CN115356035B - 一种螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法，系统包括带有液压机构的螺栓拧紧试验台架，设置有旋转编码器，旋转编码器的动端与待检测的螺栓一起转动，旋转编码器静端安装有编码器芯片和编码器插头；微处理器，用于对编码器芯片反馈的转速信号和转动角度进行处理；本发明基于螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法的电子信息检测系统，利用压力传感器采集液压油液压力信号，并通过半桥电路对压力信号进行调理、放大并通过数据采集卡对压力信号进行A/D转换和采集，送入微处理器，同时对旋转编码器输出信号进行调理和采集，微处理器将监测到转角信号和压力信号传输到显示屏进行显示，通过检测油液压力来检测转矩，检测方法简单可靠，可视化强。

Description

一种螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及转矩检测技术领域，具体为一种螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法。

背景技术

轨道车辆制造和运维质量是轨道交通安全运行的根本保证，其中螺栓联接件联接的可靠性是影响轨道车辆运行安全的重要因素。轨道车辆制造中，需要对已完成联接的螺栓拧紧转矩进行复核；在轨道车辆运维中，为避免螺栓受载、振动和残余变形导致螺栓联接达不到要求，需定期对螺栓拧紧转矩进行检测，诊断螺栓拧紧转矩是否达到规定标准要求。其中，车底设备螺栓联接拧紧转矩的复核、检测更是列车制造和运维的必要内容。转矩的检测原理可分为传递法、平衡力法和能量转换法，目前应用最广的传递法主要通过增拧、标记和松开等方式来检测螺栓拧紧转矩情况，实践中具体实施时，分别采用机械定转矩扳手和电动转矩扳手。采用机械定转矩扳手的缺点主要有：检测转矩范围小，劳动强度大；检测转矩值为手动调定，容易误调，导致转矩值设定过大造成螺栓紧固过拧甚至断裂，或转矩值设定不足达不到拧紧转矩检测要求；当被测拧紧转矩较大时需使用转矩倍增器，回转半径大，不适合狭小空间作业。采用电动转矩扳手，又存在转速高、冲击大、过拧以及电动转矩扳手的反作用力需要外力平衡、操作人员负担重等系列问题。因此，针对轨道车辆螺栓拧紧转矩研究新的检测方法，是一个迫切需要完成的课题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，基于电子信息技术提供一种螺栓拧紧转矩检测系统及检测方法，可快速检测、复核螺栓拧紧转矩，简单、实用、高效、可靠。

一种螺栓拧紧转矩检测系统，包括螺栓拧紧试验台架，螺栓拧紧试验台架包括传动机构和液压机构，所述传动机构包括外壳和滚珠丝杠，所述外壳内部转动连接有转子测头，所述转子测头伸出外壳的一端设置有螺栓头相对应的内六角孔，转子测头内表面安装有滚珠螺母，所述滚珠螺母中部插设有滚珠丝杠，滚珠丝杠的滚道和滚珠螺母的滚道之间填充有滚珠；

液压机构，液压机构包括液压油缸和用于监测油压的压力传感器，液压油缸的输出端与滚珠丝杠一体化成型设置；液压油缸的有杆腔和无杆腔分别通过管道与电液比例换向阀相连接，电液比例换向阀又分别通过管道与液压泵的出油口和油箱相连接，液压泵由液压电机驱动旋转，液压泵的出油口并联设置有用于监测油压的压力传感器，且并联设置电液比例溢流阀；

