CN116745070A - 改进式螺栓张紧器 - Google Patents

Abstract

一种螺栓张紧器(1，100)，包括具有至少一个活塞(41，141)和活塞缩回机构的负载单元(30，130)。螺栓张紧器(1，100)具有第一流体端口33和第二流体端口35，每一该流体端口均与至少一个活塞(41，141)流体连通，且用于接收加压流体，以向所述至少一个活塞分别施加张紧力和回复力。活塞(41，141)可在流体压力的作用下，沿张紧和缩回两个方向操作。

Description

改进式螺栓张紧器

技术领域

本发明涉及高性能栓紧操作所用螺栓张紧器领域。

背景技术

在需要将部件在高负载和高应力下栓紧于一起的应用方面，扭力扳手和螺栓张紧器为两种相互竞争的技术。普遍认为，对于需要在螺栓内产生高张紧负载的应用，以及当需要向螺栓施加高精度负载时，优选使用螺栓张紧器。当螺栓(或螺栓张紧工具本身)上施加的负载接近该螺栓或工具的材料失效点(如屈服应力)时，防止螺栓过紧这一点至关重要。

传统螺栓张紧器在将螺栓“绷紧”的同时，将螺母沿螺栓螺至其张紧位置。为了实现张紧大型螺栓所需的较大作用力，以操作压力一般为1500巴(150MPa)以上的高压液压泵为设于螺栓张紧器内的液压活塞提供动力。为了达到所需的高压，螺栓张紧器的液压泵具有极低的流量。虽然该项技术已经较为成熟，然而对于任何系统而言，在如此高的压力下操作(尤其在将螺栓张紧至接近螺栓材料的失效极限时)，本身会存在风险，或者会人为感受到风险。无论是工具，还是螺栓，当某个部件失效时，均会对附近的工具操作人员造成危险，并可能对结构本身造成损害。

与此相比，液压扭力扳手传统上由操作压力远离低于上述压力的液压泵(最大操作压力约为700巴(70MPa))提供动力。由于所涉及的压力更低，因此液压扭力扳手系统有时被认为更加安全。与使用更低的操作压力相对应，液压扭力扳手需要泵送更大体积的液压流体，并需要通过棘轮机构使螺母和螺栓内的负载逐步趋同。因此，与螺栓张紧器的泵相比，扭力扳手的液压泵具有更大的设计流量。扭力扳手需要使用双输出泵，此类泵能够在其两个输出支路之间循环，以逐步地先驱动工具头(并因此带动螺母)正向转动，然后通过反向驱动工具而使得工具头复位，以供下一循环之用。因此，众所周知，螺栓张紧器所用的泵与扭力扳手不兼容，反之亦然。

本发明旨在解决和/或减缓现有螺栓张紧器的一项或多项问题，和/或提供有价值的替代方案。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种螺栓张紧器，包括负载单元，该负载单元包括至少一个活塞以及活塞缩回机构。该螺栓张紧器可包括与所述至少一个活塞流体连通的第一流体端口，该第一流体端口用于接收加压流体，以向所述至少一个活塞施加张紧力。所述活塞缩回机构可包括以能够实现操作的方式与所述至少一个活塞连接的第二流体端口，该第二流体端口用于接收加压流体，以向所述至少一个活塞施加回复力。该回复力与所述张紧力相反。

发明人已经发现，通过在螺栓张紧器上设置两个流体端口，可使得螺栓张紧器能够与两个流体源连接，并沿两个方向(如相反方向)驱动活塞。如此，实现一种可通过例如在流体泵动力的作用下操作而驱动及缩回活塞的机构。通过这种方式，该工具能够在张紧操作后且例如在被取下前快速复位，并随时允许重新设置于其他位置，其中，这一过程可根据需求重复任意次数。类似地，该工具随后可按照逐步方式操作，以分为多步提高螺栓的张紧程度，而非执行单个张紧步骤。所述两个流体源可由单个双输出泵提供，例如由传统扭力扳手所用的双输出泵提供。

