CN113155346B - 一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，包括以下步骤：将工具螺栓置于螺栓加载位进行加载，并获取实时距离数据L_i、转角数据α_i和扭矩数据T_i；当监测到贴合点时，计算贴合点预紧力，计算公式为：F_b＝K2×(L_b‑L₀)。本发明通过工具螺栓直接与被连接件贴合，更接近工作螺栓加载时的工况，测量结果更为准确。

Description

一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法

技术领域

本发明属于螺栓装配技术领域，尤其是涉及一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法。

背景技术

螺栓连接配合是装配技术领域中常用的连接方式；而螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被连接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺纹副间的摩擦能耗、旋进螺母与被连接件支撑面间的摩擦能耗相关。

螺栓预紧力的控制可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明，较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。但是过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力非常重要。

转角-预紧力曲线作为螺纹紧固件的加载曲线，其在加载环境改变后仍存在极高一致性，利用这一加载特性对螺纹紧固件预紧力的控制与预测具有积极意义。然而，受限于螺母与螺栓相对初始转角位置的不确定，导致这一方法无法直接利用。

而螺栓的加载曲线除了转角-预紧力曲线以外，还存在转角-扭矩曲线，在前期研究中发现，转角-扭矩曲线的贴合点与转角-预紧力曲线的贴合点非常接近，可以认定两条曲线的贴合点处于同一转角位置，因此利用贴合点处这一特性可以建立两条曲线之间的联系实现预紧力的精确加载。所以，如何准确获得贴合点处的预紧力大小是贴合点-转角法实施的必要条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精准的螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法。

一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，包括以下步骤：包括以下步骤：

1)将工具螺栓置于螺栓加载位进行加载，并通过工具螺栓中的激光位移传感器获取实时距离数据L_i，同时通过加载设备中的传感器获取实时转角数据α_i和扭矩数据T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1,2,3…；i的初始数值为1；

2)当监测到贴合点时，计算贴合点预紧力，计算公式为：

F_b＝K2×(L_b-L₀)

其中，b为贴合点对应的采样序列；K2为工具螺栓的刚度；L₀为激光位移传感器的初始距离数据。

进一步，所述工具螺栓上设置有深孔，所述激光位移传感器设置于深孔的开口处。

进一步，所述工具螺栓的制作方法为：在同一批次的螺栓中，随机选取一个螺栓作为工具螺栓，沿工具螺栓的轴向方向打孔，形成深孔，并在深孔的开口处安装激光位移传感器，获得初始距离数据L₀。

作为可选方案，在测量得到螺纹连接部位的贴合预紧力之后，再进行螺栓预紧力的加载时，为保证加载的预紧力更为精准且一致性高，本申请提供了一种螺栓预紧力的加载方法，包括以下步骤：

S1、获取加载转角Δα，计算公式为：

其中，F_t为目标预紧力；K1为实际加载时，实际加载曲线上线性段的斜率；

S2、将工作螺栓置于螺栓加载位进行加载，并实时监测获得贴合点，获取贴合点对应的转角A1；

S3、在转角A1的基础上，使工作螺栓转动Δα度，拧紧螺栓，完成加载。

进一步，所述斜率K1的计算公式为：

其中，K_m为被连接件的刚度，K_b为加载时使用的螺栓的刚度。

作为可选方案，在计算得到螺纹连接部位的贴合预紧力之前或对工作螺栓加载转角Δα之前，先定位贴合点，为了能够更准确的定位贴合点，本发明还提供了一种贴合点的获取方法，包括以下步骤：

S11、加载螺栓，并利用传感器实时采集加载过程中的转角数据和扭矩数据，获得α_i和T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1,2，3…；i的初始数值为1；

