CN115077883B - 一种单螺栓拧紧试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单螺栓拧紧试验装置及试验方法，属于螺栓摩擦系数检测技术领域。该装置包括试验台支撑件、支撑面扭矩测量模块、螺纹扭矩测量模块和自动加载装置。本发明可以同时检测螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数以及总摩擦系数，本发明相比于传统方式在轴线方向去除力传感器，可以针对不同参数螺栓保证螺纹外露的标准对摩擦系数进行测量，为工程技术人员设计拧紧工艺提供基本的数据支持。

Description

一种单螺栓拧紧试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于螺栓摩擦系数检测技术领域，具体涉及一种单螺栓拧紧试验装置及试验方法。
背景技术
螺纹连接由于其特点被广泛使用，其拧紧质量直接关系到连接部件的关键性能，所以高精度的螺纹连接需求不断扩大；重大装备部件针对不同性能设置有不同参数螺栓，测试人员检测时因无法达到螺纹测量标准或在一定程度上无法高效检测。其中，螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数是螺栓必不可少的参数，所以本发明针对不同参数螺栓设计一种高效、通用的单螺栓拧紧试验装置及方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单螺栓拧紧试验装置及试验方法，对不同参数螺栓进行高效检测，保证了高强螺栓试验标准。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种单螺栓拧紧试验装置，包括试验台支撑件、支撑面扭矩测量模块、螺纹扭矩测量模块和自动加载装置。
所述试验台支撑件包括底部支座2和支撑柱3。其中，底部支座2通过紧固件固定在试验台1上，4个相同结构的支撑柱3均匀固定在底部支座2上，支撑柱3端面两侧开有螺纹孔。
所述支撑面扭矩测量模块包括传感器支架4、盘式静态扭矩传感器5和传动压板6。其中，传感器支架4为圆环状结构，其安装在支撑柱3顶部；盘式静态扭矩传感器5固定在传感器支架4中，传动压板6通过紧固件固定在盘式静态扭矩传感器5上。传动压板6中间开有通孔使被测螺栓穿过。与传动压板连接的盘式静态扭矩传感器5，实时监测螺栓的支撑面摩擦扭矩。
所述螺纹扭矩测量模块包括防转卡套13、传动夹具14和法兰式静态扭矩传感器15。其中，法兰式静态扭矩传感器15固定在底部支座2中部。传动夹具14为圆环和空心圆柱组成的一体式结构，且圆环外径大于空心圆柱外径；其圆环上均匀布置螺纹孔，用于与法兰式静态扭矩传感器15连接，空心圆柱依次穿过传感器支架4、盘式静态扭矩传感器5中心的通孔与传动压板6间保持空隙。传动夹具14的空心圆柱上侧端面封闭且中心开有使被测螺栓穿过的通孔，下侧端面开口以安装防转卡套13和被测螺栓。被测螺栓穿过传动夹具14和传动压板6的通孔后通过螺母11紧固。与传动夹具连接的法兰式静态扭矩传感器15，实时监测螺栓的螺纹摩擦扭矩。
所述自动加载装置包括动态扭矩传感器7、联轴器8、电动扳手9和扭力套筒10。其中，电动扳手9输出端通过柔性联轴器8与动态扭矩传感器7相连接；动态扭矩传感器7输出端通过卡口的防脱卡槽连接扭力套筒10。扭力套筒10内型面与螺母11配合，安装在螺母11外。所述动态扭矩传感器7实时监测所施加给螺栓的输入扭矩。
一种采用上述装置进行单螺栓拧紧试验的方法，包括以下步骤：
1)根据试验方法，调校各扭矩传感器，设定数据采集模块。
2)选择与被测螺栓相匹配的防转卡套13及扭力套筒10，选择合适的扭矩传感器，将防转卡套13安装在传动夹具14中、被测螺栓安装在防转卡套13中。
3)依次安装底部支座2、支撑柱3、传感器支架4、法兰式静态扭矩传感器15、传动夹具14、盘式静态扭矩传感器5、传动压板6、螺母11、扭力套筒10、动态扭矩传感器7、联轴器8、电动扳手9。
4)通过扭力套筒10拧紧螺母11，通过数据采集系统读取盘式静态扭矩传感器稳定的扭矩示值Tw、法兰式静态扭矩传感器稳定的扭矩示值TS和动态扭矩传感器的扭矩示值T。
5)通过测量得到的数据TS、Tw推算轴向预紧力F，公式如下：
Figure BDA0003704829680000031
式中，TS为螺纹摩擦扭矩，d为螺纹中径，θ为螺纹升角，F为螺栓预紧力，T为拧紧力矩，dw为支撑面等效的摩擦直径，Tw为支撑面摩擦扭矩。
6)通过数据F、TS推算螺纹摩擦系数μs，公式如下：
Figure BDA0003704829680000032
