CN1146721C - 负荷测量装置 - Google Patents

Abstract

一紧固件系统(1)，它应用了一便携式感应装置(13)，例如一个或多个电抗电容器(15、16)或者诸如照相机(34)或激光器这样的图象处理器，该感应装置相邻地可拆卸地连接到该紧固件上以探测和测量螺栓头或相关垫圈(26、27)的间隙或特定形状的变化，这些变化是在应变状态之下时紧固件系统(1)的各部分的相对运动引起的，而无需接触进行显著相对运动的被感应的部分。

Description

负荷测量装置

技术领域

本发明涉及适于指示其所承受负荷的负荷指示紧固件系统，更具体一点，涉及非接触式电子设备，例如当紧固系统被固紧时用来测量变化的空气间隙或所产生的形状的电抗电容器，更具体一点，涉及非接触式的图象处理或激光设备，当紧固系统被固紧时用来测量变化的空气间隙或所产生的形状。

背景技术

为了确保螺栓连接结构的一体性，希望将应用的紧固件系统精确地固紧到设定的负荷程度。众所周知，指示应变真实地代表了引入紧固件系统的负荷。通常使用转矩扳手将紧固件固紧到预定的转矩程度，但是它们会受到不可预测的摩擦力的影响，因此产生的应变会很不精确。换言之，控制转矩不会导致紧固件系统的准确负荷。

        已有的接触式紧固件伸长测量设备

某些测量设备，例如线性传感器，需要机械接触才能起作用。这些接触方法本身就很难使用在该领域中。应变的测量值相当小，并且任何表面污染(腐蚀、污垢、自然磨损、使用中的损坏等等)能够导致很大的误差。因此，本发明的一个目的是通过一非接触式设备和方法来测量应变。

        已有的非接触式紧固件伸长测量设备和方法

测量处于应变状态之下的一紧固件伸长的已有非接触式设备和方法在每一单个紧固件中一般是在螺栓或柱螺栓中利用了电子元件。这些先前的方法具有与其相关的多个重大的问题。

已有的非接触式测量设备的一个问题是给每一单个紧固件设置电子元件将是昂贵的。此外，一体化的测量仪器包括了紧固件的完整性，这不适于许多场合的严峻环境。因此本发明的一个目的是提供一有效成本的负荷指示紧固件，其中，紧固件本身不带有电子部分。

已有的非接触式测量设备的另一个问题是它们一般需要紧固件的复杂的修改，这使制造过程变得很困难。

发明内容

因此，本发明的目的在于使用一种简单的设备来测量紧固件的伸长，该设备仅需对紧固件系统进行稍微修改，这可简单容易地结合在制造过程中。

为此，本发明的一个方面提供了一种负荷测量装置，它包括：具有一螺栓头的紧固件，该螺栓头具有一基准表面；具有一基部的孔，该孔自螺栓头延伸到紧固件中；置于该孔内、且固定至基部的一棒；邻近螺栓头设置的该棒的一端面；响应施加在紧固件上的负荷而形成在棒的端面与螺栓头的基准表面之间的一间隙；用于非接触式感应间隙的一装置；以及响应感应到的间隙、用于提供表示施加到紧固件上的负荷的一输出信号的一电路。

本发明的另一个方面提供了一种负荷测量装置，它包括：具有一可拆卸地安装的便携式感应头的紧固件，该便携式感应头具有一基准表面；具有一基部的孔，该孔自便携式感应头延伸到紧固件中；置于该孔内、且固定至基部的一棒；邻近便携式感应头设置的该棒的一端面；响应施加在紧固件上的负荷而形成在棒的端面与便携式感应头的基准表面之间的一间隙；用于非接触式感应间隙的变化的一装置；以及响应所感应到的间隙、用于提供表示施加到紧固件上的负荷的一输出信号的一电路。