S12、当i＝d时，对采集到的数据进行线性拟合，并获得拟合的一次函数T＝linear(i)；

其中d为预设的数据样本数量。

对实时采集的数据进行实时的线性拟合，得到转角-扭矩曲线，符合实际加载的需要，能够快速的定位贴合点，减少运算量。

S13、对获得的一次函数的线性拟合优度进行评价，该评价指标为每个数据点到拟合的一次函数的距离的平方，再求和，即：

并记录评价的函数值；

其中，n＝i-d+1。

对d个数据拟合成的一次函数进行优度评价，该种计算评价方式对噪点不敏感，降低了噪点对运算结果的干扰，抗干扰能力强，输出结果更为准确。

S14、令i+1后，从i+1开始向前取d个连续的数据进行线性拟合，获得一次函数T＝linear(i+1)后，再重复S13。传感器采集到一组数据(即d个数据)后，之后每采集一次数据，都实时进行一次运算，且每次计算均是计算相同数量(即d个)连续的数据点，使得每次计算均能够降低噪点的影响，且能够降低每次的运算量，使得运算效率更高，并且能及时的发现贴合点，保证加载精度和一致性。

S15、对函数值进行判断，判断条件为：

cost(i-1)＞cost(i)＞1。

即当次计算值小于前一次计算值，且当次计算值大于1时，则表明监测到贴合点，大于1的判定条件排除了噪点的干扰，使得判定结果更为准确。

S16、若S15中的条件不成立，表明未监测到贴合点，则重复步骤S14和S15；

S17、若S15中的条件成立，表明监测到贴合点，则输出最终结果：贴合点处的转角即为α_i-1。

进一步，对S11中采集到的数据进行重构，按等角度Δβ序列对扭矩数据和转角数据进行插值与排列，得到α_x和T_x，此时X为重构后的数据序列，然后再进行步骤S12-S18。

进一步，对S11中采集到的数据进行滤波处理。

本发明的优点在于：

1、用事先制作好的成标准体系的工具螺栓作为测量标尺，可以满足不同的螺栓孔的测量需求，使用方便，通用性强；

2、螺栓直接与被连接件接触，更贴近实际加载工况，测量结果更为精确。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中贴合点、线性段的示意图。

图3为本发明中工具螺栓的剖视图。

图4为本发明中工具螺栓的立体图。

图5为本发明中工作螺栓、力环传感器、被连接件之间的配合图。

图6为本发明中贴合点的获取流程图。

图7为本发明中转角-扭矩曲线的线性优度图。

图8为本发明中贴合点预紧力的获取流程图。

图9为本发明中的预紧力加载方法与扭矩法、扭矩-转角法的对比图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的优选方式详细地进行说明，为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1和图2所示，一种螺栓预紧力的加载方法，包括以下步骤：

S1、将工具螺栓置于螺栓加载位进行加载，并实时监测获得贴合点，同时获得贴合点对应的预紧力F_b，然后取下工具螺栓；

S2、获取加载转角Δα，计算公式为：

其中，F_t为目标预紧力；K1为实际加载时，实际加载曲线上线性段的斜率；

S3、将工作螺栓置于螺栓加载位进行加载，并实时监测获得贴合点，获取贴合点对应的转角A1；

S4、在转角A1的基础上，使工作螺栓转动Δα度，拧紧螺栓，完成加载。

本申请的原理在于，当螺栓(无论是工具螺栓还是工作螺栓)在螺栓加载位上加载至贴合点(即两被连接件之间结合面近似完全接触)时，连接刚度才基本恒定，此时预紧力与转角之间呈准线性关系。

所以本申请通过先用工具螺栓进行加载，来监测获得贴合点的预紧力，此贴合点预紧力即为工作螺栓加载时的贴合点预紧力，如此即可计算出在工作螺栓加载到达贴合点后，还需要加载多少角度即可达到目标预紧力，在监测出的贴合点所对应的角度的基础上，再用转角法加载Δα即可达到目标预紧力；而由于在被连接件完全贴合后，预紧力与转角之间呈准线性关系，且这一线性关系不受摩擦系数的影响，具有很好的稳定性，所以螺栓预紧力的加载更为精准，一致性更高，同时通过贴合点的监测定位，排除了在到达贴合点前，扭矩与预紧力之间的关系受到摩擦不确定性的影响而产生较大的波动的问题，达到以力控力(以贴合点预紧力控制目标预紧力)的效果，以此实现预紧力的高精度、高一致性加载。