旋转编码器，旋转编码器的动端安装在所述转子测头远离内六角孔的一端，旋转编码器的静端相对应地安装在所述外壳内壁上；

微处理器，所述微处理器与编码器芯片电连接，用于对编码器芯片反馈的转速信号和转动角度进行处理；

压力传感器，所述压力传感器用于实时监测液压机构的液压油液压力；

调理单元，通过半桥电路对压力传感器反馈的压力信号进行调理、放大；

数据采集卡，所述数据采集卡用于和调理单元输出端电连接，用于对压力信号进行A/D转换和采集，与微处理器的输入端电连接；

液压电机，所述液压电机与微处理器的输出端电连接；

显示屏，所述显示屏与微处理器的输出端电连接；

计算机，所述计算机通过串口通信模块与微处理器的输出端电连接。

由上述技术方案可见，利用滚珠丝杠逆传动的原理，增大滚珠丝杠导程，限制滚珠丝杠转动和与其配合滚珠螺母的移动，使滚珠螺母转动，从而带动转子测头对被检螺栓施加转矩进行检测，改变滚珠丝杠的移动方向，滚珠螺母旋向也随之改变，使得转子测头产生反向检测转矩，既可以按要求对螺栓头进行拧紧检测，又可以按要求对螺栓头进行拧松检测。滚珠螺母连接旋转编码器，可以检测被检螺栓是否转动和转动的角度。力和转矩通过检测系统的液压油缸内部的压力油自平衡，无外作用力和转矩，操作人员无负担，无人员伤害，且通过液压可自动进行过载保护，检测系统和被检螺栓均不会因为扭矩过大而损坏。通过微处理器可设定电流值，无级调节压力油液压力的大小，使得检测的扭矩值可无级调节且范围大，灵活性强。

进一步的方案是，所述微处理器为STM系列的单片机。

进一步的方案是，所述转子测头外表面两端装有左推力轴承和右推力轴承，所述左推力轴承的静圈与外壳内壁设置的凸起块相抵，左推力轴承的动圈与转子测头外壁设置的凸起块相抵，所述右推力轴承的动圈与转子测头外壁设置的凸起块相抵，右推力轴承的静圈与端盖相抵，所述端盖通过第一螺钉固定连接在外壳上。

进一步的方案是，所述转子测头远离内六角孔的一端通过第二螺钉固定连接滚珠螺母和旋转编码器安装套，旋转编码器的动端通过紧定螺钉固定在旋转编码器安装套上。

进一步的方案是，所述液压油缸前端安装有带有导向键槽的导向支座，所述滚珠丝杠靠近液压油缸前端处安装有与导向支座的导向键槽相配合的导向键。

进一步的方案是，所述旋转编码器的静端通过旋转编码器支架安装在外壳内壁上。

一种基于上述系统的一种螺栓拧紧转矩检测方法，具体包括：

通过微处理器编程，输入调节设定的电流值，无级调节电液比例溢流阀而调节压液压力的大小，从而设定检测扭矩值；

将转子测头的内六角孔套在被检螺栓头上，微处理器控制液压电机，液压电机带动液压泵旋转，液压泵旋转输出压力油液，压力油液推动液压油缸的活塞杆运动，从而带动滚珠丝杠运动；

电液比例溢流阀在检测过程中无级调节调整工作压力，进而无级调节和设定检测转矩；电液比例换向阀控制液压油缸运动方向，并无级调节液压油缸的活塞杆运动速度，进而控制转子测头转矩方向和无级调节转子测头转动速度；

滚珠丝杠的轴向力通过滚珠传递到滚珠螺母，驱动与滚珠丝杠配合的滚珠螺母转动，带动转子测头转动，对被检螺栓施加转矩；

若被检螺栓被拧动，旋转编码器的动端同步动作，由此检测被检螺栓是否转动和转动的角度，并输出转角信号给微处理器；压力传感器实时监测压力油液的压力，并将监测到的压力信号反馈给微处理器；

微处理器根据监测到的压力信号，从而得到被检螺栓的拧紧转矩和拧紧力。

由上述技术方案可见，通过液压油缸的活塞杆移动，带动滚珠丝杠移动产生轴向力，从而驱动与滚珠丝杠配合的滚珠螺母转动，带动转子测头转动，转子测头输出端套在螺栓头上，对被检螺栓头施加检测转矩，检测过程中，螺栓头对转子测头施加反转矩，使得转子测头对滚珠丝杠施加反作用力，而液压油缸中的液压油可自动平衡掉反作用力，从而不用工作人员外力平衡，操作人员无负担。滚珠螺母连接旋转编码器，可以测量被检螺栓是否转动和转动的角度。

