CN112539865B - 螺栓连接安装预紧力测量用工装、测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的在于提供一种螺栓连接安装预紧力测量用工装，能够实现在高温环境下对螺栓连接结构内部安装预紧力的精准测量计算。本发明的另一目的在于提供一种螺栓连接安装预紧力测量系统，其包括前述测量用工装。本发明的又一目的在于提供一种螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其采用如前的测量系统。为实现前述目的的工装包括上加载块、下加载块以及板件。其中上加载块具有被夹持部以及连接部，连接部为空心管状，具有内螺纹；下加载块，内部开设有容纳腔，容纳腔内具有隔段；板件容纳于容纳腔中，中心开设有第一通孔。其中，隔段对应第一通孔开设有第二通孔，第一通孔与第二通孔相连通并允许螺栓插入。

Description

螺栓连接安装预紧力测量用工装、测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种螺栓连接安装预紧力测量用工装、测量系统及测量方法。
背景技术
螺栓连接结构是工程上使用最广泛的机械连接方式，而安装预紧力是影响螺栓连接结构连接功效的重要设计参数。目前螺栓连接结构在室温条件下的安装预紧力可以通过多种方式测量计算得到，例如直接借助力传感器测得或者是通过测量螺栓的伸长量进而计算得到。
从室温安装到高温服役状态下，由于受到材料弹性模量的下降、以及不同材料(例如金属材料与陶瓷材料)间热变形膨胀差值的影响，螺栓连接结构内部安装预紧力数值会发生显著变化，并随之对连接功效产生显著影响，必须进行考察评估。
然而发明人发现，目前现有的测量计算方法不适用于高温(高于500℃)环境下螺栓连接结构内部安装预紧力的精准测量计算。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种螺栓连接安装预紧力测量用工装，能够实现在高温环境下对螺栓连接结构内部安装预紧力的精准测量计算。
本发明的另一目的在于提供一种螺栓连接安装预紧力测量系统，其包括前述测量用工装。
本发明的又一目的在于提供一种螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其采用如前所述的测量系统。
为实现前述目的的螺栓连接安装预紧力测量用工装包括：
上加载块，具有被夹持部以及连接部，所述连接部具有比所述被夹持部更小的径向截面积，所述连接部为空心管状，具有内螺纹；
下加载块，内部开设有容纳腔，所述容纳腔内具有隔段；以及，
板件，容纳于所述容纳腔中，中心开设有第一通孔；
其中，所述隔段对应所述第一通孔开设有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔相连通并允许螺栓插入。
在一个或多个实施方式中，所述下加载块的上端面还开设有凹槽部，所述凹槽部的底面为所述隔段的上端面。
在一个或多个实施方式中，所述隔段在所述工装的长度方向上等厚。
在一个或多个实施方式中，所述板件具有比所述凹槽部底面更大的径向截面积。
在一个或多个实施方式中，所述隔段为金属材料制成，所述板件为陶瓷材料制成。
在一个或多个实施方式中，所述测量系统适用于高于500℃的高温环境。
为实现前述另一目的的螺栓连接安装预紧力测量系统，用于测量螺栓连接结构预紧的第一部件与第二部件之间的安装预紧力，包括力学加载试验机，还包括如前所述的测量用工装；
其中，所述力学加载试验机具有至少一对夹头，所述夹头分别与所述上加载块的夹持部以及所述下加载块的下端刚性连接。
为实现前述又一目的的螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其采用如前所述的螺栓连接安装预紧力测量系统；
所述测量方法包括：
将所述螺栓穿过所述第一通孔以及所述第二通孔后的端部与所述连接部螺纹连接，以共同成为螺栓连接结构进行预紧；在所述预紧状态下，所述连接部的端面与所述隔段的上端面相抵，所述隔段与所述板件分别成为被所述螺栓预紧的所述第一部件与所述第二部件；
