CN114993545A - 一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法 - Google Patents

一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法，涉及测量设备技术领域，包括上端板和下端板，上端板和下端之间设有弹性元件，上端板上设有与螺栓相匹配的通孔，下端板设有与螺栓相匹配的螺纹孔，螺纹孔和通孔同轴设置，螺栓依次穿过上端板、弹性元件和下端面，且与下端板螺纹连接。上端板、碟簧和下端板叠加后的高度与螺栓长度一致，测得上端板与下端板之间的距离a，随后用力矩扳手把合螺栓，直至a1等于a，此时力矩扳手的数值就是螺栓的把合力矩。本发明具有简单、可靠、可实施性强，可精确获得预紧力、拧紧力矩、力矩系数（螺纹当量摩擦系数），以及监测温度对高强度螺栓强度的影响等。

Description

一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定 方法
技术领域
本发明涉及测量设备技术领域，特别是涉及一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法，尤其适用于高速旋转部件中承受较大离心力的高强度螺栓。
背景技术
螺纹连接是通过螺纹紧固件把多个被连接件连接到一起，以抵抗外加载荷作用的可拆连接，以便在外载荷作用于被连接件时，被连接件不发生滑移或者脱离。抵抗外载荷作用的夹紧被连接件的力称为预紧力，其对螺纹的工作总载荷、连接、被连接件的承载能力及密封性等产生影响。不一致的预紧力会使连接件与被连接件的结合面受力不均，降低密封性，同时存在损坏连接件及被连接件的可能性。预紧力过大，则使螺纹发生疲劳断裂、螺纹牙受损，从而无法实现连接或者连接件与被连接件结合面压力过大导致其发生胶合、压碎等情况；预紧力过小，则会导致被连接件发生滑移、分离或者紧固件松脱，也可能引起振动、螺母松脱，达不到紧固的目的。因此，找出螺栓预紧力的预紧范围，保证连接质量至关重要。但是预紧力受到拧紧工具、螺栓材料、螺栓性能等级、垫片等级、预紧速度、润滑条件、工作温度等多种因素影响，为保证预紧力及拧紧力矩的准确性带来重重困难。
目前对预紧力的控制方法有扭矩控制法、扭矩-转角控制法、屈服点控制法、伸长量控制法等方法。扭矩控制法，需要拉力传感器、扭矩传感器，通过双通道应变仪，测试出螺栓达到预紧力目标值时对应的拧紧力矩。扭矩控制法的优点是：成本低，可以使用简易的拧紧工具扭矩扳手来检查拧紧质量。其缺点就是：拧紧精度不够，不能充分发挥材料潜力，环境影响大(温度，螺栓螺纹，杂质、磕碰等)。扭矩-转角控制法，需要扭矩传感器、角度传感器通过扭矩-转角控制算法获得拧紧力矩和转动角度。扭矩-转角控制法优点：拧紧精度高，拧紧质量稳定，螺纹件摩擦系数对拧紧质量的影响小；能充分利用螺栓的承载能力；螺栓可拧至塑性变形区而不致拧断，设计预紧力可取螺栓屈服强度的80％。可以获得较大的轴向夹紧力。缺点：其控制系统比较复杂，不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查跟进。屈服点控制法就是利用螺纹材料的屈服点来控制螺纹副的装配。这种方法目前只有少数生产高端品牌的汽车发动机厂家在使用，因为所需要设备成本太大，且对干扰因素比较敏感，同时对螺栓的性能及结构设计要求极高，控制难度较大。伸长量控制法需要超声波螺栓应力测量仪实时测量螺栓的伸长量并且实时计算螺栓轴力。对螺纹连接的要求非常高，相应的设备复杂，工程应用较少。适用于高速旋转部件中承受较大离心力的高强度螺栓，缺少精确确定螺栓预紧力、拧紧力矩的方法，无法保证高速旋转部件的整体性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其使用方法，上端板、碟簧和下端板叠加后的高度与螺栓实际把合长度相同，测得上端板与下端板之间的距离a，随后用力矩扳手把合螺栓，直至a1等于a，此时力矩扳手的数值就是螺栓的把合力矩。本发明具有简单、可靠、可实施性强，可精确获得预紧力、拧紧力矩、力矩系数、螺纹当量摩擦系数，以及监测温度对高强度螺栓强度的影响等。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：包括上端板和下端板，所述上端板和下端之间设置有弹性元件，所述上端板上设置有与螺栓相匹配的通孔，所述下端板设置有用于螺栓相匹配螺纹孔，所述通孔和螺纹孔同轴设置，所述螺栓依次穿过上端板、弹性元件和下端板，且与下端板螺纹连接。
优选的，所述上端板上设置有多个通孔，所述下端板上设置有多个螺纹孔。
优选的，所述弹性元件为多件碟簧叠加而成。
优选的，所述通孔和螺纹孔均采用贯穿孔。
优选的，所述上端板下表面和下端板上表面上设置有用于放置碟簧的放置槽，且与上端面下表面和下端面上表面接触的碟簧加工有平面。
