CN112763167A - 一种螺栓被连接件刚度的确认方法 - Google Patents

一种螺栓被连接件刚度的确认方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺栓被连接件刚度的确认方法，涉及螺栓被连接件力学性能测定技术领域，包括如下具体步骤：对螺栓进行标定试验，生成时间延迟与轴力的标定曲线；利用拧紧枪在被连接件上以固定扭矩对螺栓拧紧，拧紧枪内置有角度传感器、拧紧速度传感器以及扭矩传感器，实时采集角度传感器与扭矩传感器的测试数据，生成扭矩与角度的曲线图，并求出曲线斜率；拧紧过程中，利用超声波测试仪测定螺栓的时间延迟，并根据步骤一种的时间延迟与轴力的标定曲线，获得螺栓的轴力，并依次计算出螺栓的伸长量、螺栓的刚度、扭矩系数以及被连接件的刚度。本发明能够较准确地计算出螺栓被连接件刚度，解决了按照以往计算方式计算不精准的问题。

Description

一种螺栓被连接件刚度的确认方法
技术领域
本发明涉及螺栓被连接件力学性能测定技术领域，尤其涉及一种螺栓被连接件刚度的确认方法。
背景技术
螺栓连接是装配件中一种典型的连接方式，螺栓被连接件的刚度直接影响着整个机械系统的性能，因此引入对螺栓被连接件刚度的计算方法，可以有效的提高设计阶段整机机械性能的预测水平。
为确定螺栓被连接件刚度，往往采用有限元分析或通过理论计算，求出被连接件刚度。
目前，被连接刚度对于规则物体可以采用计算完成，但是对于复杂物体却无法进行，CAE作为模拟分析软件是通过加载一定的力在被连接件上，必然被连接件会发生的形变，然后根据力与压缩量的关系，计算出被连接件刚度，这种方法也有缺陷，不能保证与实际一致性，规格，大小，被连接件间隙等等，都会对结果值造成影响。
因此，如何确认实际螺栓被连接件刚度是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种螺栓被连接件刚度的确认方法，能够较准确地计算出螺栓被连接件刚度，解决了按照以往计算方式计算不精准的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种螺栓被连接件刚度的确认方法，包括如下具体步骤：
步骤1、利用超声波测试仪和轴力传感器对螺栓进行标定试验，实时采集超声波测试仪和轴力传感器的测试数据，生成时间延迟与轴力的标定曲线；
步骤2、利用拧紧枪在被连接件上以固定扭矩对螺栓拧紧，拧紧枪外置有与其输出端信号连接的角度传感器和扭矩传感器，实时采集角度传感器与扭矩传感器的测试数据，生成扭矩与角度的曲线图；
通过公式ΔT/ΔA＝(T2-T1)/(A2-A1)，求出曲线斜率；
其中，T1和A1为曲线图上某一点对应的扭矩和角度，T2和A2为曲线图上另一点对应的扭矩和角度，ΔT为T2与T1的差值，ΔA为A2与A1的差值，T2＞T1，A2＞A1；
步骤3、以固定扭矩对螺栓拧紧后，利用超声波测试仪测定螺栓的时间延迟，并根据步骤一中的时间延迟与轴力的标定曲线，获得螺栓的轴力；
通过公式ΔL＝Δt.V，计算出螺栓的伸长量ΔL；
通过公式KB＝F/ΔL，计算出螺栓的刚度KB；
通过公式K＝T/DF，计算出扭矩系数K；
通过公式KC＝(KBΔT/ΔA)/[(KDPKB/2π)-(ΔT/ΔA)]，计算出被连接件的刚度KC；
其中，Δt为时间延迟，F为螺栓的轴力，V为超声波在螺栓中的传播速度，T为固定扭矩，D为螺杆外径，P为螺栓的螺距。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1的具体方法如下：
步骤1-1、将螺栓依次穿过垫板和轴力传感器后用螺母拧紧；
步骤1-2、在螺栓的一端面安装超声波感应贴片，超声波感应贴片与超声波测试仪建立连接；
步骤1-3、通过拧紧枪拧紧螺栓，轴力传感器受到轴向压缩，而螺栓则受到轴向拉伸，轴力传感器测得的轴向压缩力等于螺栓的轴向拉伸力，即螺栓的轴力，通过实时测得的轴力与超声波测试仪测得的时间延迟，即可建立时间延迟与轴力的标定曲线。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1-2中的超声波感应贴片为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3测定螺栓的时间延迟的具体方法如下：
在将螺栓依次穿过被连接件并以固定扭矩用螺母拧紧后，在螺栓的一端面安装超声波感应贴片，超声波感应贴片与超声波测试仪建立连接，通过超声波测试仪可测出此时螺栓的时间延迟。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3中的超声波感应贴片为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
本发明的进一步改进在于，所述超声波感应贴片的具体安装方法如下：
步骤1-2-1、将螺栓的端面磨平；
步骤1-2-2、用镊子拾取超声波感应贴片，将超声波感应贴片的一面置于透明胶带上，并在超声波感应贴片的另一面涂抹胶水；
步骤1-2-3、将超声波感应贴片涂抹胶水的一面贴在螺栓的端面中心，并紧压至胶水完全凝固；
步骤1-2-4、将透明胶带撕除，并将多余的胶水清除，保证超声波感应贴片与超声波测试仪连接的面上无胶水残留，完成安装。