式中，P为螺距，μs为螺纹摩擦系数。
7)通过数据F、Tw推算支撑面摩擦系数μw，公式如下：
Figure BDA0003704829680000033
式中，dw为支撑面等效的摩擦直径，Tw为支撑面摩擦扭矩，μw为支撑面摩擦系数。其中：
Figure BDA0003704829680000034
式中，d2为螺母支撑面外径，d1为螺栓孔直径。
8)总摩擦系数为螺纹摩擦系数μs与支撑面摩擦系数μw之和。
本发明的有益效果在于：
本发明与传统的螺栓性能试验装置相比，区别在于装置整体结构简单，拆卸方便，可以同时对输入扭矩、螺纹摩擦扭矩及支撑面摩擦扭矩进行监测，对螺栓预紧力、螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数及总摩擦系数进行检测。在轴线方向去除了力传感器，且螺纹连接处几字形的传动夹具相比于传统夹具厚度减少，当螺杆长度较短时也可以保证螺纹外露等试验标准，故针对不同参数螺栓可快捷，便利进行检测。
附图说明
图1是单螺栓拧紧试验装置示意图。
图2是试验台支撑件的结构图。
图3是传动压板的结构图。
图4是传动夹具的结构图。
图5是盘式静态扭矩传感器结构图。
图6是扭矩分解分析图。
图7是本发明方法螺栓预紧力形成机理分析图。
图中：1试验台；2底部支座；3支撑柱；4传感器支架；5盘式静态扭矩传感器；6传动压板；7动态扭矩传感器；8联轴器；9电动扳手；10扭力套筒；11螺母；12螺栓；13防转卡套；14传动夹具；15法兰式静态扭矩传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及技术方案对本发明实例做进步的详细说明。
如图1所示，一种单螺栓拧紧试验装置，包括试验台支撑件、支撑面扭矩测量模块、螺纹扭矩测量模块和自动加载装置。
如图2所示，试验台支撑件包括底部支座2和支撑柱3。底部支座2通过紧固件固定在试验台1上，4个相同结构的支撑柱3均匀固定在底部支座2上。
所述支撑面扭矩测量模块包括传感器支架4、盘式静态扭矩传感器5和传动压板6。其中，传感器支架4为圆环状结构，其安装在支撑柱3顶部；盘式静态扭矩传感器5固定在传感器支架4中，传动压板6通过紧固件固定在盘式静态扭矩传感器5上。传动压板6中间开有通孔，通孔尺寸视被测螺栓尺寸而定。
所述螺纹扭矩测量模块包括防转卡套13、传动夹具14和法兰式静态扭矩传感器15。其中，法兰式静态扭矩传感器15固定在底部支座2中部。传动夹具14为圆环和空心圆柱组成的一体式结构，且圆环外径大于空心圆柱外径；其圆环上均匀布置螺纹孔，与法兰式静态扭矩传感器15连接；空心圆柱依次穿过传感器支架4、盘式静态扭矩传感器5中心的通孔与传动压板6间保持空隙。传动夹具14的空心圆柱上侧端面封闭且中心开有使被测螺栓穿过的通孔，下侧端面开口以安装防转卡套13和被测螺栓。防转卡套13通过键槽安装在传动夹具14的空心圆柱中；被测螺栓12固定在在防转卡套13中，在试验中螺柱金属末端必须防止转动。被测螺栓顶部穿过传动夹具14和传动压板6的通孔后通过螺母11紧固。
如图5所示，盘式静态扭矩传感器5的内径应大于传动夹具14，外径应小于传感器支架4内孔径。盘式静态扭矩传感器5安装在传感器支架4上，采用外圆定位。在盘式静态扭矩传感器5上安装传动压板6，需保证与传动夹具14存在空隙，分别拧入紧固件固定定心，防止在试验中变形或产生位移。
所述自动加载装置包括动态扭矩传感器7、联轴器8、电动扳手9和扭力套筒10。手动安装扭力套筒10、动态扭矩传感器7、联轴器8和电动扳手9。控制系统有采集分析各测量装置的数据处理模块。
进行单螺栓拧紧试验，将扭力套筒10对螺母11紧固，螺母11接触，压紧传动压板6过程中，如图6所示，利用盘式静态扭矩传感器5测得支撑面摩擦扭矩Tw，利用法兰式静态扭矩传感器15测得螺纹摩擦扭矩Ts，动态扭矩传感器数值T。
如图7所示，螺栓受力分析图可得：
F′＝fScosθ+FNsinθ+fP
F+fssinθ＝FNcosθ
上式中，F′为螺母所受拧紧力，fP为螺栓端面摩擦力，fs为螺栓螺纹与螺母螺纹之间的摩擦力，FN为螺母与螺纹之间的轴向支承力，θ为螺纹升角。
动态扭矩传感器数值T、支撑面摩擦扭矩Tw与螺纹扭矩Ts数值推算，F′为螺母所受拧紧力，fP为螺栓端面摩擦力，fs为螺栓螺纹与螺母螺纹之间的摩擦力。其中：
Figure BDA0003704829680000061
上式中，d为螺纹中径。
Figure BDA0003704829680000062
上式中，dw为支撑面等效的摩擦直径。其中：
Figure BDA0003704829680000063
上式中，d2为螺母支撑面外径，d1为螺栓孔直径。