进一步的方案是，所述输出转角信号给微处理器和将监测到的压力信号反馈给微处理器之后还包括：

微处理器将监测到转角信号数值和压力信号数值通过显示屏显示，显示屏电连接微处理器的输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于电子信息技术对螺栓拧紧转矩进行检测复核，诊断螺栓拧紧转矩是否达到规定标准要求。传动机构利用滚珠丝杠逆传动的原理，增大丝杠导程，限制滚珠丝杠转动和与其配合滚珠螺母的移动，使滚珠螺母转动而对被检螺栓施加转矩进行检测；大导程的滚珠丝杠与液压油缸的活塞杆做成一体，并用导向键限制滚珠丝杠的转动，滚珠螺母与转子测头通过螺钉联接，转子测头两端设有推力轴承限制其轴向移动；通过无级调节液压油压力的大小，设定滚珠丝杠轴向力，进而设定转子测头的检测转矩；改变滚珠丝杠的移动方向，滚珠螺母旋向改变，转子测头产生反向检测转矩，适应不同的检测需求。滚珠螺母固定连接旋转编码器，测量被检螺栓头是否转动和转动的角度。该检测方法具有结构简单可靠，检测转矩大，转矩可无级调节且范围大，灵活性强，力和转矩通过检测系统的液压油缸内部的压力油自平衡，无外作用力和转矩，操作人员无负担，无人员伤害，且通过液压可自动进行过载保护，液压机构输出的转矩能够与负载自适应，检测系统和被检螺栓均不会因为扭矩过大而损坏。适应螺栓密布的狭小空间，避免人为操作因素影响检测结果，检测数据可溯源等优点，特别适合于轨道车辆等转矩差别大、数量多的螺栓拧紧转矩的检测复核。

附图说明

图1为本发明电路结构原理框图；

图2为本发明的三维外形示意图；

图3为本发明的剖视结构示意图；

图4为本发明图3中A-A处剖面结构示意图。

附图标记：液压油缸1、导向支座2、导向键3、旋转编码器支架4、旋转编码器5、旋转编码器安装套6、左推力轴承7、转子测头8、右推力轴承9、端盖10、滚珠螺母11、滚珠丝杠12、滚珠13、外壳14、编码器芯片15、编码器插头16、第一螺钉17、第二螺钉18、紧定螺钉19、内六角孔20。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

根据本发明的第一方面，参阅图1~图4，基于电子信息技术提供一种螺栓拧紧转矩检测系统，包括外壳14，外壳14的一端安装有液压油缸1，液压油缸1的输出活塞杆与滚珠丝杠12一体化成型设置，液压油缸1前端安装有带有导向键槽的导向支座2，所述滚珠丝杠12靠近液压油缸1前端处安装有与导向支座2的导向键槽相配合的导向键3，导向键3限制了滚珠丝杠12的旋转自由度。滚珠丝杠12远离液压油缸1的一端插入滚珠螺母11中，滚珠丝杠12的滚道和滚珠螺母11的滚道之间填充有滚珠13，滚珠13把滚珠丝杠12的轴向力传递到滚珠螺母11，滚珠螺母11一端通过第二螺钉18与转子测头8和旋转编码器安装套6固定连接在一起。转子测头8一端伸出外壳14并设置有与螺栓头相对应的内六角孔20。所述转子测头8外表面两端转动连接有左推力轴承7和右推力轴承9，左推力轴承7的静圈与外壳14内壁设置的凸起块相抵，左推力轴承7的动圈与转子测头8外壁设置的凸起块相抵，所述右推力轴承9的动圈与转子测头8外壁设置的凸起块相抵，右推力轴承9的静圈与端盖10相抵，所述端盖10通过第一螺钉17固定连接在外壳14上。第二螺钉18设置有多个，且以滚珠丝杠12的中轴线环形阵列分布，且第二螺钉18的中轴线与滚珠丝杠12的中轴线相平行，位于滚珠丝杠12一侧的旋转编码器安装套6的剖面呈L型，旋转编码器5的动端通过紧定螺钉19安装在旋转编码器安装套6上，紧定螺钉19的中轴线与滚珠丝杠12的中轴线相垂直，且位于滚珠丝杠12一侧的旋转编码器5的动端剖面也呈L型，旋转编码器5的静端相对应地通过旋转编码器支架4安装在外壳14内壁上。旋转编码器5的静端上安装有编码器芯片15和编码器插头16，编码器芯片15用于处理并输出转角信号，编码器插头16用于连接传递信号和供电的导线。