紧固件系统可以是螺栓或柱螺栓、螺母和垫圈的形式，或者它也可以是其他的形式。在螺栓的形式中，紧固件的主体包括基本是标准形式的一个头和杆。相似地，在柱螺栓的形式中，主体包括基本是标准形式的一个杆。在任一个所说的形式中，一垫圈可以并入指示运动部分的装置，该运动部分被一个单独的上述类型的非接触式间隙测量设备所感应。在螺栓或柱螺栓的情况下，负荷感应元件响应施加应变状态之下的该杆的长度变化。在垫圈的情况下，负荷感应元件感应施加应变下垫圈的形式中的形状变化。方便地，该间隙测量设备可固定在螺栓头部、螺纹端部、柱螺栓端部或者垫圈处，当使用紧固件系统时可容易地将该设备固定在那里。

当紧固件系统正在被固定时和固定完成时，负荷感应元件指示紧固件主体长度的变化，或者垫圈形状的变化，或者螺栓头部形状的变化。因此，当紧固件系统正在被固定时，非接触式间隙测量设备记录所施加的负荷，当紧固件系统达到需要的工作负荷时，该非接触式间隙测量设备将会指示。该非接触式间隙测量设备可连接到紧固件系统上，并且所得到的测量结果可显示在计算机监视器24或其他显示单元上。在固紧过程中可使用该测量方式。在最初的固紧之后可使用该测量方式以检查最初固紧状态的任何变化。

实际的紧固件系统负荷可以指示在监视器24上，并且可使用一电子输出信号控制能量固紧工具(未图示)或当紧固件系统达到了需要的负荷时指示一个警示。

负荷感应装置可用来记录施加的负荷直至紧固件系统材料的检验负荷(检验负荷是在其初始尺寸将会产生永久变化之前所能保持的最大负荷)。

可以各种方式获得随变化的应变而变化的间隙。在较佳的实施例中，产生该间隙的装置包括一负荷感应元件，该负荷感应元件设置在当使用该紧固件系统时应变施加到主体上的方向中，并且具有一锚定部分。该锚定部分牢固地锚定在使用紧固件时有运动的主体部分上。非接触间隙测量设备和感应元件之间的空气间隙变大还是减小，这取决于紧固件是否被固定或者放松了应变。非接触式间隙测量设备通过测量空气间隙来起作用且将施加的负荷记录在监视器24上。负荷感应元件较佳地用与主体材料相同的材料制造或至少具有相同的热膨胀系数。以此方式，改变紧固件系统使用时的温度将不会影响负荷感应元件的功能。

在一较佳的实施例中，负荷感应元件是一实心的圆柱形杆(diameter bar)，一端提供了锚定部分，另一自由端可相对紧固件运动。负荷感应元件的至少一部分位于主体的一盲孔或通道中。当负荷感应装置包括一感应元件时，如上所述，它可以由安装到孔或通道的盲端部分中的一个插件提供。锚定部分可锚定在该孔或通道的基部。该孔或通道可具有一个较小的基部，该锚定部件锚定在基部中。方便地，非接触式间隙测量设备位于这样的孔或通道的自由端或其邻近处。感应元件和主体之间可直接地锚定，例如通过焊接、螺纹连接或粘结，或者感应元件可以锚定在适于固定到主体上的基部。孔或通道的基部可以是紧密过盈孔的形式，将感应元件压入该孔以提供一牢固的锚定。

负荷感应元件可被设置为在施加应变状态下主体长度变化的一给定范围内运作。这通常是藉助于主体从无负荷状态直至材料检验负荷的伸长。当施加负荷以固紧主体时，负荷感应元件移进远离零基准的主体内(基准表示位于紧固件头的上表面上的不能移动的固定部分)。非接触式间隙测量设备连接在主体上且测量主体上的基准点(参考点或形状)和负荷感应元件之间的差异，并且非接触式测量设备被标定刻度以指示负荷。

对于检验负荷之下的某一伸长，所需的初始长度可以这样计算：

初始长度＝(E×A×伸长)/负荷

式中：E＝主体材料的杨氏系数

      A＝主体的截面面积

对于不同的横截面积和/或检验负荷，所需的初始长度将会改变。对于紧固件尺寸的一个范围，按照需要可以提供不同长度的检验负荷感应元件。但是，按照本发明，负荷感应元件具有标准长度且通过非接触式间隙测量设备来补偿差异，这样提供的负荷感应元件装置在生产上通常更加简单和经济。

