；上夹具为法兰件，中间开有用于安放垫片的垫片槽，外环均布分布6个螺栓孔，下表面与压力传感器上表面配合，并通过螺栓固定安装；上安装台为一中间带有凹槽和通孔的方形结构，凹槽周向开有均布的6个螺栓孔，上安装台四角分别有一个螺栓孔，凹槽上表面与压力传感器下表面通过螺栓拧紧固定；上安装台四边开有矩形槽，便于信号线放置；
所述被连接结构包括螺栓被连接件、下夹具和第一圆柱销；螺栓被连接件为带有螺纹通孔和销孔的长方体，螺纹通孔用于待测螺栓拧紧；下夹具是带有两侧耳部夹紧、周向均布分布螺栓孔以及耳部带有两个圆柱销孔的部件；螺栓被连接件利用下夹具夹紧，二者通过第一圆柱销连接定位；
所述扭矩测量部件包括扭矩传感器和下安装台，扭矩传感器上表面和下夹具下表面通过周向螺栓拧紧固定，利用第二圆柱销定位，扭矩传感器下表面通过周向均布分布螺栓与下安装台固定安装，并通过第三圆柱销定位；下安装台是带有圆形凹槽的方形结构，圆形凹槽内部开有周向均布螺栓孔。
所述上安装台下表面和下安装台上表面通过四根带有螺纹孔的支架通过螺栓连接，支架上下表面保证平行度来确保整体的平行对正。
所述上夹具外周表面和下安装面保证垂直度，垫片槽和下安装面保证平行度以及尽可能减少表面粗糙度。
所述上夹具、下夹具和垫片选用材料相同，上安装台、下安装台与支架材料相同。
所述螺栓被连接件与上夹具之间存在间隙。
本发明的有益效果：本发明一种用于小尺寸螺栓紧固的螺纹扭矩及螺栓预紧力测量装置，扭矩扳手带动螺栓预紧力加载装置对螺栓进行加载，同时压力传感器测量上夹具对其的压力，用此压力表征螺栓预紧力；在拧紧过程中螺栓被连接件将扭矩传递给下夹具，下夹具与扭矩传感器相连，扭矩传感器数据即为螺纹扭矩，实时测量螺栓螺纹扭矩和螺栓预紧力，直至加载到目标预紧力为止；采用高精度压力传感器和扭矩传感器，保证了测量数据的高精度；上夹具设有可更换垫片，可通过更换垫片保证端面摩擦系数一致性，降低了更换夹具的成本。
附图说明
图1是本发明的硬件结构俯视图；
图2是本发明的硬件结构正视图；
图3是本发明的上夹具结构示意图；
图4是本发明的下夹具结构示意图；
图5是图2中A-A位置的剖面图；
图6是图2中B-B位置的剖面图；
图7是本发明的硬件结构的下视图。
图8是本发明的硬件结构的等轴测图。
图中：1第一螺栓；2第二螺栓；3第三螺栓；4第四螺栓；5第五螺栓；6第六螺栓；7第七螺栓；8第八螺栓；9第九螺栓；10第十螺栓；11第十一螺栓；12第十二螺栓；13第十三螺栓；14第十四螺栓；15第十五螺栓；16第十六螺栓；17第十七螺栓；18第十八螺栓；19第十九螺栓；20第二十螺栓；21第二十一螺栓；22第二十二螺栓；23第二十三螺栓；24第二十四螺栓；25第二十五螺栓；26第二十六螺栓；27第二十七螺栓；28第二十八螺栓；29上夹具；30垫片；31待测螺栓；32螺栓被连接件；33压力传感器；34第一圆柱销；35第二圆柱销；36第三圆柱销；37下夹具；38扭矩传感器；39上安装台；40下安装台；41第一支架；42第二支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图7所示，本发明所述一种小尺寸螺栓紧固螺纹扭矩及预紧力测量装置。包括预紧力测量部件，该预紧力测量部件用来测量螺栓拧紧过程中实时预紧力，并与所述预紧力测量部件输出端同轴相连的被连接结构，与所述被连接结构输出端同轴的扭矩测量部件，该扭矩测量部件用于测量螺栓拧紧过程中的螺纹扭矩。
参照图1，所述螺栓预紧力测量部件包括上夹具29、垫片30、待测螺栓31、压力传感器33、上安装台39。所述上夹具29为法兰件，中间开有垫片槽，外环均布分布了6个螺栓孔，下表面与所述压力传感器33上表面配合，并通过6个螺栓固定安装，所述上安装台39为一中间带有通孔的方形结构，并开有周向均布分布的螺栓孔，其上表面与所述压力传感器33下表面通过6个螺栓拧紧固定，所述上安装台39四边开有矩形槽便于信号线放置。预紧力测量部件通过拧紧待测螺栓31，螺栓被连接件32由于被固定，故力通过上夹具29传递给压力传感器33敏感面，压力传感器33敏感面将数据通过信号线传递给电脑。
