CN113654704A - 一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，具体是指通过加载试验实时检测并记录螺纹紧固件所受扭矩及拉力值，再通过数据处理得到螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法。本发明通过建立用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验装置进行螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验，试验过程完全模拟螺纹紧固件工作时的扭矩加载过程，试验数据结果更贴近实际使用状况，对实际使用指导性更强。无需在被试螺纹紧固件上打孔穿线即可检测螺纹紧固件受力时的应变值，不改变被试螺纹紧固件受力情况，测试状态与实际使用状态完全一致，测试结果更准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，具体是指通过加载试验实时检测并记录螺纹紧固件所受扭矩及拉力值，再通过数据处理得到螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法。
背景技术
在工业产品中，大量采用螺纹连接结构作为连接紧固件，通过对螺纹紧固件施加扭矩来产生预紧力，达到对零部件之间的连接和紧固。零部件之间螺纹紧固件预紧设计是否合理，直接影响到零部件之间连接可靠性，如连接强度、刚度和防松等。
由于螺纹连接后的预紧力无法直接测出，只能通过测量螺纹紧固件在拧紧过程中的扭矩来间接得到，而扭矩与预紧力之间的关系通常是通过经验公式计算得到，而扭矩与预紧力之间的关系受螺纹材料、规格、表面质量、接触面大小、润滑情况等多种因素影响，计算结果可信度较差，这会给产品带来一定的安全隐患，预紧力过低达不到连接和紧固的效果，预紧力过高则会损害连接面，甚至降低螺纹紧固件的寿命。因此，对于要求较高的螺纹连接通常要求通过试验的方法确定螺纹紧固件预紧力与扭矩关系。
目前常用的螺纹紧固件预紧力与扭矩关系测试方法，均为机械加载，而螺纹紧固件使用时多为人工加载，因此存在测试时加载方式与使用时加载方式不一致的问题，测试数据对实际使用指导性较差；现有测试方法在检测螺纹紧固件受力时的应变值时，需在被试螺纹紧固件上进行打孔穿线，改变了被试螺纹紧固件受力情况，使得测试状态与实际使用状态不符；现有测试方法被联接件试件为一个整体，体积大，当需试验的被联接件材料、规格较多、价格较昂贵时，不仅更换不便，且被联接件材料浪费大，试验成本高。
发明内容
本发明的目的是设计一种用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验方法，通过对被试螺纹紧固件进行加载试验，解决现有试验方法存在的测试时加载方式与使用时加载方式不一致的问题；检测螺纹紧固件受力时的应变值时需打孔，导致测试状态与实际使用状态不符的问题；以及试验装置被联接件更换不便、材料浪费大、试验成本高等技术问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，包括如下步骤：S1、建立用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验装置，所述装置包括底板，镶块，压板，转接头，支架，转接盘，扭矩传感器，扳手，轴承，力传感器，防转销、数据测量采集系统和数据处理系统；底板上钻有螺纹孔，镶块外壁设有外螺纹，镶块中心开有通孔且通孔内设有用于连接被试螺纹紧固件的内螺纹；力传感器中心开有通孔，压板宽度小于力传感器中心通孔直径，压板中心开有通孔；支架架在压板上方，支架上开有用于安装轴承的通孔；轴承的孔中插入转接盘，转接盘下部开有多边形方孔，转接头上部设有与多边形方孔相配合的多边形方头配合传递扭矩；扭矩传感器上部开有多边形孔，与扳手上的多边形头配合传递扭矩；力传感器及扭矩传感器的信号线接入数据采集测量系统，可在加载时实时采集力传感器、扭矩传感器及应变片的数据；
上述装置能够精确测量被试螺纹紧固件预紧力和扭矩，特别是能够结合后续方法将被试螺纹紧固件进行合理化的处置，为精确得到测量值提供了技术支持；
S2、根据被试螺纹紧固件的材料及规格按下式计算最大预紧力试验值及最大紧固扭矩值：