所述至少一个活塞包括位于所述负载单元内的活塞腔中的活塞头。所述螺栓张紧器可进一步包括歧管，该歧管用于将来自所述第一流体端口的流体在所述活塞头的第一侧引至所述活塞腔。所述活塞缩回机构可用于将来自所述第二流体端口的流体在所述活塞头的相对一侧引至所述活塞腔。

在一系列实施方式中，所述至少一个活塞包括第一活塞和第二活塞。所述歧管可用于将所述第一流体端口连接至所述第一和第二活塞。

发明人已经发现，如果传统螺栓张紧器在用于传统扭力扳手的低压(如大约700巴)下操作，则该螺栓张紧器所施加的总作用力将成比例地减小。对于在低压下操作的螺栓张紧器而言，如欲向螺栓施加相同的总作用力，则活塞的有效面积必须成比例地增大。出于这一点，发明人已经发现，可通过将双活塞或多活塞设计与低压流体源相结合而实现与传统的1500巴螺栓张紧器所能达到的螺栓张紧程度同等的高张紧程度。由于低压流体泵的流量远远大于高压流体泵，因此这一做法具有使张紧步骤的进行速度快于使用高压流体泵时的张紧步骤的优点。此外，在低压下可以实现相同的动力输出，因此这一做法还具有低压系统的高安全性的优点。

在一系列实施方式中，所述负载单元包括主体，该主体包括所述至少一个活塞的至少一个活塞腔。所述负载单元可包括所述第一和第二活塞各自的第一和第二活塞腔(例如，所述主体可包括第一和第二活塞腔)。在此类实施方式中，所述主体可以为单一部件(例如由单个坯件或工件加工而成)，其内一体成型有第一和第二活塞腔，从而最大程度减少失效点。所述负载单元可包括位于所述第一和第二活塞腔之间的肩部，该肩部可与所述主体的其他部分一体成型。所述肩部的第一侧可形成所述第一活塞腔的一个表面(如顶面)，而所述肩部的第二侧可形成所述第二活塞腔的一个表面(如底面)。所述肩部可构成限制所述第一和/或第二活塞移动的机械限位件。所述肩部可限制所述第一和/或第二活塞沿张紧方向以及沿缩回方向的移动。例如，所述肩部可构成限制所述第一活塞沿张紧方向的移动且限制所述第二活塞沿缩回方向的移动(反之亦然)的机械限位件。

在一系列实施方式中，所述负载单元包括一体成型于所述主体内的歧管。所述第一和第二流体端口可形成于所述主体内，或与其连接。所述歧管可包括延伸穿过所述主体的壁的多个流体路径。在一系列实施方式中，所述流体路径可通过钻孔或铣削工艺形成于所述主体中。所述流体路径可与所述第一活塞腔(可选地，以及所述第二活塞腔)同时形成于所述主体中。

在一系列替代实施方式中，所述歧管可包括与所述主体的壁连接的独立部件。所述负载单元可包括由第一材料制成的主体。所述歧管可由第二材料制成。所述歧管可通过一个或多个机械紧固件与所述主体连接。所述机械紧固件可包括任何合适的机械紧固件，如螺栓或机械螺丝。

在上述两系列的实施方式中，所述第一和第二流体端口可位于所述歧管上。所述第一和第二流体端口可包括软管接头。所述软管接头可通过相互配合的螺纹部分与所述歧管连接。所述歧管可包括穿过该歧管的一个或多个通路。所述一个或多个通路可将所述第一和第二流体端口连接至所述活塞腔。在所述螺栓张紧器包括第二活塞的实施方式中，可选地，所述一个或多个通路可进一步将所述第一和/或第二流体端口连接至其内设置所述第二活塞的第二活塞腔。所述歧管内的通路可与形成于所述主体内的通路相连接。所述歧管和主体内的通路可与所述机械紧固件的轴线平行或相邻。