其中，加载螺栓采用现有的加载设备，如力矩扳手，此为现有技术，可直接从市场上采购获得，故在此不做赘述，方便实时获取加载数据。

其中，贴合指的是结合面近似完全贴合(主要指被连接件的结合面，比如用螺栓连接两个板，两个板的面近似完全接触时，被连接件的刚度才能恒定下来)。

上述工作螺栓为实际加载固定所用的螺栓；而工具螺栓为用于测量贴合点预紧力的螺栓，相当于测量标尺，工具螺栓的尺寸规格与工作螺栓相同，工具螺栓的制作工艺和材料可以与工作螺栓相同也可以不同。

工具螺栓为预先制作好的一整套螺栓，包括各个标准尺寸规格，如M8、M16等，且工具螺栓的刚度K2为已知量，方便直接使用。

由于采用以力控力的方式，所以相同工况下，只需进行一次贴合点预紧力的测量即可，故而在实现高精度加载的同时，仍旧能够保持高效率的加载。而当实际工况改变时，仅需更换对应规格的工具螺栓进行贴合点预紧力的测量即可，使得不同工况下均能实现目标预紧力的高精度加载，满足不同的使用需求。

由于在真实工况下加载，并不需要每个孔位(比如法兰盘一圈有很多孔)、或每次拧紧(同一个孔位螺栓多次拧紧)，都进行性贴合点预紧力测定。因为只要被连接件(假设是两个板件)工况一定的情况下，需要将其压到近似贴合状态的压紧力基本上是一致的，所以在工况确定的情况下，为了提高工作效率，仅需用工具螺栓进行一次贴合点预紧力获取，后续加载其它孔位或一个孔位多次拧紧等操作时，是不需要再反复进行贴合点预紧力标定的，因为只要被连接件状态是确定的，贴合点预紧力就是确定的，而每次螺栓有差异或摩擦系数有变化，这些变量对贴合点预紧力是不起作用的。

上述S2中，斜率K1的计算公式为：

其中，K_m为被连接件的刚度，K_b为加载时使用的螺栓的刚度。

如图3和图4所示，在一些实施例中，工具螺栓21上设置有深孔22，深孔22的开口处安装有激光位移传感器23，该激光位移传感器23为现有技术，可从市场上直接采购获得，故在此不做赘述。工具螺栓21的制作方法为：

在同一批次的螺栓中，随机选取一个螺栓作为工具螺栓21，沿工具螺栓21的轴向方向打孔，形成深孔22，并在深孔22的开口处安装激光位移传感器23，获得初始距离数据L₀。

本方法通过在螺栓轴向上打孔，在孔内安装传感器，不仅方便测量出变量，更重要的是能保证螺栓与加载位之间的表面接触更贴近实际工况，不受传感器的干扰，更为准确。

如图5所示，于其他实施中，工具螺栓也可以为在工作螺栓11上安装一个力环传感器13形成，力环传感器13受到被连接件12和工作螺栓11的挤压，从而直接测得预紧力数据。

通过上述描述可知，在计算得到两个被连接件的贴合预紧力之前或在对工作螺栓加载转角Δα之前，需要先定位贴合点，而为了能够更准确的定位贴合点，本申请还提供了贴合点的获取方法，参照图6和图7所示，在一些实施例中，该贴合点的获取方法包括以下步骤：

S11、加载螺栓，并利用传感器实时采集加载过程中的转角数据和扭矩数据，获得α_i和T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1，2,3…；i的初始数值为1；