F 0 ＝ασ s A s
T＝KF 0 d
式中：
F 0 -------- 预紧力，单位N
α -------- 预紧力试验系数，根据实际使用工况选取
σ s -------- 螺钉材料在使用温度时的屈服强度，单位MPa
A s -------- 螺钉公称应力截面积，单位mm2
T -------- 紧固扭矩，单位Nm
K -------- 扭矩系数，根据磨擦表面状况及润滑情况选取
d -------- 螺纹公称直径，单位mm；
S3、根据计算得到的最大预紧力试验值及最大紧固扭矩值选取合适量程的力传感器和扭矩传感器；
S4、将试验装置底板固定在稳固的基体上，确保在螺纹紧固件试验过程中底板稳定不移动；
S5、将镶块旋入底板对应螺纹孔中，并插入防转销，防止镶块在使用过程中转动；
S6、将力传感器放置在底板上平面上，力传感器中心通孔正对镶块位置；
S7、将压板套在被试螺纹紧固件上，再将被试螺纹紧固件拧入镶块的螺纹中，使螺纹紧固件、压板、力传感器三者刚好两两相互接触，但不对被试螺纹紧固件施加进一步的扭矩；
S8、在被试螺纹紧固件上插入或套上与螺纹紧固件头部形状与尺寸相配的转接头，再依次安放支架、转接盘和扭矩传感器，转接盘与转接头相连接；
S9、将力传感器、扭矩传感器分别连接至数据测量采集系统，并将数据测量采集系统中的力传感器、扭矩传感器的测量值清零；
S10、打开数据测量采集系统，开始测量采集数据；使用扳手对被试螺纹紧固件进行拧紧加载，同时数据测量采集系统实时测量采集力传感器测量值即预紧力测量值和扭矩传感器测量值，数据采集间隔根据需要设定；
S11、待力传感器测量值达到并刚刚超过计算得到的最大预紧力试验值时，停止对被试螺纹紧固件的加载，同时反方向旋转扳手，对被试螺纹紧固件进行卸载；
S12、将测量得到的一系列力传感器测量值和扭矩传感器测量值导入数据处理系统，通过拟合处理后即得到被试螺纹紧固件预紧力与扭矩的关系表、关系图及相关参数。
进一步的，还包括步骤S13、在被试螺纹紧固件外壁无螺纹段粘贴应变片，应变片的连接线从压板与力传感器中心通孔之间的空隙中穿出而无需在被试螺纹紧固件上打孔，将应变片连接线连接至数据测量采集系统，即可在被试螺纹紧固件拧紧加载过程中，同时测量采集应变值，为后续分析提供更丰富的数据支持。
进一步的，所述镶块采用和被试螺纹紧固件相连接的联接件的同种材料制成。
进一步的，预紧力试验系数取0.5～0.7；扭矩系数取0.1～0.5。
与传统测试方法相比，采用本发明方法的优点是：
（1）通过建立用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验装置进行螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验，试验过程完全模拟螺纹紧固件工作时的扭矩加载过程，试验数据结果更贴近实际使用状况，对实际使用指导性更强。
（2）无需在被试螺纹紧固件上打孔穿线即可检测螺纹紧固件受力时的应变值，不改变被试螺纹紧固件受力情况，测试状态与实际使用状态完全一致，测试结果更准确可靠。
（3）用被联接件材料制作镶块，镶块体积小、可方便拆卸，既节约被联接件材料，又可以通过更换镶块使螺纹紧固件预紧力试验装置达到试验不同材料、不同规格螺纹紧固件的目的，减少被联接件材料使用量，试验成本大大降低，且试验装置通用性更强。
附图说明
图1为螺纹紧固件预紧力试验装置主视图。
图2为螺纹紧固件预紧力试验装置俯视图。
图3为压板与力传感器中心通孔间隙示意图。
图4实施例所述预紧力-扭矩关系曲线图。
图中：
1—底板，2—镶块，3—压板，4—转接头，5—支架，6—转接盘，7—扭矩传感器，8—扳手，9—轴承，10—被试螺钉，11—力传感器，12—防转销，13—空隙。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
已知某M10×1.5外六方头螺钉（被试螺钉10）。用本发明方法测试该螺钉与指定材料被联接件联接时的预紧力与扭矩关系，具体步骤如下：