液压油缸1的有杆腔和无杆腔分别通过管道与电液比例换向阀相连接，电液比例换向阀又分别通过管道与液压泵的出油口和油箱相连接，液压泵由液压电机驱动旋转，液压泵的出油口并联设置有用于监测油压的压力传感器，同时，并联设置电液比例溢流阀。液压电机带动液压泵旋转输出压力油液，电液比例溢流阀在检测过程中可无级调节调整工作压力，进而无级调节和设定检测转矩；压力传感器检测液压油液压力并输出压力信号，电液比例换向阀控制液压油缸1运动方向，并无级调节液压油缸1的活塞杆运动速度，进而控制转子测头8转矩方向和无级调节转子测头8转动速度。

请参阅图1，编码器芯片15通过导线电连接有微处理器，微处理器为STM系列的单片机，微处理器对旋转编码器5输出信号进行调理和采集；采集的信号数据分别进行处理、输出、显示和存储，可通过显示屏实现螺栓头是否转动和转动角的可视化。压力传感器的压力信号通过半桥电路对压力信号进行调理、放大并通过数据采集卡对压力信号进行A/D转换和采集，送入微处理器进行处理；微处理器的输出端电连接有液压电机、电液比例换向阀和电液比例溢流阀，还通过串口通信模块向计算机传送数据，方便通过计算机进行信息共享和查询。

根据本发明的第二方面，基于电子信息技术提供一种螺栓拧紧转矩检测方法，具体包括：

将微处理器进行编程，输入设定的电流值，无级调节电液比例溢流阀而调节压力油液压力的大小，从而设定检测扭矩值，将转子测头8的内六角孔20套在被检螺栓头上，微处理器控制液压电机，液压电机带动液压泵旋转，液压泵旋转输出压力油液，压力油液推动液压油缸1的活塞杆运动，从而带动滚珠丝杠12运动；

滚珠丝杠12的轴向力通过滚珠13传递到滚珠螺母11，驱动与滚珠丝杠12配合的滚珠螺母11转动，带动转子测头8转动，对被检螺栓施加转矩；

若被检螺栓被拧动，旋转编码器5的动端同步动作，由此检测被检螺栓是否转动和转动的角度，并输出转角信号给微处理器；压力传感器实时监测压力油液的压力，并将监测到的压力信号反馈给微处理器，微处理器将监测到转角信号和压力信号传输到显示屏，并通过显示屏显示，显示屏电连接微处理器的输出端。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“液平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：包括螺栓拧紧试验台架，螺栓拧紧试验台架包括传动机构和液压机构，所述传动机构包括外壳（14）和滚珠丝杠（12），所述外壳（14）内部转动连接有转子测头（8），所述转子测头（8）伸出外壳（14）的一端设置有螺栓头相对应的内六角孔（20），转子测头（8）内表面安装有滚珠螺母（11），所述滚珠螺母（11）中部插设有滚珠丝杠（12），滚珠丝杠（12）的滚道和滚珠螺母（11）的滚道之间填充有滚珠（13）；

液压机构，液压机构包括液压油缸（1）和用于监测油压的压力传感器，液压油缸（1）的输出端与滚珠丝杠（12）一体化成型设置；

液压油缸（1）的有杆腔和无杆腔分别通过管道与电液比例换向阀相连接，电液比例换向阀又分别通过管道与液压泵的出油口和油箱相连接，液压泵由液压电机驱动旋转，液压泵的出油口并联设置有用于监测油压的压力传感器，且并联设置电液比例溢流阀；