本发明可以给出紧固件系统所承受负荷的高精确指示。应用负荷的非接触式测量设备的指示使人可以容易地看出施加到紧固件系统上的负荷是多少。这可从便携式电池供能的监视器/显示器看到，该监视器/显示器是手持型的且通过临时管道及电缆连接器连接在非接触式间隙测量单元上。

该紧固件系统可以制造得基本不比传统紧固件或相似类型的紧固件昂贵。例如，孔可以在初始制造过程中形成。而且，传统的紧固件可容易地改成包括按照本发明的负荷感应装置。

在另一形式中，负荷感应元件可被设置成通过负荷指示垫圈来记录施加的负荷直至材料的检验负荷。将垫圈设计为在紧固件系统应变下将会挠曲，并且非接触式间隙测量设备相对垫圈/螺栓的静止部分测量该挠曲。如以上的解释，将非接触式间隙测量设备标定刻度以指示紧固件系统的负荷。

在另一形式中，负荷感应元件可被设置为在螺栓处在应变状态下通过测量特别设计的螺栓头的挠曲来记录所施加的负荷直至材料的检验负荷，测量是在螺栓处于应变状态下彼此相对运动的两个部分上进行的。如以上的解释，将非接触式间隙测量设备标定刻度以指示紧固件系统的负荷。

使用在本发明较佳实施例中的方法是通过电抗的测量方式，其中：

电容电抗＝1/2πFC

电容＝D×A/G

因此，电抗＝G/2πFDA

位移＝间隙的变化

其中F＝频率(赫兹)

    C＝电容(法拉)

    D＝绝缘常数(空气＝1)

    A＝面积(平方英寸)

    G＝间隙(英寸)

以下是本发明的某些优点：

1.一种非接触间隙测量设备，它包括所有必需的电子设备，当紧固系统无实际接触地被固紧时，它通过测量运动的部分来测量变化的间隙或所产生的形状。

2.非接触式的测量使污染或环境造成的误差减小到最小。

3.所测量的距离是由所测量的整个表面的平均值决定的，这与接触式方法不同。

4.该设备和方法是成本有效的，因为紧固件的成本不会变化很大，只需对紧固件稍微修改就可以完成本发明。

5.紧固件不承载电子部分。

6.对于紧固件系统的设计修改将结合在制造过程中。

7.即使最严峻的场合也适于使用该紧固件系统。

8.位移与电抗直接成比例且会给出一线性图形。

9.紧固件系统负荷指示是高度精确和可重复的。

10.该系统是便携式的且可以使用在该领域中，以便于检查和读出施加的负荷。

附图说明

图1是本发明带有局部剖视的主视图，它示出了对于一紧固件的改型和包含在内用以测量间隙的测量元件。还示出了带有环状类型电抗电容器和圆柱类型电抗电容器的便携式电抗电容器头。环状类型电抗电容器测量其表面和紧固件的固定部分之间的间隙。圆柱类型电抗电容器测量其表面和测量元件的上自由端之间的间隙。非接触式间隙测量设备计算测量元件的自由端和基准(参考)表面之间的差异。非接触式间隙测量设备计算两测量值之间的差别，该结果被精确地标定刻度以指示使用中紧固件所产生的夹紧负荷。

图2是与图1相似的视图，它示出了图1所示的不带有便携头的紧固件。

图3是与图1相似的视图，它示出了只用圆柱类型电抗电容器来测量间隙的另一选择。便携头固定在紧固件基准表面的固定部分上。圆柱类型电抗电容器测量圆柱形电感的表面和测量元件的表面的上自由端之间的间隙。非接触间隙测量设备计算间隙的不同测量值，且标定刻度以指示使用中紧固件所产生的夹紧负荷。

图4是与图1相似的视图，它示出了当紧固件系统处在应变状态下会挠曲的特别设计的垫圈和用以测量间隙的非接触式间隙测量设备。当电抗电容器非接触式间隙测量设备被固定到螺栓连接处时，它测量电抗电容器表面和垫圈上被测量部分之间的间隙。