Figure BDA0003704829680000064
上式中，T为拧紧扭矩。
推算轴向预紧力F，公式如下：
Figure BDA0003704829680000071
通过数据F、TS推算螺纹摩擦系数μs，公式如下：
Figure BDA0003704829680000072
上式中，P为螺距，μs为螺纹摩擦系数。
通过数据F、Tw推算螺纹摩擦系数μw，公式如下：
Figure BDA0003704829680000073
上式中，μw为支撑面摩擦系数。
总摩擦系数为螺纹摩擦系数μs与支撑面摩擦系数μw之和。
需要说明的是，传动压板6、扭力套筒10、防转卡套13可依据测试螺栓的尺寸不同而进行更换，以满足各种螺栓的试验需求。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，以便于本技术领域的技术人员理解本专利，但本专利不限于具体实施的范围，对于本领域的技术人员，在不脱离发明构思的前提下做出若干变化，这属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种单螺栓拧紧试验装置的试验方法，该装置包括试验台支撑件、支撑面扭矩测量模块、螺纹扭矩测量模块和自动加载装置；
所述试验台支撑件包括底部支座(2)和支撑柱(3)；其中，底部支座(2)固定在试验台(1)上，4个支撑柱(3)均匀固定在底部支座(2)上；
所述支撑面扭矩测量模块包括传感器支架(4)、盘式静态扭矩传感器(5)和传动压板(6)；其中，传感器支架(4)为圆环状结构，其安装在支撑柱(3)顶部；盘式静态扭矩传感器(5)固定在传感器支架(4)中，传动压板(6)固定在盘式静态扭矩传感器(5)上；传动压板(6)中间开有通孔使被测螺栓穿过；所述盘式静态扭矩传感器(5)实时监测螺栓的支撑面摩擦扭矩；
所述螺纹扭矩测量模块包括防转卡套(13)、传动夹具(14)和法兰式静态扭矩传感器(15)；其中，法兰式静态扭矩传感器(15)固定在底部支座(2)中部；传动夹具(14)为圆环和空心圆柱组成的一体式结构，且圆环外径大于空心圆柱外径；其圆环与法兰式静态扭矩传感器(15)连接，空心圆柱依次穿过传感器支架(4)、盘式静态扭矩传感器(5)中心的通孔与传动压板(6)间保持空隙；传动夹具(14)的空心圆柱上侧端面封闭且中心开有使被测螺栓穿过的通孔，下侧端面开口以安装防转卡套(13)和被测螺栓；被测螺栓穿过传动夹具(14)和传动压板(6)的通孔后通过螺母(11)紧固；所述法兰式静态扭矩传感器(15)实时监测螺栓的螺纹摩擦扭矩；
所述自动加载装置包括动态扭矩传感器(7)、联轴器(8)、电动扳手(9)和扭力套筒(10)；其中，电动扳手(9)输出端通过柔性联轴器(8)与动态扭矩传感器(7)连接；动态扭矩传感器(7)输出端连接扭力套筒(10)；扭力套筒(10)内型面与螺母(11)配合，安装在螺母(11)外；所述动态扭矩传感器(7)实时监测所施加给螺栓的输入扭矩；
其特征在于，该试验方法包括以下步骤：
1)根据试验方法，调校各扭矩传感器，设定数据采集模块；
2)选择与被测螺栓相匹配的防转卡套(13)及扭力套筒(10)，选择合适的扭矩传感器，将防转卡套(13)安装在传动夹具(14)中、被测螺栓安装在防转卡套(13)中；
3)依次安装底部支座(2)、支撑柱(3)、传感器支架(4)、法兰式静态扭矩传感器(15)、传动夹具(14)、盘式静态扭矩传感器(5)、传动压板(6)、螺母(11)、扭力套筒(10)、动态扭矩传感器(7)、联轴器(8)、电动扳手(9)；
4)通过扭力套筒(10)拧紧螺母(11)，通过数据采集系统读取盘式静态扭矩传感器稳定的扭矩示值Tw、法兰式静态扭矩传感器稳定的扭矩示值TS和动态扭矩传感器的扭矩示值T；
5)通过测量得到的数据TS、Tw推算轴向预紧力F，公式如下：
Figure FDA0004184549110000021
式中，TS为螺纹摩擦扭矩，d为螺纹中径，θ为螺纹升角，F为螺栓预紧力，T为拧紧力矩，dw为支撑面等效的摩擦直径，Tw为支撑面摩擦扭矩；
6)通过数据F、TS推算螺纹摩擦系数μs，公式如下：
Figure FDA0004184549110000022
式中，P为螺距；
7)通过数据F、Tw推算支撑面摩擦系数μw，公式如下：
Figure FDA0004184549110000023
式中，dw为支撑面等效的摩擦直径：
Figure FDA0004184549110000031
式中，d2为螺母支撑面外径，d1为螺栓孔直径；
8)总摩擦系数为螺纹摩擦系数μs与支撑面摩擦系数μw之和。
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