在包括一体成型歧管的实施方式中，所述负载单元可包括轻质金属或合金。在包括独立歧管的实施方式中，所述第一材料可包括轻质金属或合金。所述第一材料可以为“轻质”材料，其中，“轻质”是指该材料的密度低于所述第二材料。所述轻质金属或第一材料可以为铝。或者，所述轻质金属或第一材料可以为钛。由于轻质金属可大幅减小所述螺栓张紧器的重量，因此优选轻质金属。

在包括独立歧管的实施方式中，所述第二材料可包括强度高于所述第一材料的材料。所述第二材料可以为钢，如低碳钢。该钢可以为BS 970钢，或者ASTM A29钢或JIS G4103钢等任何类似等级的低碳高张力钢。或者，所述第二材料可以为镍基合金。由于钢的强度足以在高压液压应用中通过螺纹部分安全地连接至所述软管接头，因此优选使用钢。如此，此类实施方式能够安全地减小所述螺栓张紧器的重量，而不存在由铝等轻质材料形成螺纹连接的风险。

在一系列实施方式中，所述第一和第二活塞可彼此同轴设置，以例如形成堆叠构造。“同轴”一词是指所述活塞、所述螺栓张紧器及/或所述待张紧螺栓的纵向轴线。轴向可指所述第一和第二活塞的移动轴线。通过将所述第一和第二活塞堆叠在一起，可大幅提升两个活塞组合后的总有效面积，而同时不增大所述至少一个活塞的直径和/或所述螺栓张紧器的尺寸或宽度。这一点对于将螺栓紧密设置于一起且供螺栓张紧器所用的空间有限的风力涡轮机及石油天然气行业而言尤其具有价值。

所述螺栓张紧器可包括连接所述第一和第二活塞的活塞连接件。所述活塞连接件包括螺纹和/或互锁结构，该螺纹和/或互锁结构用于与所述第一和/或第二活塞上的相应螺纹和/或互锁结构接合。在一些实施方式中，所述第一活塞、第二活塞及活塞连接件可一体成型。在一系列实施方式中，所述第一活塞和活塞连接件一体成型且通过螺纹与所述第二活塞连接。所述活塞连接件确保所述第一和第二活塞同时移动。所述活塞连接件可包括管轴。该管轴可用于将螺栓连接装置的至少一部分容纳于其中。所述活塞连接件可以更换。例如，所述活塞连接件可制成一系列的不同尺寸，以与一系列不同尺寸的螺栓连接装置相对应。所述肩部可包括用于例如在所述第一和第二活塞之间与所述活塞连接件形成密封和/或密封于其上的密封件。

所述活塞缩回机构可用于将来自所述第二流体端口的流体仅引至所述第一和第二活塞当中的一者(如所述第一活塞)。举例而言，所述第一流体端口可与所述第一和第二活塞腔连接，而所述第二流体端口可仅与所述第一活塞腔连接。这一构造极为有利，其原因在于，通过将所述第一和第二活塞彼此相连，仅需沿缩回方向驱动其中一个活塞，便可使两个活塞缩回。由于仅需充入一个活塞腔，因此减小了活塞驱动所需要的流体体积。例如，当所述第一和第二活塞具有相同有效面积时，沿缩回方向驱动单个活塞所需的流体体积大约为沿张紧方向驱动两个活塞所需流体体积的一半。当流体泵的流量不变时，缩回操作所需的时间为沿张紧方向驱动活塞所需时间的一半。在实际使用过程中，流体泵的流量随压力输出的增大而减小。由于活塞沿缩回方向移动时仅遭受较小的阻力(其原因在于，需要在活塞的另一侧驱动残余流体)，因此活塞的缩回操作无需使用较大的作用力，因此也无需使用高压。因此，缩回操作中的移动速度远快于张紧操作中的移动速度。