图5是与图1相似的视图，它示出了使紧固件头部变形的特别设计的垫圈，因此当紧固件处在应变状态下时，头的两个不同部分可相对彼此被电抗电容器非接触式测量设备所测量。

图6是与图1相似的视图，它示出了本发明的又一改型，其中固定了一图象处理器或激光类型的间隙测量设备以供使用。

图7是与图1相似的视图，它示出了一个紧固件头部，该头部被改型以在紧固件承受应变时在负荷的作用下挠曲。

图8是与图1相似的视图，它示出了本发明的又一改型，其中包括一特殊设计的垫圈，当紧固件承受应变时，在负荷作用下，该垫圈挠曲且也挠曲了紧固件的头部。

图9是与图1相似的视图，它示出了本发明的又一改型，其中当紧固件承受应变时，在负荷作用下，图9所示的特别设计的垫圈会挠曲，并且从该系统的边侧测量间隙中的变化。

具体实施方式

现详细地参见附图，如图1、2中，示出了在螺钉连接处25中的一负荷指示紧固件的一个实施例，这是为了测量电抗电容器15、16的表面和杆4之间的变化间隙。设置了一个螺栓紧固系统1，该系统具有用钢制造的金属主体2，例如，它包括一六边形头3和一杆4，杆4具有一外螺纹部分5，外螺纹部分5通过一光滑的圆柱部分6、垫圈26、27、螺母28和一电抗电容器15A与头3分隔开，在图1的实施例中，电抗电容器15A具有圆柱形电抗电容器15和环形电抗电容器16，以测量变化间隙。

与其转动轴线同轴地钻入主体2的是一盲孔7，盲孔7从头3的顶部延伸，通过头3且进入杆4中大约光滑圆柱形部分6长度的四分之一处。孔7的内部闭合端是一个紧公差较小的沉孔9，它可作为测量元件8的固定桩。支承在孔7中的是一负荷感应装置，该装置包括使用与主体2同样材料制造的测量元件8。测量元件8在孔7中锚定在沉孔9处。该锚定可以是例如压入孔9中或通过各种固定方式中的任何一种固定在其内。

头3的上表面通过机械加工形成了一定位接口10、上基准表面11和一下表面12。测量元件8的自由端8A与头3的上基准表面11是同平面的。当使用紧固件时，测量元件8响应通过螺母28施加到杆4上的负荷。该响应与施加负荷之下杆4的伸长相关。测量元件8可适当地感应施加的负荷且指示该负荷直至主体2材料的检验负荷。因此，测量元件8被设置成可响应杆4的伸长直至检验负荷所导致的伸展。为了达到这一点，将测量元件8设置在主体的孔7中，依据引入杆4的负荷，沉孔9中的锚定使测量元件8移入或移出主体2。因此，依据杆4处在加载或者卸载状态，测量元件8的自由端8A相对头3的上基准表面11运动。当杆4不承受负荷时，测量元件8和头上基准表面11是齐平的，这表示杆4中没有负荷。因为杆4的材料遵循虎克定律，可将产生在测量元件8的自由端8A和头3的上基准表面11之间的间隙标定以通过便携头测量装置13指示负荷直至杆4材料的检验负荷。只要不超过检验负荷，负荷指示将是可重复的。

便携头13装有电抗电容器15、16且被构制成精确地位于头3的定位接口10之上。便携头13通过安装在其底部的磁体14固定在头3上，或者便携头13通过其他已知的方式固定在头3上。环状类型的电抗电容器16测量电容器16的表面和头3的上基准表面11之间的间隙。圆柱形类型的电抗电容器15测量电容器15的表面和测量元件8的自由端8A之间的间隙。所述表面和两电容15、16之间的所述间隙通过不接触间隙测量设备和相关的电子设备进行比较，这些设备包括电抗电容器15、16、电容放大器22、信号调整器23和显示器24，显示器上标有刻度以指示使用中杆4所承受的负荷。

