CN113533082A - 扭矩系数测量装置及扭矩系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种扭矩系数测量装置与扭矩系数测量方法，包括：加载部，所述加载部用于提供扭矩，所述加载部的一端设有连接装置；所述加载部通过连接装置可拆卸连接有测力部，所述测力部包括同轴依次固定连接的承力板、弹性板与夹持板，所述连接装置贯穿承力板、弹性板与夹持板的中心，所述连接装置远离加载部的一端与夹持板固定；所述弹性板上布设有应变片，以至少解决相关技术中重复性测量时，力矩与预紧力不准确的问题。

Description

扭矩系数测量装置及扭矩系数测量方法

技术领域

本申请涉及扭矩测量领域，具体而言，涉及一种扭矩系数测量装置及扭矩系数测量方法。

背景技术

编织复合材料具有比重轻、比模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温等系列优点，在热结构中得到广泛应用。编织复合材料是一种脆性材料，且具有各向异性特征，其装配连接技术是热结构设计和服役的关键，直接决定了热结构的使用安全和服役寿命。螺栓连接因较高的连接可靠性、较强的承载能力和便于安装以及拆卸等优点，被广泛应用于飞行器热结构中。特别是编织复合材料螺栓，在实现减重目标的基础上，可与编织复合材料元器件一起耐受较高的温度，明显优于传统高温合金金属。但不足之处同样存在，一方面，编织复合材料的损伤和破坏模式较复杂，编织复合材料螺栓螺纹处应力集中现象远比金属螺栓严重，导致其承载能力下降；另一方面，对于编织复合材料沉头螺栓而言，沉头处引入了二次弯矩，使得连接结构的设计偏保守，进一步限制了其优势发挥。因此，准确测量此类螺栓的扭矩系数以实现对轴向预紧力的精确控制，对于热结构连接的合理设计和紧固扭矩的准确施加，保证热结构连接的可靠性具有重要作用。

相关技术中，在螺栓拧紧过程中，拧紧力矩和预紧力的关系如公式(1)所示：T＝k*F*d

其中，T为拧紧力矩，d为螺栓公称直径(单位:mm)，F为预紧力，k为扭矩系数。可见扭矩系数k为T-F关系曲线的斜率，其测量精度取决于拧紧力矩和预紧力的准确测量。

施加扭矩的常见工具为扭矩扳手，其扭矩测量精度多在±2％至±5％之间，且多为人工加载、人工读数，数据连续性、实时性及准确性均较差。

预紧力的测量包括直接测量法和间接测量法两类。其中直接测量法在螺栓和紧固对象之间安装垫片式力传感器，直接测量螺栓拧紧过程中的预紧力及其变化过程。但由于此类力传感器几何尺寸较大，难以适用于小规格和短尺寸螺栓；此外，垫片式力传感器的引入也破坏了螺栓紧固件和被紧固对象之间的装配关系，影响拧紧力矩的准确测量。

间接测量法通常包括贴片法，其中，贴片法采用应变电测法测量预紧力作用下的应变值，反推预紧力。应变片可以直接粘贴在被测螺栓上。对于编织复合材料螺栓而言，螺栓表面材质不均匀且包含微小孔隙，不利于贴片和应变的准确测量；为规避该不利因素，一种做法是将螺栓穿过一个金属套筒，在金属套筒上贴片并测量预紧力作用下的应变，但当螺栓长度较短时，套筒上的应力受局部效应的影响，存在分布不均匀的现象，导致测量重复性较差。

针对相关技术中，关于上述的测量不利因素，相关技术中尚无有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种扭矩系数测量装置及扭矩系数测量方法，以至少解决相关技术中重复性测量时，力矩与预紧力不准确的问题。

在本申请的一个实施例中，一种扭矩系数测量装置，包括：

加载部，所述加载部用于提供扭矩，所述加载部的一端设有连接装置；

所述加载部通过连接装置可拆卸连接有测力部，所述测力部包括同轴依次固定连接的承力板、弹性板与夹持板，所述连接装置贯穿承力板、弹性板与夹持板的中心，所述连接装置远离加载部的一端与夹持板固定；

所述弹性板上布设有应变片。

本申请进一步设置为，所述连接装置包括贯穿测力部的沉头螺栓、与夹持板固定的待测螺母，所述沉头螺栓(5)与所述待测螺母(6)配合连接。

本申请进一步设置为，所述加载部的一端设有限位块，所述连接装置的一端设有供限位块贴合嵌入的限位槽。

本申请进一步设置为，所述应变片设有多组。

本申请进一步设置为，所述加载部还包括与所述加载部连接的扭转试验机，所述扭转试验机通过卡盘与加载部远离连接装置的一端固定并施加扭矩。

本申请进一步设置为，所述测力部还包括与所述夹持板连接的扭转试验机，所述扭转试验机通过卡盘与夹持板远离加载部的一端固定。

在本申请的一个实施例中，还提出了一种扭矩系数测量方法，应用于前述的扭矩系数测量装置，包括：将所述承力板、弹性板与夹持板同轴紧固在一起，组成测力部；将连接装置穿过测力部的中心并与夹持板固定，夹持板与扭转试验机的卡盘固定；将加载部的一端与连接装置连接，另一端与扭转试验机的另一卡盘连接；将应变片接入应变仪，同时启动扭转试验机提供扭矩输出；获取测量的扭矩并计算预紧力与扭矩系数。