S1、建立用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验装置（图1-图3），包括底板1、底板1上钻有螺纹孔，螺纹孔中镶有镶块2并在底板1与镶块2之间插入防转销12防止镶块2在使用过程中转动。镶块2外壁设有外螺纹，镶块2中心开有通孔且通孔内设有用于连接被试螺钉10的内螺纹，镶块2正上方放置力传感器11，力传感器11中心通孔与镶块2对正。在力传感器11上表面放置压板3，压板3为长腰形（圆形两侧各切除一部分），其宽度小于力传感器11中心通孔直径，压板3中心开有通孔。压板3上方架有支架5，支架5上开有通孔，孔中安装有轴承9。轴承9的孔中插入转接盘6，转接盘6下部开有六方孔（也可以采用三方、四方、五方、八方孔等），下接转接头4上部的六方头（也可以采用三方、四方、五方、八方头等）配合传递扭矩。扭矩传感器7用螺钉安装在转接盘6上方，扭矩传感器7上部开有多边形孔，与扳手8上的多边形头配合传递扭矩。力传感器11、扭矩传感器7及应变片等的信号线接入数据采集系统，可在加载时实时采集力传感器11、扭矩传感器7及应变片的数据。使用时同时配备DH5902型数据采集系统和计算机数据处理系统。
S2、根据被试螺钉10的材料及规格按下式计算最大预紧力试验值及最大紧固扭矩值：
F 0 ＝ασ s A s
T＝KF 0 d
其中：预紧力试验系数α取0.6，被试螺钉10的材料在使用温度（300℃）时的屈服强度σ s 为586.1MPa，被试螺钉10公称应力截面积A s 为58mm2，扭矩系数K取0.23，被试螺钉10公称直径d为10mm。
计算结果：预紧力F 0 =20.4（kN）
紧固扭矩T=46.9（Nm）
S3、根据计算选取量程为50kN的力传感器11和量程为100Nm的扭矩传感器7。
S4、将螺纹紧固件预紧力试验装置底板1固定在稳固的水泥台上，确保在螺纹紧固件试验过程中底板1稳定不移动。
S5、将镶块2旋入底板1对应螺纹孔中，并插入防转销12。
S6、将力传感器11放置在底板1上平面上，力传感器11中心通孔正对镶块2位置。
S7、将压板3套在被试螺钉10上，再将被试螺钉10拧入镶块2的螺纹中，使被试螺钉10下平面与压板3上平面、压板3下平面与力传感器11上平面刚好两两相互接触，但不对被试螺钉10施加进一步的扭矩。
S8、在被试螺钉10上套上与其头部形状及尺寸相配的转接头4，再依次安放支架5、转接盘6和扭矩传感器7（通过螺钉与转接盘6固接为一体）。
S9、将力传感器11、扭矩传感器7分别连接至DH5902型数据采集系统，并将DH5902型数据采集系统中的力传感器11、扭矩传感器7的测量值清零。
S10、打开DH5902型数据采集系统，开始测量采集数据。使用扳手8对被试螺钉10进行拧紧加载，同时DH5902型数据采集系统实时测量采集力传感器11的测量值（即预紧力测量值）和扭矩传感器7的测量值，数据采集间隔设定为1秒。
S11、待力传感器11测量值达到并稍超过计算得到的最大预紧力试验值20.4kN时，停止对被试螺钉10的加载，同时反方向旋转扳手8，对被试螺钉10进行卸载。
S12、将测量得到的一系列力传感器11的测量值和扭矩传感器7的测量值导入DH5902型数据采集系统，通过拟合处理后即得到以下被试螺钉10预紧力与扭矩的关系表（表中为简化数据）和关系曲线图（图4）及相关参数（线性拟合曲线公式：y=1.9609x，拟合可靠性R2值）。
S13、在被试螺钉10外壁无螺纹段粘贴应变片，应变片的连接线从压板3与力传感器11中心通孔之间的空隙（图3）中穿出而无需在被试螺钉10上打孔，将应变片连接线连接至DH5902型数据采集系统，即可在被试螺钉10拧紧加载过程中，同时测量采集应变值，为后续分析提供更丰富的数据支持。
Claims (8)
1.一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、建立用于测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的试验装置，所述装置包括底板（1），镶块（2），压板（3），转接头（4），支架（5），转接盘（6），扭矩传感器（7），扳手（8），轴承（9），力传感器（11），防转销（12）、数据测量采集系统和数据处理系统；底板（1）上钻有螺纹孔，镶块（2）外壁设有外螺纹，镶块（2）中心开有通孔且通孔内设有用于连接被试螺纹紧固件的内螺纹，力传感器（11）中心开有通孔，压板（3）宽度小于力传感器（11）中心通孔直径，压板（3）中心开有通孔；支架（5）架在压板（3）上方，支架（5）上开有用于安装轴承（9）的通孔；轴承（9）的孔中插入转接盘（6），转接盘（6）下部开有多边形方孔，转接头（4）上部设有与多边形方孔相配合的多边形方头配合传递扭矩；扭矩传感器（7）上部开有多边形孔，与扳手（8）上的多边形头配合传递扭矩；力传感器（11）及扭矩传感器（7）的信号线接入数据采集测量系统；