参照图5，所述被连接部件包括螺栓被连接件32、下夹具37、圆柱销34。所述螺栓被连接件32为带有螺纹通孔和销孔的长方体，螺纹通孔用于待测螺栓31拧紧，所述下夹具37是带有两侧耳部夹紧、周向均布分布螺栓孔以及耳部有两个圆柱销孔的零件，所述螺栓被连接件32利用所述下夹具夹紧并通过所述圆柱销34连接定位，所述螺栓被连接件32与下夹具37通过圆柱销34连接时需保证其与待测螺栓31的同心度，所述下夹具37两侧设有耳部便于螺栓被连接件夹紧与更换。
参考照图5，所述扭矩测量部件包括扭矩传感器38和下安装台40，所述扭矩传感器38上表面和所述下夹具37下表面通过4个周向均匀分布螺栓拧紧固定，利用第二圆柱销35定位，所述扭矩传感器38下表面通过4个周向均布分布螺栓与所述下安装台固定安装，并通过圆柱销34定位，所述下安装台40是带有圆形凹槽的方形结构，凹槽内部开有周向均布螺栓孔，所述扭矩传感器38与所述下夹具37连接是将待测螺栓31拧紧过程中的螺纹扭矩实时监测出来，并将数据传输给电脑。
参照图5，所述上安装台39下表面和所述下安装台40上表面通过四根两侧带有螺纹孔的支架通过8个螺栓连接，所述支架上下表面需保证平行度来保证整体的平行对正。
参照图5，所述上夹具29外周表面和下安装面需保证垂直度，垫片槽需和下安装面保证平行度以及较小的表面粗糙度。
参照图5，所述上夹具29、所述下夹具37和所述垫片30选用材料相同，所述上安装台39、所述下安装台10与所述支架41-44材料相同。
参照图5，所述螺栓被连接件32与上夹具29之间设计一极小的尺寸间隙，保证了力传递与力测量的准确性，所述螺栓被连接件32开有螺纹通孔，方便待测螺栓31的拧紧。
本发明采用这样的结构装置，通过扭矩扳手拧紧螺栓，螺栓压垫片，垫片压上夹具，上夹具压压力传感器，压力传感器通过信号线将压力信号转换成电信号输入到电脑中，进而测量螺栓预紧力，在拧紧过程中，螺栓被连接件的扭矩传递给下夹具，下夹具带动扭矩传感器，扭矩传感器将扭矩信号转换成电信号传递给电脑，进而测量螺栓螺纹扭矩。其结构简单，设计合理，精度高，操作方便，测量种类多，可以实时测量螺纹扭矩及预紧力。
如图1所示，垫片利用垫片槽定位，当拧紧螺栓时，力会传递给上夹具，上夹具的环形面和压力传感器敏感面配合，压力传感器的敏感面受力产生变形，进而测得压力，并将数据传输给电脑。
本发明的工作原理：螺栓被连接件的压应力分布可以简化为空心圆柱体、圆锥体、球体等形状，螺栓被连接件大小应将压应力分布包含在内，可根据下式计算半顶角
Figure GDA0003055676460000061
Figure GDA0003055676460000062
其中，
Figure GDA0003055676460000063
是半顶角，βL是长度比，βL＝lk/dw，lk是夹紧长度，dw是螺栓头部支撑平面外径，y是直径比，y＝DA/dw，DA是基体替代外径。
上述基本参数可由实际结构获得，通过上式计算
Figure GDA0003055676460000071
的具体数值，将本发明结构参数代入上式可计算得实际半顶角正切值大于等于该式值。
利用胡可定律研究螺栓预紧力及螺纹扭矩，螺栓预紧力和输入扭矩呈线性关系，其表达式为：
Figure GDA0003055676460000072
其中，Q预紧力，T拧紧力矩，d2螺纹中径，S螺距，β螺纹牙形角，f1螺纹间摩擦系数，f2被联接件支承面处摩擦系数，
Figure GDA0003055676460000073
摩擦角，λ螺纹的平均升角，D1和d0支承面处直径
式(1.1)经过简化得：
T＝k·d·F0 (1.3)
其中，T拧紧扭矩，k扭矩系数，d螺栓公称直径，F0预紧力。
该式直观反映了扭矩与预紧力的关系，控制扭矩就是控制螺栓预紧力。在此式中系数k是关键参数，许多因素会影响其值，其中包括螺栓端面摩擦系数，本装置为了减小端面摩擦系数对k值得影响，设计了可更换垫片。螺栓的预紧力相当于螺栓拧紧过程中螺栓被连接件对螺纹的反作用力，也就相当于螺栓对螺栓被连接件结合面的压力，本发明的装置将结合面的压力转移到上夹具对压力传感器的压力，进而等效为螺栓预紧力。本发明可测得总扭矩T和预紧力F0，代入上式可计算扭矩系数k。