通过本申请实施例，针对编织复合材料沉头螺栓预紧力测试精度较低、重复性差等问题，本发明的沉头螺栓扭矩系数测量装置主要由加载部和测力部构成，其中，测力部的特点是将螺栓受到的预紧力作用到承力板和弹性板上，使弹性板中心受压缩力作用并产生变形，通过应变片测得该变形得到压缩力，间接测得螺栓上作用的预紧力。测力部可重复使用，并与加载部、扭转试验机配套使用实现加载测试的一体化。该装置能够自动、连续施加拧紧力矩，并同步、准确测量螺栓拧紧力矩和预紧力，以得到编织复合材料螺栓的扭矩系数，且整个装置结构简单、可操作性强、测量数据可靠并具有较好的重复性。

附图说明

此处所述明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的总结构图；

图2是根据本申请实施例的应变输出关系曲线图；

图3是根据本申请实施例的拧紧力矩-预紧力关系曲线图。

附图标记：1、加载部；2、承力板；3、弹性板；4、夹持板；5、沉头螺栓；6、待测螺母；7、应变片。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，本申请提供了一种扭矩系数测量装置，包括：

加载部1，加载部1用于提供扭矩，加载部1的一端设有连接装置；

加载部1通过连接装置可拆卸连接有测力部，测力部包括同轴依次固定连接的承力板2、弹性板3与夹持板4，连接装置贯穿承力板2、弹性板3与夹持板4的中心，连接装置远离加载部1的一端与夹持板4固定；

弹性板3上布设有应变片7。

需要说明的是，承力板2、弹性板3与夹持板4在实际测量前是分离的，可通过人工进行组装与固定，承力板2即为待测量的板材，特别适用于编织复合材料，可每次测量进行替换，弹性板3与夹持板4均可重复利用。

在一实施例中，连接装置包括贯穿加载部1的沉头螺栓5、与夹持板4固定的待测螺母6。

需要说明的是，连接装置也可为其他可实现连接作用的装置，本实施例采用沉头螺栓5与待测螺母6的配合进行示例性的展现，不应当视为对本方案的限制。

可选的实施方式中，加载部1靠近连接装置的一端设有限位块，连接装置靠近加载部1的一端设有供限位块贴合嵌入的限位槽。

需要说明的是，加载部1在测量前后是可以与测力部分离的，本实施例仅仅展示了其中一种较为简单的连接方式，其他的用于将加载部1与连接装置进行可拆卸连接的方式同样落入本申请提供的技术方案内。

可选的实施方式中，应变片7设有多组。

需要说明的是，应变片7可根据承力板2的形状与大小进行数量与位置的设定，本实施例采用了4组进行举例说明，并分别均匀布设在承力板2的四边。

可选的实施方式中，加载部1还包括与所述加载部1连接的扭转试验机，扭转试验机通过卡盘与加载部1远离连接装置的一端固定并施加扭矩。

可选的实施方式中，测力部还包括与所述夹持板4连接的扭转试验机，扭转试验机通过卡盘与夹持板4远离加载部1的一端固定。

如图1所示，对本申请提供的技术方案进行举例：一种扭矩系数测量装置，包括加载部1、承力板2、弹性板3、夹持板4、待测沉头螺栓5、待测螺母6和应变片7；加载部1前部为一字端头，匹配待测沉头螺栓5尾部的一字槽，后部为六边形平板，匹配扭转试验机卡盘，共同施加扭矩；承力板2为矩形平板，中心开沉头孔，并与待测沉头螺栓5匹配；弹性板3中心开圆孔，两侧布有应变片7；夹持板4为六边形平板，匹配扭转试验机卡盘，中心开孔并与待测螺母6间隙配合；承力板2、弹性板3和夹持板4紧固在一起；待测沉头螺栓5穿过承力板2沉头孔、弹性板3中心孔，并与夹持板4内待测螺母6预紧固定。

扭转试验机为电子式扭转试验机，配备三爪卡盘，扭转试验机一侧卡盘夹持驱动加载部1轴向转动，带动待测沉头螺栓5转动，另一侧卡盘夹持固定夹持板4，固定待测螺母6；待测沉头螺栓5和固定待测螺母6相对转动，产生紧固效果，弹性板3产生弹性变形，通过应变片7测量待测沉头螺栓5和固定待测螺母6的预紧力。弹性板3上四边均布有4个应变片7，弹性板3上布好应变片7后，对承力板2、弹性板3和夹持板4组成的测力部开展压缩标定试验，获得压缩力F和应变输出关系曲线。