利用高温加热装置对所述螺栓连接结构所在区域加热至预定温度；
将所述上加载块的所述夹持部以及所述下加载块下端分别与所述力学加载试验机刚性连接；
启动所述力学加载试验机，以在所述上加载块、所述下加载块上分别施加方向相反的轴向拉伸载荷；
通过力学加载试验机自带数据采集系统测试获得被测所述螺栓连接结构沿螺栓轴向上的高温拉伸载荷-位移曲线数据；
通过所述高温拉伸载荷-位移曲线计算所述螺栓连接结构的安装预紧力数值，其中所述高温拉伸载荷-位移曲线具有双线性特征，所述安装预紧力数值通过计算所述双线性曲线线性外延后的交点得到。
在一个或多个实施方式中，在测量之前还包括：选用与所述螺栓连接的拧紧螺母的材质以及螺纹特征均相同的上加载块。
在一个或多个实施方式中，在测量之前还包括：制作与所述第一部件厚度、材料以及通孔的几何特征均相同的隔段，选用与所述第二部件厚度、材料及通孔的几何特征均相同的板件。
本发明的增益效果在于：通过本工装结构，使得可以采用力学加载试验机自带数据采集系统所测得的高温拉伸载荷-位移曲线来计算螺栓连接结构的安装预紧力数值，无需在螺栓连接结构的载荷传递路径或是周面上安装任何传感器，在测量时无需考虑传感器的工作环境，以实现在高温环境下对安装预紧力的测量。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1示出了测量用工装一个实施方式的立体示意图；
图2为图1的正面示意图；
图3为图1中沿A-A方向的剖视示意图；
图4为图3中的局部放大示意图；
图5示出了一个实施方式下高温拉伸载荷-位移曲线数据的示意图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
后述实施例中的所提到的螺栓连接是指用螺栓穿过被连接的两零部件的安装约束孔，然后配合拧紧螺母和垫圈实现两零部件间的机械连接并施加安装预紧力；安装预紧力多指在机械连接结构内部，在受到工作载荷之前，为了增加连接结构的可靠性、紧密性和连接刚度，以防止受到载荷后被连接零部件间出现分离和相对滑动而预先施加的安装力，多依靠连接件的弹性力实现。
螺栓连接安装预紧力测量系统是用于测量螺栓连接结构预紧的第一部件与第二部件之间的安装预紧力大小，其中测量用工装用于实现对形成螺栓连接结构，以实现在测量系统中对安装预紧力的测量。
其中，如图1示出了测量用工装一个实施方式的立体示意图，图2为图1的正面示意图，图3为图1中沿A-A方向的剖视示意图，图4为图3中的局部放大示意图。测量用工装包括上加载块1、下加载块2以及板件32。上加载块1具有被夹持部11以及连接部12，其中结合图1至图2可以视得，上加载块1的径向截面积自被夹持部11至连接部12具有逐渐减少的一段，使得连接部12具有比被夹持部11更小的径向截面积。连接部12为空心管状结构，在该空心管状结构的内轴侧壁中设置有内螺纹。
下加载块2的内部开设有容纳腔23，在容纳腔23中具有隔段22。其中，隔段22是如图3所示、形成于容纳腔底面230以及下加载块2的上端面之间。板件32容纳于容纳腔23中，呈孔板结构，即在板件32的中心开设有第一通孔320。对应地，在隔段22中对应第一通孔320的位置开设有第二通孔220，第一通孔320以及第二通孔220相连通，以形成能够允许螺栓连接结构中的螺栓31插入的连接通道10。螺栓31具有能够与连接部11内的内螺纹螺纹连接的外螺纹。
其中，在图中未示出的部分中，螺栓连接安装预紧力测量系统还包括力学加载试验机，加载试验机具有至少一对夹头，如液压夹头，该一对夹头分别与上加载块1的被夹持部11以及下加载块2的下端刚性连接，以形成夹持结构，用于后续对安装预紧力的测量。
采用如前一个或多个实施方式中的测量系统进行安装预紧力测量时，测量方法包括：
首先，如图3至图4所示，将螺栓31穿过第一通孔320以及第二通孔220相连通形成的连接通道10后的端部与连接部12螺纹连接，并共同成为螺栓连接结构进行预紧，从而形成如图所示的预紧状态。在预紧状态下，连接部12的端面与隔段22的上端面相抵。在此状态下螺栓31与连接部12共同成为螺栓连接结构，螺栓31在隔段22与板件32之间施加安装预紧力，而隔段22与板件32分别成为被螺栓连接结构预紧的第一部件与第二部件。