在一系列实施方式中，所述至少一个活塞可包括液压活塞。所述活塞缩回机构可通过液压方式驱动。由于螺栓张紧应用一般涉及较高的张紧力，因此液压方式优于气动方式。

在一系列实施方式中，所述至少一个活塞可具有30mm以内的冲程长度(也就是说，最大冲程长度为30mm)。或者，在一些实施方式中，所述冲程长度可大于30mm。应该理解的是，螺栓可能在达到活塞的最大冲程长度之前，便已实现所需的张紧程度。通过提供冲程长度为30mm以内(或大于30mm)的活塞，可通过单个张紧步骤快速实现所需的螺栓张紧程度。

在一些实施方式中，所述冲程长度可以为25mm以内，20mm以内，15mm以内，12mm，或10mm以内。所述螺栓张紧器可制成一系列不同的尺寸，其中，每一尺寸下螺栓张紧器的活塞具有相应的冲程长度。例如，“小型”螺栓张紧器的活塞可具有10mm的冲程长度，“中型”螺栓张紧器的活塞可具有20mm的冲程长度，“大型”螺栓张紧器的活塞可具有30mm的冲程长度，“超大型”螺栓张紧器的活塞可具有大于30mm的冲程长度。传统螺栓张紧器一般具有15mm以下的活塞冲程长度，但针对某些应用的部分张紧器具有更大的冲程长度。在本发明的一些操作模式中，本文公开的螺栓张紧器可逐步增大螺栓的张紧程度，因此无需较大的冲程长度。其冲程长度仅需长至足以应付螺栓发生的任何弹性伸展且能够增大其张紧程度即可。如此，可以最大程度减小活塞腔的高度，从而最大程度减小螺栓张紧器的高度。通过这种方式，本公开的螺栓张紧器以及这一操作模式可比传统螺栓张紧器尺寸更小且重量更轻(从而在使用过程中更为便携且更加容易操作)。

在其他实施例中，所述至少一个活塞可具有大于15mm的冲程长度。此类实施例可用于需要较大螺栓伸长量(与需要较大张紧力的情形相对)的螺栓张紧器应用，如连接处顺应性较大的应用。对于这些应用，所述活塞可具有10mm～50mm的冲程长度。与上述各系列的实施方式类似，针对此类应用的螺栓张紧器可制成一系列不同的尺寸，其中，每一尺寸下螺栓张紧器的活塞具有相应的冲程长度。例如，“小型”螺栓张紧器的活塞可具有10mm的冲程长度，“中型”螺栓张紧器的活塞可具有15mm的冲程长度，“大型”螺栓张紧器的活塞可具有30mm的冲程长度，“超大型”螺栓张紧器的活塞可具有50mm的冲程长度。

所述螺栓张紧器可进一步包括桥连件，该桥连件构造为延伸于螺母和待张紧螺栓之外和/或四周，且坐抵所述螺母和螺栓所在的表面。该桥连件可包括用于容纳螺母转动套的内腔，所述螺母转动套用于与螺母接合。

所述桥连件可能够与所述负载单元连接或一体成型。所述桥连件可通过分别形成于该桥连件和所述负载单元上相互配合的螺纹而能够与所述负载单元连接。所述桥连件可构造为形成所述至少一个活塞的表面。例如，所述桥连件可形成活塞腔的一部分(例如，形成其底面)。所述桥连件可包括用于密封至所述负载单元的壁上的第一密封件。例如，所述桥连件可包括密封至所述主体的壁上的第一密封件。所述桥连件可包括用于与所述至少一个活塞的一部分形成密封的第二密封件。所述至少一个活塞可包括活塞尾部，该活塞尾部延伸超过所述第二密封件，以限定出所述至少一个活塞的部分活塞腔。所述活塞尾部和第二密封件可构造为使得该活塞尾部可相对于所述第二密封件轴向滑动。以所述桥连件提供所述活塞腔的表面(如底面)的优点在于，可免于使所述负载单元具有此类底面，从而减小所述至少一个活塞的总高度，并因而减小螺栓张紧器的总高度。此外，所述桥连件可构成限制所述第一和/或第二活塞例如在活塞缩回时移动的机械限位件。所述桥连件可构成限制所述第一活塞沿缩回方向移动的机械限位件，而且可选地，所述肩部可同时构成限制所述第二活塞沿缩回方向移动的机械限位件。如此，可实现缩回过程中所施加作用力的分布，从而避免对所述桥连件造成损坏，并因而避免对所述第一活塞腔造成损坏。