S2、根据被试螺纹紧固件的材料及规格按下式计算最大预紧力试验值及最大紧固扭矩值：
F 0 ＝ασ s A s
T＝KF 0 d
式中：
F 0 -------- 预紧力，单位N
α -------- 预紧力试验系数，根据实际使用工况选取
σ s -------- 螺钉材料在使用温度时的屈服强度，单位MPa
A s -------- 螺钉公称应力截面积，单位mm2
T -------- 紧固扭矩，单位Nm
K -------- 扭矩系数，根据磨擦表面状况及润滑情况选取
d -------- 螺纹公称直径，单位mm；
S3、根据计算得到的最大预紧力试验值及最大紧固扭矩值选取合适量程的力传感器和扭矩传感器；
S4、将试验装置底板（1）固定在稳固的基体上，确保在螺纹紧固件试验过程中底板（1）稳定不移动；
S5、将镶块（2）旋入底板（1）对应螺纹孔中，并插入防转销（12），防止镶块（2）在使用过程中转动；
S6、将力传感器（11）放置在底板（1）上平面上，力传感器（11）中心通孔正对镶块（2）位置；
S7、将压板（3）套在被试螺纹紧固件上，再将被试螺纹紧固件拧入镶块（2）的螺纹中，使螺纹紧固件、压板（3）、力传感器（11）三者刚好两两相互接触，但不对被试螺纹紧固件施加进一步的扭矩；
S8、在被试螺纹紧固件上插入或套上与螺纹紧固件头部形状与尺寸相配的转接头（4），再依次安放支架（5）、转接盘（6）和扭矩传感器（7），转接盘（6）与转接头（4）相连接；
S9、将力传感器（11）、扭矩传感器（7）分别连接至数据测量采集系统，并将数据测量采集系统中的力传感器（11）、扭矩传感器（7）的测量值清零；
S10、打开数据测量采集系统，开始测量采集数据；使用扳手（8）对被试螺纹紧固件进行拧紧加载，同时数据测量采集系统实时测量采集力传感器（11）测量值即预紧力测量值和扭矩传感器（7）测量值，数据采集间隔根据需要设定；
S11、待力传感器（11）测量值达到并刚刚超过计算得到的最大预紧力试验值时，停止对被试螺纹紧固件的加载，同时反方向旋转扳手（8），对被试螺纹紧固件进行卸载；
S12、将测量得到的一系列力传感器测量值和扭矩传感器测量值导入数据处理系统，通过拟合处理后即得到被试螺纹紧固件预紧力与扭矩的关系表、关系图及相关参数。
2.如权利要求1所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，还包括步骤S13、在被试螺纹紧固件外壁无螺纹段粘贴应变片，应变片的连接线从压板（3）与力传感器（11）中心通孔之间的空隙（13）中穿出而无需在被试螺纹紧固件上打孔，将应变片连接线连接至数据测量采集系统，即可在被试螺纹紧固件拧紧加载过程中，同时测量采集应变值，为后续分析提供更多的数据支持。
3.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，所述镶块（2）采用和被试螺纹紧固件相连接的联接件的同种材料制成。
4.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，预紧力试验系数取0.5～0.7；扭矩系数取0.1～0.5。
5.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，转接盘（6）下部开有六方孔，转接头（4）上部呈与六方孔相配的六方头。
6.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，数据采集测量系统型号为DH5902。
7.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，压板（3）为长腰形，即在圆形板两侧各切除一部分形成长腰型。
8.如权利要求1或2所述的一种测试螺纹紧固件预紧力与扭矩关系的方法，其特征在于，扭矩传感器（7）通过螺钉与转接盘（6）固接为一体。
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