本发明的进一步改进在于，所述步骤2中的固定扭矩小于步骤1中螺栓标定试验过程中受到的最大扭矩，防止造成测试数据的错误或无法测试，在实际应用中，扭矩的施加会受到摩擦等因素的影响，因此也可采用：步骤2中施加的固定轴力要小于步骤1中螺栓的标定轴力。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1-1中垫板和轴力传感器的厚度之和等于步骤2中的被连接件的厚度。
超声波测试仪测定时间延迟的原理为：超声波测试仪产生的超声波脉冲通过螺栓自身；超声波脉冲由螺栓一端反射回螺栓另一端；当超声波脉冲回到超声波感应贴片时产生一种小的信号；接收到的称之为反射信号；反射信号在施加螺栓拧紧力的前后被记录下来；2个反射信号到达的时间差被称之为时间延迟。
进一步解释：时间延迟是受力螺栓传播时间-未受力螺栓传播时间，其中，未受力螺栓的传播时间是早就已测知的，然后通过测出各点受力螺栓传播时间，即可得到时间延迟。
本发明的有益效果为：
本发明相较于传统的建立螺栓连接件的宏微观有限元仿真模型而言，其测量精准度更高，能有效测出实际螺栓被连接件的刚度。
附图说明
图1为本发明所提供的螺栓标定试验时的实体布置示意图。
图2为本发明步骤3中的实体布置示意图。
图中：1-螺栓、2-螺母、3-轴力传感器、4-垫板、5-超声波感应贴片、6-被连接件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种螺栓被连接件刚度的确认方法，包括如下具体步骤：
步骤1、利用超声波测试仪和轴力传感器对螺栓进行标定试验，实时采集超声波测试仪和轴力传感器的测试数据，生成时间延迟与轴力的标定曲线；
步骤2、利用拧紧枪在被连接件上以固定扭矩对螺栓拧紧，拧紧枪外置有与其输出端信号连接的角度传感器和扭矩传感器，实时采集角度传感器与扭矩传感器的测试数据，生成扭矩与角度的曲线图，可通过电脑自动生成；
通过公式ΔT/ΔA＝(T2-T1)/(A2-A1)，求出曲线斜率；
其中，T1和A1为曲线图上某一点对应的扭矩和角度，T2和A2为曲线图上另一点对应的扭矩和角度，ΔT为T2与T1的差值，ΔA为A2与A1的差值，T2＞T1，A2＞A1；
步骤3、以固定扭矩对螺栓拧紧后，利用超声波测试仪测定螺栓的时间延迟，并根据步骤一中的时间延迟与轴力的标定曲线，获得螺栓的轴力；
通过公式ΔL＝Δt.V，计算出螺栓的伸长量ΔL；
通过公式KB＝F/ΔL，计算出螺栓的刚度KB；
通过公式K＝T/DF，计算出扭矩系数K；
通过公式KC＝(KBΔT/ΔA)/[(KDPKB/2π)-(ΔT/ΔA)]，计算出被连接件的刚度KC；
其中，Δt为时间延迟，F为螺栓的轴力，V为超声波在螺栓中的传播速度，T为固定扭矩，D为螺杆外径，P为螺栓的螺距。
如图1所示，具体地，步骤1的具体方法如下：
步骤1-1、将螺栓1依次穿过垫板4和轴力传感器3后用螺母2拧紧；
步骤1-2、在螺栓1的一端面安装超声波感应贴片5，超声波感应贴片5与超声波测试仪(图中未画出)建立连接；
步骤1-3、通过拧紧枪(图中未画出)拧紧螺栓1，轴力传感器3受到轴向压缩，而螺栓1则受到轴向拉伸，轴力传感器3测得的轴向压缩力等于螺栓1的轴向拉伸力，即螺栓1的轴力，通过实时测得的轴力与超声波测试仪测得的时间延迟，即可建立时间延迟与轴力的标定曲线。
具体地，步骤1-2中的超声波感应贴片5为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
具体地，步骤3测定螺栓的时间延迟的具体方法如下：
在将螺栓1依次穿过被连接件6并以固定扭矩用螺母2拧紧后，在螺栓1的一端面安装超声波感应贴片5，超声波感应贴片5与超声波测试仪(图中未画出)建立连接，通过超声波测试仪可测出此时螺栓1的时间延迟。
具体地，步骤3中的超声波感应贴片5为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
具体地，超声波感应贴片的具体安装方法如下：
步骤1-2-1、将螺栓的端面磨平；
步骤1-2-2、用镊子拾取超声波感应贴片，将超声波感应贴片的一面置于透明胶带上，并在超声波感应贴片的另一面涂抹胶水；
步骤1-2-3、将超声波感应贴片涂抹胶水的一面贴在螺栓的端面中心，并紧压至胶水完全凝固；
步骤1-2-4、将透明胶带撕除，并将多余的胶水清除，保证超声波感应贴片与超声波测试仪连接的面上无胶水残留，完成安装。
具体地，步骤2中的固定扭矩小于步骤1中螺栓标定试验过程中受到的最大扭矩，防止造成测试数据的错误或无法测试，在实际应用中，扭矩的施加会受到摩擦等因素的影响，因此也可采用：步骤2中施加的固定轴力要小于步骤1中螺栓的标定轴力。
具体地，步骤1-1中垫板和轴力传感器的厚度之和等于步骤2中的被连接件的厚度。
超声波测试仪测定时间延迟的原理为：超声波测试仪产生的超声波脉冲通过螺栓自身；超声波脉冲由螺栓一端反射回螺栓另一端；当超声波脉冲回到超声波感应贴片时产生一种小的信号；接收到的称之为反射信号；反射信号在施加螺栓拧紧力的前后被记录下来；2个反射信号到达的时间差被称之为时间延迟。
进一步解释：时间延迟是受力螺栓传播时间-未受力螺栓传播时间，其中，未受力螺栓的传播时间是早就已测知的，然后通过测出各点受力螺栓传播时间，即可得到时间延迟。
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，本领域普通技术人员在没有做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。