在一系列实施方式中，所述桥连件在与所述第一活塞相邻之处连接至所述主体，也就是说，所述第一活塞可以为与所述桥连件相邻和/或位于所述桥连件与所述肩部之间的活塞。所述第一活塞可位于最靠近所述螺母和/或螺栓之处以及/或者最远离所述螺栓连接装置头部之处。

所述螺栓张紧器可进一步包括用于在使用过程中向螺母提供扭矩的螺母驱动机构。所述螺母驱动机构可位于所述桥连件内或与其相邻。所述螺母驱动机构可用于以自动方式转动螺母转动套，并且/或者可用于以自动方式直接转动螺母。所述螺母驱动机构可包括马达，如电动马达。或者，所述螺母驱动机构可通过液压或气动方式驱动。

所述螺栓张紧器可进一步包括用于与待张紧螺栓接合的螺栓连接装置。所述螺栓连接装置可包括用于与活塞接触或由其驱动的驱动表面。所述螺栓连接装置可包括用于与所述待张紧螺栓上的相应螺纹啮合的螺纹部分。在一些实施方式中，所述螺栓连接装置可以为拼合螺母类型的螺栓连接装置。例如，该螺栓连接装置包括两个以上的螺栓连接装置部分，这些螺栓连接装置部分能够彼此相对移动，而且可拼合在一起，以锁定在置于其之间的螺栓上。在一些实施方式中，所述螺栓连接装置可包括螺栓连接杆组件，该螺栓连接杆组件包括可与螺栓连接的第一部分以及包括所述驱动表面的第二部分，其中，所述第一和第二部分可通过彼此配合的螺纹连接。所述第二部分可以为反作用螺母。所述第二部分可包括安全断裂构件，该安全断裂构件用于在所述螺栓连接杆组件在达到疲劳寿命时，确保所述螺栓连接装置的安全失效。所述螺栓连接杆组件可通过将该工具内的合应力(由张紧过程中产生的作用力引起)沿轴向分散，而非沿侧向分散，从而大大减小所述螺栓张紧器的尺寸。

所述螺栓张紧器可进一步包括用于在使用过程中向所述螺栓连接装置施加转矩的螺栓连接装置驱动机构。所述螺栓连接装置驱动机构可用于以自动方式转动螺栓连接装置。所述螺栓连接装置驱动机构可包括马达，如电动马达。或者，所述螺栓连接装置驱动机构可通过液压或气动方式驱动。

在一系列实施方式中，所述螺栓张紧器包括可手动驱动的螺母转动套和/或可手动驱动的螺栓连接装置。

根据本发明的第二方面，提供一种用于张紧螺栓的螺栓张紧器系统，包括：本文所述的一个或多个螺栓张紧器；以及包括至少两个输出进液支路的一个或多个流体泵。

通过使用具有至少两个输出进液支路的流体泵，可使用单个泵沿张紧和缩回方向驱动活塞。所述流体泵可以为扭力扳手泵。所述流体泵可由操作人员手动控制，以例如在流体端口之间切换，并从而在沿张紧和缩回方向驱动所述至少一个活塞的操作之间切换。在一些实施方式中，所述流体泵可用于在所述张紧操作完成后，将流体自动泵入所述第二流体端口。举例而言，在所述张紧操作完成后，活塞可以自动回复至其起始位置，从而使得所述螺栓张紧器能够从螺栓上取下，并重新设置，以供后续张紧操作之用。

在一些实施方式中，所述流体泵可用于在各输出进液支路之间自动循环。如此，所述流体泵可驱动所述螺栓张紧器在张紧方向与缩回方向之间自动循环。通过这种方式，螺栓张紧器系统操作人员无需控制所述泵，而是按照需求对所述螺母和/或螺栓连接装置进行拧紧，以逐步增大螺栓的张紧程度，直至达到目标张紧程度。