随后，利用高温加热装置对螺栓连接机构所在区域加热至预定温度。其中，这里所指的螺栓连接机构所在区域为图2中虚线框所圈出的H区域，预定温度可以是500摄氏度以上的温度。
随后，将上加载块1的被夹持部11以及下加载块2的下端分别与力学加载试验机刚性连接，即力学加载试验机的夹头分别夹紧上加载块1的被夹持部11以及下加载块2的下端。
随后，启动力学加载试验机，以如图2所示，在上加载块1以及下加载块2上分别施加方向相反的轴向拉伸载荷FL。
随后，通过力学加载试验机自带数据采集系统测试获得被测螺栓连接结构沿螺栓轴向上的高温拉伸载荷-位移曲线数据，其中，图5示出了一个实施方式下高温拉伸载荷-位移曲线数据的示意图。
最后，可以通过如图5中所示出的高温拉伸载荷-位移曲线计算螺栓连接结构的安装预紧力数值。其中，如图所示，该高温拉伸载荷-位移曲线具有双线性特征，安装预紧力数值通过计算所述双线性曲线线性外延后的交点得到。
具体地，关于图5中通过高温拉伸载荷-位移曲线计算螺栓连接结构的安装预紧力数值的具体方法如下：
请结合参见图5，图5中的纵坐标数值代表施加在上加载块1以及下加载块2上的轴向拉伸载荷FL，横坐标数值代表上加载块1以及下加载块2因受到轴向拉伸载荷FL后，沿轴向方向向上的变形位移量。
由于连接部12的径向面积设计为上加载块1中最小的径向面积部分，当拉伸载荷FL小于安装预紧力时，加载工装夹具的拉伸变形主要产生于上加载块1的连接部12部分，并且拉伸变形随着拉伸载荷FL的增加近似线性增加；当拉伸载荷FL大于安装预紧力时，加载工装夹具的拉伸变形主要产生于上加载块的连接部12的空心管状部分和螺栓31的螺杆部分。两部分的变形总和同样随着拉伸载荷FL的增加近似线性增加，但是增长速率会小于之前。受上述加载和变形关系的影响，测试获得的载荷-位移曲线会具有双线性特征。在一个实施方式中，加载过程中拉伸载荷峰值不能过大，以确保加载工装夹具和螺栓均处于弹性变形范围内。
结合图5可以使得，由于上述双线性特征的变化，图中曲线为大致划分为I阶段、II阶段以及III阶段，其中I阶段对应拉伸载荷显著小于安装预紧力时的线性拉伸载荷-位移曲线，III阶段对应拉伸载荷显著大于安装预紧力时的线性拉伸载荷-位移曲线，III阶段的曲线斜率明显小于I阶段；II阶段为I、III两阶段的过渡阶段，曲线形状表现为非线性，这是由螺栓连接结构内部隔段22与板件32间的安装预紧力逐渐释放所造成的。由于拉伸载荷FL小于安装预紧力变为拉伸载荷FL大于安装预紧力时，拉伸载荷-位移曲线的斜率会发生变化，而在两条斜率不同的拉伸载荷-位移曲线之间的交点P所对应的位置上，拉伸载荷FL等于安装预紧力的大小。从而通过对I、III阶段对应的载荷-位移曲线线性外延可获得交点P，而交点P对应的纵坐标载荷值FP即为被测螺栓连接结构在给定高温环境下的内部安装预紧力数值。
通过将连接部12的径向面积设计为上加载块1中最小的径向面积部分，使得当连接部12与螺栓31成为螺栓连接结构后，连接部12在上加载块1中在轴向方向上的径向面积最小，螺栓31的螺杆部分在下加载块2中在轴向方向上的径向面积最小，这使得在力学加载试验机中进行高温环境中的拉伸过程中，形变会产生在连接部12与螺栓31中，故可以通过力学加载试验机自带数据采集系统所测得的高温拉伸载荷-位移曲线来计算螺栓连接结构的安装预紧力数值，无需在螺栓连接结构的载荷传递路径或是周面上安装任何传感器，在测量时无需考虑传感器的工作环境，以实现在高温环境下对安装预紧力的测量。
在本测量系统的其他实施例中，测量工装相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。
在测量用工装的一个实施方式中，下加载块2的上端面还开设有凹槽部21，隔段22的上端面即为凹槽部21的底面。由于隔段22在螺栓连接结构中是作为被连接的第一部件，因而隔段22需要保证与第一部件具有相同的材料、厚度等性质。通过开设凹槽部21，使得在保证隔段22与第一部件具有相同厚度的同时，下加载块2无需与隔段22具有相同的厚度，即下加载块2可以如图3所示、具有比隔段22更厚的厚度，从而保证了下加载块2自身的刚度与强度。