旋转编码器（5），旋转编码器（5）的动端安装在所述转子测头（8）远离内六角孔（20）的一端，旋转编码器（5）的静端相对应地安装在所述外壳（14）内壁上；

微处理器，所述微处理器与编码器芯片（15）电连接，用于对编码器芯片（15）反馈的转速信号和转动角度进行处理；

压力传感器，所述压力传感器用于实时监测液压机构的液压油液压力；

调理单元，通过半桥电路对压力传感器反馈的压力信号进行调理、放大；

数据采集卡，所述数据采集卡用于和调理单元输出端电连接，用于对压力信号进行A/D转换和采集，与微处理器的输入端电连接；

液压电机，所述液压电机与微处理器的输出端电连接；

显示屏，所述显示屏与微处理器的输出端电连接；

计算机，所述计算机通过串口通信模块与微处理器的输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：所述微处理器为STM系列的单片机。

3.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：所述转子测头（8）外表面两端装有左推力轴承（7）和右推力轴承（9），所述左推力轴承（7）的静圈与外壳（14）内壁设置的凸起块相抵，左推力轴承（7）的动圈与转子测头（8）外壁设置的凸起块相抵，所述右推力轴承（9）的动圈与转子测头（8）外壁设置的凸起块相抵，右推力轴承（9）的静圈与端盖（10）相抵，所述端盖（10）通过第一螺钉（17）固定连接在外壳（14）上。

4.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：所述转子测头（8）远离内六角孔（20）的一端通过第二螺钉（18）固定连接滚珠螺母（11）和旋转编码器安装套（6），旋转编码器（5）的动端通过紧定螺钉（19）固定在旋转编码器安装套（6）上。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：所述液压油缸（1）前端安装有带有导向键槽的导向支座（2），所述滚珠丝杠（12）靠近液压油缸（1）前端处安装有与导向支座（2）的导向键槽相配合的导向键（3）。

6.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧转矩检测系统，其特征在于：所述旋转编码器（5）的静端通过旋转编码器支架（4）安装在外壳（14）内壁上。

7.一种基于权利要求1所述系统的一种螺栓拧紧转矩检测方法，其特征在于，具体包括：

通过微处理器编程，输入调节设定的电流值，无级调节电液比例溢流阀而调节压液压力的大小，从而设定检测扭矩值；

将转子测头（8）的内六角孔（20）套在被检螺栓头上，微处理器控制液压电机，液压电机带动液压泵旋转，液压泵旋转输出压力油液，压力油液推动液压油缸（1）的活塞杆运动，从而带动滚珠丝杠（12）运动；

电液比例溢流阀在检测过程中无级调节调整工作压力，进而无级调节和设定检测转矩；电液比例换向阀控制液压油缸（1）运动方向，并无级调节液压油缸（1）的活塞杆运动速度，进而控制转子测头（8）转矩方向和无级调节转子测头（8）转动速度；

滚珠丝杠（12）的轴向力通过滚珠（13）传递到滚珠螺母（11），驱动与滚珠丝杠（12）配合的滚珠螺母（11）转动，带动转子测头（8）转动，对被检螺栓施加转矩；

若被检螺栓被拧动，旋转编码器（5）的动端同步动作，由此检测被检螺栓是否转动和转动的角度，并输出转角信号给微处理器；压力传感器实时监测压力油液的压力，并将监测到的压力信号反馈给微处理器；

微处理器根据监测到的压力信号，从而得到被检螺栓的拧紧转矩和拧紧力。

8.根据权利要求7所述的一种螺栓拧紧转矩检测方法，其特征在于，所述输出转角信号给微处理器和将监测到的压力信号反馈给微处理器之后还包括：

微处理器将监测到转角信号数值和压力信号数值通过显示屏显示，显示屏电连接微处理器的输出端。

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