在一系列实施方式中，所述流体泵可具有1000巴的最大输出压力。可选地，所述流体泵可具有900巴、850巴、800巴、750巴或700巴的最大输出压力。在一种实施方式中，所述流体泵具有700～800巴(70～80MPa)的最大输出压力。

在一系列替代实施方式中，所述流体泵可具有800～1600巴的最大输出压力。例如，所述流体泵可具有1200～1600巴或1300～1500巴的最大输出压力。

在又一系列替代实施方式中，所述流体泵可具有高于1600巴的最大输出压力。

根据本发明的第三方面，提供一种螺栓张紧方法。该方法可包括：将螺母与螺栓相啮合。该方法可包括：将本文所述的螺栓张紧器与所述螺栓连接。该方法可包括：执行张紧操作。该张紧操作包括：操作所述螺栓张紧器以提高所述螺栓的张紧程度，张紧程度的提高量小于目标张紧程度；拧紧所述螺母；以及缩回所述活塞。该方法可包括：重复所述张紧操作，直至达到所述目标张紧程度。

该方法尤其有优势的一点在于，其将张紧过程分成多个非连续步骤。在张紧螺栓时，所述螺栓张紧器必须首先克服螺栓组件例如因连接处表面的顺应性以及因螺栓螺纹的拉伸而产生的任何弹性拉伸。如果未能实现这一点，一旦张紧力解除后，螺栓组件将发生松弛，并减小其张紧程度，从而最终无法达到提高螺栓张紧程度的效果。在使用通过单个步骤完成张紧操作的传统工具时，需要将螺栓“过紧”，以使得在螺栓组件松弛后达到目标张紧程度。例如，为了使螺栓组件松弛后螺栓张紧程度能够接近目标张紧程度的100％，可能需要向螺栓施加与目标张紧程度的110％相对应的张紧力。额外所需的10％的过紧程度，尤其对于需要将螺栓张紧至极其接近其材料失效极限的组件而言，意味着这一做法可能较为危险，或者甚至无法通过此类现有工具完成。

发明人已发现，通过将目标张紧程度分解为较小的步长，可在绝对意义上减小所需的过紧程度，从而降低操作人员的风险，并能够安全地将螺栓张紧至接近螺栓材料失效极限的张紧程度。如上所述，由于本文所述螺栓张紧器能够使用扭力扳手所用的大流量流体泵，因此其张紧过程所需的时间可大致与采用单个张紧步骤的传统螺栓张紧器相同。

本发明的另一优点在于，可以减轻且减少串扰效应(也称弹性相互作用)。在通过多个螺栓实现部件连接的栓紧应用中，尤其在连接处包含垫圈的栓紧应用中，连接处以及螺栓本身的弹性意味着施加至张紧程度最高的螺栓上的负载将传递至张紧程度最低的螺栓上，从而可使得之前具有正确张紧程度的螺栓在后续螺栓的张紧过程中发生松弛，并因此需要进行重新张紧，以使其具有正确的负载。传统上，这一问题通过如下方式进行缓解：按照特定顺序张紧各螺栓，以使得连接处的负载分布尽可能均匀；以及将最初张紧的螺栓重新张紧至其最终负载之上，从而使得其在松弛后，达到最终的张紧负载。然而，这里做法并不一定可行(例如，当需张紧至接近螺栓材料失效极限附近时不可行)。在此类情形中，必须进行一系列“轮次”的张紧，以逐步提高负载，直至所有螺栓获得正确的张紧负载。此类过程较为缓慢，而且需要多个轮次。

在本发明中，由于张紧操作分为多步，因此可在“第一轮”中即将所有螺栓安全地张紧至其最终张紧负载附近。在随后的“第二轮”中，由于螺栓张紧程度(在绝对意义上的)的增大量已大幅减小，因此整个连接处的螺栓张紧程度的差异较小，即串扰效应大幅减小。如此，仅需较少的轮次，便可使连接处的各螺栓达到正确的张紧程度。