螺栓在拧紧过程中，由于被连接件和螺栓并不接触，所以被连接件所受扭矩即为螺纹扭矩，通过测得螺栓被连接件所受扭矩的大小可得知螺栓螺纹扭矩。同时，由上式中k值常取0.1-0.3可知拧紧力矩没有完全转换成螺栓预紧力，由著名的541规则可知，其中大部分扭矩被消耗在端面摩擦和螺纹摩擦上面了，本发明装置通过高精度扭矩传感器测得螺纹扭矩，将螺纹扭矩与输入扭矩做差即为端面摩擦消耗的扭矩。我们将螺纹摩擦受扭过程分解得到公式：
T＝T1+T2 (1.4)
其中，T拧紧扭矩，T1端面摩擦扭矩，T2螺纹扭矩
总扭矩可以理解为：螺纹摩擦消耗的扭矩及端面摩擦消耗的扭矩。由于润滑条件的更改和表面粗糙度的不同，摩擦系数会发生变化，导致扭矩分配发生变化，本发明装置可通过力矩扳手测得总扭矩T，利用扭矩传感器测得螺纹扭矩T2，代入上式可计算端面摩擦扭矩T1采用可更换垫片可以保证表面粗糙度相同这一条件。
本发明通过力的传递将螺栓预紧力转换成上夹具对压力传感器的压力，压力传感器敏感面发生变形进而测得螺栓预紧力，同时件螺纹扭矩转换成螺栓被连接件对下夹具的扭矩，通过信号线将数据传输给电脑，实现了小尺寸螺栓紧固螺纹扭矩和螺栓预紧力的高精度实时测量。
本发明可以测得螺栓实时预紧力、螺纹扭矩，计算扭矩系数、端面摩擦扭矩，通过更换垫片改变端面摩擦系数，便于工艺实验的进行。
以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述说明，也不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，其特征在于，该用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置包括预紧力测量部件，与所述预紧力测量部件输出端同轴相连的被连接结构，与所述被连接结构输出端同轴的扭矩测量部件；
所述预紧力测量部件包括上夹具(29)、垫片(30)、待测螺栓(31)、压力传感器(33)和上安装台(39)；上夹具(29)为法兰件，中间开有用于安放垫片(30)的垫片槽，外环均布分布6个螺栓孔，下表面与压力传感器(33)上表面配合，并通过螺栓固定安装；上安装台(39)为一中间带有凹槽和通孔的方形结构，凹槽周向开有均布的6个螺栓孔，上安装台(39)四角分别有一个螺栓孔，凹槽上表面与压力传感器(33)下表面通过螺栓拧紧固定；上安装台(39)四边开有矩形槽，便于信号线放置；
所述被连接结构包括螺栓被连接件(32)、下夹具(37)和第一圆柱销(34)；螺栓被连接件(32)为带有螺纹通孔和销孔的长方体，螺纹通孔用于待测螺栓(31)拧紧；下夹具(37)是带有两侧耳部夹紧、周向均布分布螺栓孔以及耳部带有两个圆柱销孔的部件；螺栓被连接件(32)利用下夹具(37)夹紧，二者通过第一圆柱销(34)连接定位；
所述扭矩测量部件包括扭矩传感器(38)和下安装台(40)，扭矩传感器(38)上表面和下夹具(37)下表面通过周向螺栓拧紧固定，利用第二圆柱销(35)定位，扭矩传感器(38)下表面通过周向均布分布螺栓与下安装台(40)固定安装，并通过第三圆柱销(36)定位；下安装台(40)是带有圆形凹槽的方形结构，圆形凹槽内部开有周向均布螺栓孔；
所述上安装台(39)下表面和下安装台(40)上表面通过四根带有螺纹孔的支架通过螺栓连接，支架上下表面保证平行度来确保整体的平行对正。
2.根据权利要求1所述的用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，其特征在于，所述上夹具(29)外周表面和下安装面保证垂直度，垫片槽和下安装面保证平行度以及尽可能减少表面粗糙度。
3.根据权利要求1或2所述的用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，其特征在于，所述上夹具(29)、下夹具(37)和垫片(30)选用材料相同，上安装台(39)、下安装台(40)与支架材料相同。
4.根据权利要求1或2所述的用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，其特征在于，所述螺栓被连接件(32)与上夹具(29)之间存在间隙。
5.根据权利要求3所述的用于小尺寸螺栓螺纹扭矩及螺栓预紧力的测量装置，其特征在于，所述螺栓被连接件(32)与上夹具(29)之间存在间隙。
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