S12、当i＝d时，对采集到的数据进行线性拟合，并获得拟合的一次函数T＝linear(i)；

其中d为预设的数据样本数量。

对实时采集的数据进行实时的线性拟合，得到转角-扭矩曲线，符合实际加载的需要，能够快速的定位贴合点，减少运算量。

S13、对获得的一次函数的线性拟合优度进行评价，该评价指标为每个数据点到拟合的一次函数的距离的平方，再求和，即：

并记录评价的函数值；

其中，n＝i-d+1。

对d个数据拟合成的一次函数进行优度评价，该种计算评价方式对噪点不敏感，降低了噪点对运算结果的干扰，抗干扰能力强，输出结果更为准确。

S14、令i+1后，从i+1开始向前取d个连续的数据进行线性拟合，获得一次函数T＝linear(i+1)后，再重复S13。传感器采集到一组数据(即d个数据)后，之后每采集一次数据，都实时进行一次运算，且每次计算均是计算相同数量(即d个)连续的数据点，使得每次计算均能够降低噪点的影响，且能够降低每次的运算量，使得运算效率更高，并且能及时的发现贴合点，保证加载精度和一致性。

S15、对函数值进行判断，判断条件为：

cost(i-1)＞cost(i)＞1。

即当次计算值小于前一次计算值，且当次计算值大于1时，则表明监测到贴合点，大于1的判定条件排除了噪点的干扰，使得判定结果更为准确。

S16、若S15中的条件不成立，表明未监测到贴合点，则重复步骤S14和S15；

S17、若S15中的条件成立，表明监测到贴合点，则输出最终结果：贴合点处的转角即为α_i-1。

其中，传感器包括转角传感器、扭矩传感器等，均为现有技术，可从市场上直接采购获得，故在此不做赘述。

于其他实施例中，对S11中采集到的数据进行重构，按等角度Δβ序列对扭矩数据和转角数据进行插值与排列，得到α_x和T_x，此时X为重构后的数据序列，然后再进行步骤S12-S18。

于其他实施例中，对S11中采集到的数据进行滤波处理。

为了在定位了贴合点之后，能够更准确的获得贴合点对应的预紧力F_b，以计算得到贴合后的加载转角，本申请在用工作螺栓进行实际加载之前，先用工具螺栓进行加载以获得贴合点预紧力，参照图8所示，在一些实施例中，贴合点预紧力的获取方法为：

1)在对工具螺栓进行加载时，通过工具螺栓中的激光位移传感器获取实时距离数据L_i，同时通过加载设备中的传感器获取实时转角数据α_i和扭矩数据T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1,2,3…；i的初始数值为1；

2)当监测到贴合点时，计算贴合点预紧力，计算公式为：

F_b＝K2×(L_b-L₀)

其中，b为贴合点对应的采样序列；K2为工具螺栓的刚度；L₀为激光位移传感器的初始距离数据。

由于贴合点预紧力较小，默认此时工具螺栓产生的形变量较小，未产生塑性变形，即使产生了轻微的塑性变形，对工具螺栓的刚度影响较小，且每次使用工具螺栓时，均是计算的伸长量，即长度变量，所以工具螺栓可以多次反复使用，不会影响测量精度。

如图9所示，通过对比实验可知，在仅润滑螺栓、充分润滑、仅润滑螺母、无润滑等不同实验条件下，无论是采用扭矩法还是扭矩-转角法，由于都引入了扭矩法的误差，导致最终加载的预紧力不仅与目标预紧力(30/KN)差距较大，即精准度低，并且不同条件下加载得到的预紧力相互之间差值也较大，即加载一致性差；而从图中可以明显看出，采用本方法进行加载，不仅最终加载的预紧力十分接近目标预紧力，精准度高，而且不同条件下加载得到的预紧力相互之间差值也较小，即加载一致性高。