在一系列实施方式中，螺母的拧紧可由螺母驱动机构以自动方式进行。可选地，该方法可进一步包括：通过螺栓连接装置驱动机构，以自动方式将与螺栓连接的螺栓连接装置拧紧。

附图说明

以下，参考附图，仅以举例方式描述本发明的实施方式。附图中：

图1为螺栓张紧器的透视图；

图2为图1螺栓张紧器沿A-A平面的截面图；

图3为图1螺栓张紧器在部分拆解状态下的透视图；

图4为图2截面图的部分放大图；

图5为图1螺栓张紧器沿B-B平面的截面图；

图6为螺栓张紧器系统的示意图；

图7为螺栓张紧方法的流程图；

图8为螺栓张紧器的透视图；

图9为图8螺栓张紧器沿C-C平面的截面图；

图10为图8螺栓张紧器沿D-D平面的截面图。

具体实施方式

本发明示于附图中，附图旨在例示说明，不在于构成限制。附图中，类似标号旨在表示类似或相应部件。

图1和图2所示为螺栓张紧器1。螺栓张紧器1具有螺栓连接装置10，桥连件20，以及位于其之间的负载单元30。在使用过程中，桥连件20以坐抵于环绕在螺母外侧的平坦表面上的方式延伸于螺母及待张紧螺栓(未图示)之外。

螺栓连接装置10设于负载单元30上端，并伸入负载单元30内。螺栓连接装置10具有T形截面，并包括杆部11和凸缘12。杆部11为管状，并包括平滑内孔部分11a以及用于与待张紧螺栓上的螺纹连接的螺纹部分11b。凸缘12自杆部11径向垂直延伸。凸缘12上绕其周向设有一系列开孔13，这些开孔均设于杆部11的径向上。开孔13伸入凸缘12中，并用于容纳撬棒或其他合适杆状物等工具，以驱使螺栓连接装置10转动，从而使得螺纹部分11b上的内螺纹与待张紧螺栓上的相应螺纹啮合。

负载单元30具有与歧管34连接的圆柱形主体31。歧管34具有一系列紧固件开孔37，这些开孔供机械紧固件(未图示)穿过，以将歧管34固定在圆柱形主体31上。歧管34设有第一流体端口33和第二流体端口35，每一端口具有用于固定从液压流体泵(未图示)等流体泵伸出的软管的软管接头。

负载单元30内设有第一活塞41和第二活塞45，第一活塞41由第一活塞腔42和第一活塞头43形成，第二活塞45由第二活塞腔46和第二活塞头47形成。第一活塞41和第二活塞45均为环状。类似地，第一活塞腔42和第二活塞腔46也均为环状。活塞头43，47和活塞腔42，46的尺寸使得每一活塞头43，47可分别在其活塞腔42，46内轴向移动。相应地，环状活塞腔42，46及活塞头43，47延伸于螺栓连接装置10外表面的周侧。

第一活塞头43设有一体成型的活塞连接件44。活塞连接件44为轴向延伸于第一和第二活塞头43，47之间的管轴。活塞连接件44和第二活塞头47设有将第二活塞头47连至活塞连接件44的相互啮合结构。相互啮合结构包括形成于活塞连接件44圆周表面上的第一螺纹48a以及形成于第二活塞头47的相邻圆周表面上的相应螺纹48b。如此，通过螺纹48a，48b，将活塞连接件44和第二活塞头47锁定于一起。

在替代实施方式中，将第二活塞头47连接至活塞连接件44的相互啮合结构可具有另一不同形式。例如，相互啮合结构可具有形成于活塞连接件中的内凹结构以及形成于第二活塞头相邻表面上的相应外凸结构。内凹结构可以为绕活塞连接件44周向形成的环槽，而外凸结构48b可以为伸入内凹结构48a中的环齿。内凹结构和外凸结构可部分地绕活塞连接件和第二活塞头延伸，并且/或者可设置多个内凹结构和外凸结构。在其他替代实施方式中，相互啮合结构可包括任何其他合适的机械紧固装置。