Claims (8)

1.一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1、利用超声波测试仪和轴力传感器对螺栓进行标定试验，实时采集超声波测试仪和轴力传感器的测试数据，生成时间延迟与轴力的标定曲线；
步骤2、利用拧紧枪在被连接件上以固定扭矩对螺栓拧紧，拧紧枪外置有与其输出端信号连接的角度传感器和扭矩传感器，实时采集角度传感器与扭矩传感器的测试数据，生成扭矩与角度的曲线图；
通过公式ΔT/ΔA＝(T2-T1)/(A2-A1)，求出曲线斜率；
其中，T1和A1为曲线图上某一点对应的扭矩和角度，T2和A2为曲线图上另一点对应的扭矩和角度，ΔT为T2与T1的差值，ΔA为A2与A1的差值，T2＞T1，A2＞A1；
步骤3、以固定扭矩对螺栓拧紧后，利用超声波测试仪测定螺栓的时间延迟，并根据步骤一中的时间延迟与轴力的标定曲线，获得螺栓的轴力；
通过公式ΔL＝Δt.V，计算出螺栓的伸长量ΔL；
通过公式KB＝F/ΔL，计算出螺栓的刚度KB；
通过公式K＝T/DF，计算出扭矩系数K；
通过公式KC＝(KBΔT/ΔA)/[(KDPKB/2π)-(ΔT/ΔA)]，计算出被连接件的刚度KC；
其中，Δt为时间延迟，F为螺栓的轴力，V为超声波在螺栓中的传播速度，T为固定扭矩，D为螺杆外径，P为螺栓的螺距。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法如下：
步骤1-1、将螺栓依次穿过垫板和轴力传感器后用螺母拧紧；
步骤1-2、在螺栓的一端面安装超声波感应贴片，超声波感应贴片与超声波测试仪建立连接；
步骤1-3、通过拧紧枪拧紧螺栓，轴力传感器受到轴向压缩，而螺栓则受到轴向拉伸，轴力传感器测得的轴向压缩力等于螺栓的轴向拉伸力，即螺栓的轴力，通过实时测得的轴力与超声波测试仪测得的时间延迟，即可建立时间延迟与轴力的标定曲线。
3.根据权利要求2所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤1-2中的超声波感应贴片为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤3测定螺栓的时间延迟的具体方法如下：
在将螺栓依次穿过被连接件并以固定扭矩用螺母拧紧后，在螺栓的一端面安装超声波感应贴片，超声波感应贴片与超声波测试仪建立连接，通过超声波测试仪可测出此时螺栓的时间延迟。
5.根据权利要求4所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤3中的超声波感应贴片为陶瓷贴片，且该陶瓷贴片通过探针与超声波测试仪建立连接。
6.根据权利要求2或4所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，超声波感应贴片的具体安装方法如下：
步骤1-2-1、将螺栓的端面磨平；
步骤1-2-2、用镊子拾取超声波感应贴片，将超声波感应贴片的一面置于透明胶带上，并在超声波感应贴片的另一面涂抹胶水；
步骤1-2-3、将超声波感应贴片涂抹胶水的一面贴在螺栓的端面中心，并紧压至胶水完全凝固；
步骤1-2-4、将透明胶带撕除，并将多余的胶水清除，保证超声波感应贴片与超声波测试仪连接的面上无胶水残留，完成安装。
7.根据权利要求1所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤2中的固定扭矩小于步骤1中螺栓标定试验过程中受到的最大扭矩。
8.根据权利要求2所述的一种螺栓被连接件刚度的确认方法，其特征在于，所述步骤1-1中垫板和轴力传感器的厚度之和等于步骤2中的被连接件的厚度。
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