一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、销轴穿过上端板、碟簧抵达下端板，通过油压机在上端板上表面施加特定数量的压力，测量此时上端板与下端板之间的尺寸a；
步骤二、螺栓穿过上端板和碟簧与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N。
优选的，所述步骤一中，所述特定数量的压力为螺栓预紧后产生的理论压力。
优选的，所述步骤一中，上端板、碟簧和下端板叠加后的高度与螺栓长度一致。
优选的，所述步骤一中，销轴穿过上端板、碟簧抵达下端板，通过油压机在上端板表面施加特定数量的压力，测量此时上端板与下端板之间的尺寸a，多次试验取平均值。
优选的，所述步骤二中，螺栓上涂上定量的润滑剂，随后螺栓穿过上端板和碟簧与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。
优选的，所述步骤二中，更改试验环境温度，随后螺栓穿过上端板和碟簧与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。
本技术方案的有益效果如下：
一、本发明提供一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法，上端板、碟簧和下端板叠加后的高度与螺栓实际把合长度相同，测得上端板与下端板之间的距离a，随后用力矩扳手把合螺栓，直至a1等于a，此时力矩扳手的数值就是螺栓的把合力矩。本发明具有简单、可靠、可实施性强，可精确获得预紧力、拧紧力矩、力矩系数(螺纹当量摩擦系数)，以及监测温度对高强度螺栓强度的影响等。
二、本发明提供一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法，螺栓孔之间的距离及尺寸与实际应用工况相同，通孔之间的距离与尺寸与实际应用工况相同，使得螺栓的拧紧力矩测量更准确。
三、本发明提供一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置及其测定方法，上、下端板和碟簧设置平面有效防止压坏上端面和下端面。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明中测定装置的结构示意图；
图2为本发明中测试时步骤一的结构示意图；
图3为本发明中测试时步骤二的结构示意图；
图中标记：1、上端板；2、下端板；3、碟簧；4、螺栓；5、销轴；6、油压机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，包括上端板1和下端板2，所述上端板1和下端之间设置有弹性元件，所述上端板1上设置有与螺栓4相匹配的通孔，所述下端板2设置有用与螺栓4匹配的螺纹孔，所述螺纹孔和通孔同轴设置，所述螺栓4依次穿过上端板1、弹性元件和下端板2，且与下端板2螺纹连接。
其中，所述上端板1上设置有多个通孔，所述下端板2上设置有多个螺纹孔。螺栓4孔之间的距离及尺寸与实际应用工况相同，通孔之间的距离与尺寸与实际应用工况相同，使得螺栓4的拧紧力矩测量更准确。
其中，所述弹性元件为多件碟簧3叠加而成。
其中，所述通孔和螺纹孔均采用贯穿孔。
其中，所述上端板1下表面和下端板2上表面上设置有用于放置碟簧3的放置槽。且与上端板1下表面和下端板2上表面接触的碟簧3加工有平面。放置槽及碟簧3平面的设置有效防止上端面1和下端面2被啃伤。
如图2和图3所示，一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，包括以下步骤：
步骤一、销轴5穿过上端板1、碟簧3抵达下端板2，通过油压机6在上端板1上表面施加特定数量的压力，测量此时上端板1与下端板2之间的尺寸a；
步骤二、螺栓4穿过上端板1和碟簧3与下端板2连接，通过力矩扳手把合螺栓4，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N。上端板1、碟簧3和下端板2叠加后的高度与螺栓4实际把合长度相同，测得上端板1与下端板2之间的距离a，随后用力矩扳手把合螺栓4，直至a1等于a，此时力矩扳手的数值就是螺栓4的把合力矩。本发明具有简单、可靠、可实施性强，可精确获得预紧力、拧紧力矩、力矩系数、螺纹当量摩擦系数，以及监测温度对高强度螺栓4强度的影响等。
其中，所述步骤一中，所述特定数量的压力为螺栓4预紧后产生的理论压力值。
其中，所述步骤一中，上端板1、碟簧3和下端板2叠加后的高度与螺栓4长度一致。
其中，所述步骤一中，销轴5穿过上端板1、碟簧3抵达下端板2，通过油压机6在上端板1上表面施加特定数量的压力，测量此时上端板1与下端板2之间的尺寸a，多次试验取平均值。