在测量用工装的一个实施方式中，隔段22在工装的长度方向上等厚。
在测量系统的一个实施方式中，板件32具有比凹槽部21底面更大的径向截面面积，以使在预紧时更加牢固。
在测量系统的一个实施方式中，隔段22为金属材料制成，板件32为陶瓷材料制成，以使得本测量系统适用于高温环境下陶瓷基复合材料与金属材料零部件间螺栓连接结构内部安装预紧力的测量计算。在测量系统的一个实施方式中，测量系统适用于高于500℃的高温环境。
在测量方法中，测量之前还包括：选用与螺栓连接的拧紧螺母的材质以及螺纹特征均相同的上加载块，从而保证了测量的准确性。
在测量方法中，测量之前还包括：制作与所述第一部件厚度、材料及通孔的几何特征均相同的隔段22，选用与所述第二部件厚度、材料及通孔的几何特征均相同的板件32，从而保证了测量的准确性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.螺栓连接安装预紧力测量用工装，其特征在于，用于在高于500℃的高温环境进行安装预紧力测量，所述工装包括：
上加载块，具有被夹持部以及连接部，所述连接部具有比所述被夹持部更小的径向截面积，所述连接部为空心管状，具有内螺纹；
下加载块，内部开设有容纳腔，所述容纳腔内具有隔段；以及，
板件，容纳于所述容纳腔中，中心开设有第一通孔；
其中，所述隔段对应所述第一通孔开设有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔相连通并允许螺栓插入。
2.如权利要求1所述的螺栓连接安装预紧力测量用工装，其特征在于，所述下加载块的上端面还开设有凹槽部，所述凹槽部的底面为所述隔段的上端面。
3.如权利要求1所述的螺栓连接安装预紧力测量用工装，其特征在于，所述隔段在所述工装的长度方向上等厚。
4.如权利要求2所述的螺栓连接安装预紧力测量用工装，其特征在于，所述板件具有比所述凹槽部底面更大的径向截面积。
5.如权利要求1所述的螺栓连接安装预紧力测量用工装，其特征在于，所述隔段为金属材料制成，所述板件为陶瓷材料制成。
6.螺栓连接安装预紧力测量系统，用于测量螺栓连接结构预紧的第一部件与第二部件之间的安装预紧力，包括力学加载试验机，其特征在于，还包括如权利要求1至5中任一项所述的测量用工装；
其中，所述力学加载试验机具有至少一对夹头，所述夹头分别与所述上加载块的夹持部以及所述下加载块的下端刚性连接。
7.一种螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其特征在于，其采用如权利要求6所述的螺栓连接安装预紧力测量系统；
所述测量方法包括：
将所述螺栓穿过所述第一通孔以及所述第二通孔后的端部与所述连接部螺纹连接，以共同成为螺栓连接结构进行预紧；在预紧状态下，所述连接部的端面与所述隔段的上端面相抵，所述隔段与所述板件分别成为被所述螺栓预紧的所述第一部件与所述第二部件；
利用高温加热装置对所述螺栓连接结构所在区域加热至预定温度；
将所述上加载块的所述夹持部以及所述下加载块下端分别与所述力学加载试验机刚性连接；
启动所述力学加载试验机，以在所述上加载块、所述下加载块上分别施加方向相反的轴向拉伸载荷；
通过力学加载试验机自带数据采集系统测试获得被测所述螺栓连接结构沿螺栓轴向上的高温拉伸载荷-位移曲线数据；
通过所述高温拉伸载荷-位移曲线计算所述螺栓连接结构的安装预紧力数值，其中所述高温拉伸载荷-位移曲线具有双线性特征，所述安装预紧力数值通过计算具有双线性特征的所述高温拉伸载荷-位移曲线线性外延后的交点得到。
8.如权利要求7所述的螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其特征在于，在测量之前还包括：
选用与所述螺栓连接的拧紧螺母的材质以及螺纹特征均相同的上加载块。
9.如权利要求7所述的螺栓连接结构安装预紧力的测量方法，其特征在于，在测量之前还包括：
制作与所述第一部件厚度、材料以及通孔的几何特征均相同的隔段，选用与所述第二部件厚度、材料及通孔的几何特征均相同的板件。
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