本发明的任意实施例既可以作为独立的技术方案，也可以跟其他实施例相互组合。本发明说明书中提到的所有专利和出版物都表示这些是本领域的公开技术，本发明可以使用。这里所引用的所有专利和出版物都被同样列在参考文献中，跟每一个出版物具体的单独被参考引用一样。这里的本发明可以在缺乏任何一种元素或多种元素，一种限制或多种限制的情况下实现，这里这种限制没有特别说明。这里采用的术语和表达方式所为描述方式，而不受其限制，这里也没有任何意图来指明此书描述的这些术语和解释排除了任何等同的特征，但是可以知道，可以在本发明和权利要求的范围内做任何合适的改变或修改。可以理解，本发明所描述的实施例子都是一些在一些实施例中实施例子和特点，任何本领域的一般技术人员都可以根据本发明描述的精髓下做一些更改和变化，这些更改和变化也被认为属于本发明的范围和独立权利要求以及附属权利要求所限制的范围内。

Claims (5)

1.一种螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将工具螺栓置于螺栓加载位进行加载，并通过工具螺栓中的激光位移传感器获取实时距离数据L_i，同时通过加载设备中的传感器获取实时转角数据α_i和扭矩数据T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1,2,3…；i的初始数值为1；

2)当监测到贴合点时，计算贴合点预紧力，计算公式为：

F_b＝K2×(L_b-L₀)

其中，b为贴合点对应的采样序列；K2为工具螺栓的刚度；L₀为激光位移传感器的初始距离数据；

在测量得到螺纹连接部位的贴合预紧力之后，再用螺栓预紧力加载方法对工作螺栓进行加载，该螺栓预紧力加载方法包括以下步骤：

S1、获取加载转角Δα，计算公式为：

其中，F_t为目标预紧力；K1为实际加载时，实际加载曲线上线性段的斜率；

S2、将工作螺栓置于螺栓加载位进行加载，并实时监测获得贴合点，获取贴合点对应的转角A1；

S3、在转角A1的基础上，使工作螺栓转动Δα度，拧紧螺栓，完成加载；

所述斜率K1的计算公式为：

其中，K_m为被连接件的刚度，K_b为加载时使用的螺栓的刚度；

在计算得到螺纹连接部位的贴合预紧力之前或对工作螺栓加载转角Δα之前，先用贴合点的获取方法定位贴合点，所述贴合点的获取方法，包括以下步骤：

S11、加载工作螺栓，并利用传感器实时采集加载过程中的转角数据和扭矩数据，获得α_i和T_i；

其中，i为传感器的采样序列，i＝1,2,3…；i的初始数值为1；

S12、当i＝d时，对采集到的数据进行线性拟合，并获得拟合的一次函数T＝linear(i)；

其中d为预设的数据样本数量；

S13、对获得的一次函数的线性拟合优度进行评价，该评价指标为每个数据点到拟合的一次函数的距离的平方，再求和，即：

并记录评价的函数值；

其中，n＝i-d+1；

S14、令i+1后，从i+1开始向前取d个连续的数据进行线性拟合，获得一次函数T＝linear(i+1)后，再重复S13；

S15、对函数值进行判断，判断条件为：

cost(i-1)＞cost(i)＞1；

S16、若S15中的条件不成立，表明未监测到贴合点，则重复步骤S14和S15；

S17、若S15中的条件成立，表明监测到贴合点，则输出最终结果：贴合点处的转角即为α_i-1。

2.根据权利要求1所述的螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，其特征在于：所述工具螺栓上设置有深孔，所述激光位移传感器设置于深孔的开口处。

3.根据权利要求1所述的螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，其特征在于：所述工具螺栓的制作方法为：

在同一批次的螺栓中，随机选取一个螺栓作为工具螺栓，沿工具螺栓的轴向方向打孔，形成深孔，并在深孔的开口处安装激光位移传感器，获得初始距离数据L₀。

4.根据权利要求1所述的螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，其特征在于：对S11中采集到的数据进行重构，按等角度Δβ序列对扭矩数据和转角数据进行插值与排列，得到α_x和T_x，此时X为重构后的数据序列，然后再进行步骤S12-S18。

5.根据权利要求1所述的螺纹连接部位贴合预紧力的测量方法，其特征在于：对S11中采集到的数据进行滤波处理。

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