根据本申请实施例的又一个方面，通过上述扭矩系数测量装置的结合应用，还提出了一种扭矩系数测量方法，包括：

将所述承力板2、弹性板3与夹持板4同轴紧固在一起，组成测力部；

将连接装置穿过测力部的中心并与夹持板4固定，夹持板4与扭转试验机的卡盘固定；

将加载部1的一端与连接装置连接，另一端与扭转试验机的另一卡盘连接；

将应变片7接入应变仪，同时启动扭转试验机提供扭矩输出；

获取测量的扭矩并计算预紧力与扭矩系数。

本申请实施例基于上述应用过程，通过一组场景化、具体化的方式对本发明的实现与使用过程进行示例性的说明：

如图2所示，为了保证螺栓预紧力测量的准确性，利用电子万能材料试验机对测力组合体进行压缩标定试验，模拟测力组合体实际使用下的受力状态，并采用应变仪测得组合体受压缩作用下的应变输出，获得了压缩力F和应变输出关系曲线。

扭转试验机为电子式扭转试验机，量程为100Nm，扭矩测量精度为示值的±1％，加载速度为0.036～360°/min，配备三爪卡盘。可实现匀速扭转加载，并实时显示和输出扭矩值。

通过编织复合材料30°沉头M10螺栓的扭矩系数测量为例详细说明具体实施步骤。

S1：将承力板2、弹性板3和夹持头紧固在一起，组成测力部。

S2：选择待测沉头螺栓5，并将待测沉头螺栓5穿过测力组合体，拧入待测螺母6，安装过程应注意保护待测沉头螺栓5，避免造成损伤影响测试结果。

S3：将夹持头夹入扭转试验机一侧三爪卡盘，保证测力部与卡盘轴线垂直。

S4：将加载头夹入扭转试验机另一侧三爪卡盘，并调整卡盘角度，保证一字端头插入待测沉头螺栓5尾部的一字槽。

S5：应变仪开机预热，并将应变片7接入应变仪，组成全桥；将扭转试验机扭矩信号接入应变仪测量通道。

S6：扭转试验机开机加载，以36°/min的加载速度开始试验，试验过程同步记录扭矩值以及测力组合体的应变输出，直到试验结束。

S7：试验结束后，保存试验数据，取下螺栓并整理试验仪器。

S8：根据记录的测力组合体的应变输出计算得到预紧力，绘制待测沉头螺栓5拧紧力矩与预紧力关系曲线，如图3所示，为以编织复合材料30°沉头螺栓5为例进行扭矩系数测试得出的拧紧力矩-预紧力关系曲线，图中曲线的斜率再除以螺栓的公称直径即为扭矩系数。即可得到扭矩系数，实测扭矩系数为0.163。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种扭矩系数测量装置，其特征在于，包括：

加载部(1)，所述加载部(1)用于提供扭矩，所述加载部(1)的一端设有连接装置；

所述加载部(1)通过连接装置可拆卸连接有测力部，所述测力部包括同轴依次固定连接的承力板(2)、弹性板(3)与夹持板(4)，所述连接装置贯穿承力板(2)、弹性板(3)与夹持板(4)的中心，所述连接装置远离加载部(1)的一端与夹持板(4)固定；

所述弹性板(3)上布设有应变片(7)。

2.根据权利要求1所述的一种扭矩系数测量装置，其特征在于：所述连接装置包括贯穿测力部的沉头螺栓(5)、与夹持板(4)固定的待测螺母(6)，所述沉头螺栓(5)与所述待测螺母(6)配合连接。

3.根据权利要求1所述的一种扭矩系数测量装置，其特征在于：所述加载部(1)的一端设有限位块，所述连接装置的一端设有供限位块贴合嵌入的限位槽。

4.根据权利要求1所述的一种扭矩系数测量装置，其特征在于：所述应变片(7)设有多组。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种扭矩系数测量装置，其特征在于：所述加载部(1)还包括与所述加载部(1)连接的扭转试验机，所述扭转试验机通过卡盘与加载部(1)远离连接装置的一端固定并施加扭矩。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种扭矩系数测量装置，其特征在于：所述测力部还包括与所述夹持板(4)连接的扭转试验机，所述扭转试验机通过卡盘与夹持板(4)远离加载部(1)的一端固定。

7.一种扭矩系数测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的扭矩系数测量装置，包括：

将所述承力板(2)、弹性板(3)与夹持板(4)同轴紧固在一起，组成测力部；

将连接装置穿过测力部的中心并与夹持板(4)固定，夹持板(4)与扭转试验机的卡盘固定；

将加载部(1)的一端与连接装置连接，另一端与扭转试验机的另一卡盘连接；

将应变片(7)接入应变仪，同时启动扭转试验机提供扭矩输出；

获取测量的扭矩并计算预紧力与扭矩系数。

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