其中，所述步骤二中，螺栓4上涂上定量的润滑剂(此润滑剂与螺栓4实际把合时使用的润滑剂相同)，随后螺栓4穿过上端板1和碟簧3与下端板2连接，通过力矩扳手把合螺栓4，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。此时数值N等于M扭紧力矩。
其中，所述步骤二中，更改试验环境温度，随后螺栓4穿过上端板1和碟簧3与下端板4连接，通过力矩扳手把合螺栓4，直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。
F离心力＝m连接件ω2r；
Figure BDA0003658938890000051
F预紧力＝k安全系数×F离心力；
M扭紧力矩＝k摩擦系数×F预紧力×d1；
其中：F离心力为连接件承受的离心力，m连接件为连接件质量，ω为连接件角速度，r为连接件等效半径，F离心力为螺栓预紧力，L为螺栓长度，△L为螺栓伸长量，E为螺栓材料弹性模量，A为螺纹公称应力截面积，k安全系数为计算安全系数，M扭紧力矩为螺栓扭紧力矩，k摩擦系数为螺纹扭矩系数，d1为螺栓中径。经过计算即得精确获得预紧力(即F离心力)、拧紧力矩(即M扭紧力矩)、力矩系数(螺纹当量摩擦系数，即k摩擦系数)，以及监测温度对高强度螺栓强度的影响等。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：包括上端板（1）和下端板（2），所述上端板（1）和下端之间设置有弹性元件，所述上端板（1）上设置有与螺栓（4）相匹配的通孔，所述下端板（2）设置有用于螺栓（4）相匹配螺纹孔，所述螺纹孔和通孔同轴设置，所述螺栓（4）依次穿过上端板（1）、弹性元件和下端板（3），且与下端板（2）螺纹连接。
2.如权利要求1所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：所述上端板（1）上设置有多个通孔，所述下端板（2）上设置有多个螺纹孔。
3.如权利要求2所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：所述弹性元件为多件碟簧（3）叠加而成。
4.如权利要求3所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：所述通孔和螺纹孔均采用贯穿孔。
5.如权利要求1所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定装置，其特征在于：所述上端板（1）下表面和下端板（2）上表面上设置有用于放置碟簧（3）的放置槽，且与上端面（1）下表面和下端面（2）上表面接触的碟簧（3）加工有平面。
6.一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、销轴（5）穿过上端板、碟簧（3）抵达下端板，通过油压机（6）在上端板上表面施加特定数量的压力，测量此时上端板与下端板之间的尺寸a；
步骤二、螺栓（4）穿过上端板和碟簧（3）与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓（4），直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N。
7.根据权利要求6所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于：所述步骤一中，上端板（1）、碟簧（3）和下端板（2）叠加后的高度与螺栓（4）长度一致。
8.根据权利要求6所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于：所述步骤一中，销轴（5）穿过上端板、碟簧（3）抵达下端板，通过油压机（6）在上端板表面施加特定数量的压力，测量此时上端板与下端板之间的尺寸a，多次试验取平均值。
9.根据权利要求6所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于：所述步骤二中，螺栓（4）上涂上定量的润滑剂，随后螺栓（4）穿过上端板和碟簧（3）与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓（4），直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。
10.根据权利要求6所述的一种高强度螺栓拧紧力矩和摩擦系数的测定方法，其特征在于：所述步骤二中，更改试验环境温度，随后螺栓（4）穿过上端板和碟簧（3）与下端板连接，通过力矩扳手把合螺栓（4），直至尺寸a1等于a，查看力矩扳手的值并记录此时的数值N，多次试验取平均值。
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