图1的环状类型的电容16在图3中被一实心的金属盘片17替代，金属盘片17安装在便携头17A中且抵靠着头3的上基准表面11。电抗电容15仍然以对图1描述的相同方式运作。其他所有的细节都如对图1的描述。当使用该系统时，电抗电容器15比较基准表面11和测量元件8的运动之间的差异。

如图4所示，在使用中紧固系统1使垫圈18挠曲。电抗电容器31测量电容31的表面32和垫圈18的表面20之间的间隙。该系统如对图1的描述一样运作。

图5中所示的是特别设计的垫圈21，它使螺栓的头3和环形电抗电容16A、16B挠曲，电抗电容器16A、16B安装在便携头33A中且通过定位栓33定位在螺栓头3的顶部，比较头3彼此相对的两部分以指示负荷。其他方面该系统如对图1的描述。

如图6所示，便携头34A装有连接到图象处理器35上的照相机或激光器34，而图象处理器35连接到读出器36上。便携头34A被构制成精确地位于头3的定位接口10之上。便携头34A通过安装在其底部的磁体14固定在头3上，便携头34A也可以通过其他已知的方式固定在头3上。照相机或激光系统34、35测量测量元件8的自由端表面8A和头3的上基准表面11之间的间隙。基准表面11和测量元件8的自由端8A之间的间隙通过照相机或激光系统34、35进行比较且被标定以指示杆4在使用中所承受的负荷。照相机34可用激光器34来替代，并且连接到一处理器35上，而处理器35又连接到读出器36或者计算机上(未图示)。

图7所示的是当系统承受负荷时用以测量紧固头40挠曲的另一选择。特别设计的头40成形为带有一环形沟槽41、具有一环形外表面42的一接口10，表面42围绕具有一底部44和圆柱形壁45的凹进部分43；当承受负荷时照相机或激光器34与便携监测器34A一起探测该头形状的变化。该电子设备被标定以示出从零至材料的检验负荷的负荷刻度，且指示引入该紧固件的负荷。

图8与图7所示的相同，但是特殊的垫圈21致使具有带底部44和壁45的凹进部分43和外侧凹面47的特别设计的头46挠曲。

图9与图8所示的相同，但是因该紧固件系统承受材料的检验负荷而导致特殊垫圈22的形状变化通过所示的照相机或激光器34来探测。

为了举例和说明，以上已对提出申请时申请人已知的本发明的较佳实施例和最佳模式进行了描述。这并不是排他性的或将本发明局限在所揭示的具体形式，根据以上的公开显然可进行许多改型和变化。所选择和描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理和其实际应用，由此能使得本技术领域中的其他技术人员以适用于要完成的具体应用的各种实施例和各种改型最好地利用本发明。本发明的范围由所附的权利要求书来界定。

Claims (2)

1.一种负荷测量装置，它包括：

具有一螺栓头的紧固件，所述螺栓头具有一基准表面；

具有一基部的孔，所述孔自所述螺栓头延伸到所述紧固件中；

置于所述孔内、且固定至所述基部的一棒；

邻近所述螺栓头设置的所述棒的一端面；

响应施加在所述紧固件上的负荷而形成在所述棒的端面与所述螺栓头的基准表面之间的一间隙；

用于非接触式感应所述间隙的一装置；以及

响应所述感应到的间隙、用于提供表示施加到所述紧固件上的负荷的一输出信号的一电路。

2.一种负荷测量装置，它包括：

具有一可拆卸地安装的便携式感应头的紧固件，所述便携式感应头具有一基准表面；

具有一基部的孔，所述孔自所述便携式感应头延伸到所述紧固件中；

置于所述孔内、且固定至所述基部的一棒；

邻近所述便携式感应头设置的所述棒的一端面；

响应施加在所述紧固件上的负荷而形成在所述棒的端面与所述便携式感应头的基准表面之间的一间隙；

用于非接触式感应所述间隙的变化的一装置；以及

响应所感应到的间隙、用于提供表示施加到所述紧固件上的负荷的一输出信号的一电路。

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