在其他替代实施方式中，活塞连接件与第二活塞头一体成型，并通过上述相互啮合结构连接至第一活塞头，或者活塞连接件为通过相互啮合结构连接至第一和第二活塞头的分立部件。

如此，活塞连接件44环绕于螺栓连接装置10的外侧，并具有允许活塞连接件44和螺栓连接装置10相对轴向移动的光滑内表面44a。第二活塞头47和活塞连接件44的顶面形成抵于凸缘12底面上的单个均一表面。通过使用螺纹和/或相互啮合结构，可使得活塞连接件44例如在损坏时或为了适应不同尺寸的螺栓连接装置10而需要更换不同尺寸的活塞连接件44时易于更换。活塞连接件44确保第一和第二活塞41，45彼此连接，而且当作有效面积与第一活塞头43和第二活塞头47的总有效面积相等的单个活塞使用。

进一步参考图3，桥连件20通过固定机构21连接至负载单元30。固定机构21为卡合机构，并且包括伸入形成于负载单元20底面的相应负载单元开口24内的壁23。固定机构21具有沿周向设于壁23上的一系列卡臂22a，这些卡臂用于与负载单元开口24内的相应卡臂22b卡合。在连接负载单元30和桥连件20时，先将壁23插入负载单元开口24内，然后通过旋转桥连件20，使卡臂22a，22b对齐。如此，固定机构21能够防止桥连件20移动，直至桥连件20被反向转动至其先前方位。具有图3所示形式的固定机构21的另一项益处在于，卡臂22a，22b能够实现桥连件20与负载单元30之间的牢固连接。在例如如图9和图10所示的替代实施方式中，可以相互配合的螺纹替代卡臂。在无法实现此类牢固连接时，当欲将活塞推进至最大冲程且活塞内产生压力时，或者桥连件20在螺栓未与螺栓连接装置10连接的情况下缩回时，桥连件20可能会与负载单元30断开。由此可见，当操作人员在高压下且/或螺栓未设置到位的情况下对活塞产生误操作时，固定机构21可对螺栓张紧器1加以保护，并确保操作人员的安全。

如图2所示，桥连件20具有其内设有螺母转动套27以及工具插孔28的内腔26，工具(未图示)可穿过工具插孔28与螺母转动套27接合，以驱使其转动。用于驱使螺母转动套27转动的工具可以为手动工具(如撬棒等杆状物)或动力工具(如电动、气动或液压螺母驱动机构)。

以下，参考图4和图5，对歧管34以及螺栓张紧器1的操作进行描述。在此两图中，螺栓张紧器处于活塞头43，47部分外伸(即处于完全伸出和完全缩回的极限位置之间)的过渡姿态。

图4为沿图1中A-A平面的截面图，该图示出了张紧方向(即增大施加至螺栓上的张紧力的方向)的流体路径。第一流体端口33通至与负载单元30连接的歧管34。歧管34具有第一通道34a，第一通路34b以及第二通路34c。第一通道34a沿歧管34延伸，并与第一通路34b流体连接。第一通路34b与第一活塞腔42连接，第二通路34c与第二活塞腔46连接。当液压流体等加压流体泵入第一流体端口33时，歧管34通过第一通道34a、第一通路34b及第二通路34c将其引流至第一和第二活塞41，45，以沿张紧方向(即箭头所示的X方向)轴向驱动活塞。第二活塞头47抵于螺栓连接装置10的凸缘12底面上，以将其向上驱动，从而向螺栓连接装置11的螺纹部分11b所连接的螺栓2上施加张紧力。活塞连接件44将第一活塞头43的作用力经活塞连接件44的顶面以及与活塞连接件44连接的第二活塞头47的顶面传递至螺栓连接装置10。在一些实施方式(未图示)中，活塞连接件44不直接抵于凸缘12上，第一活塞41的作用力转而先传递至活塞连接件44，然后进一步传递至与凸缘12接触的第二活塞头47。在其他替代实施方式中，第二活塞头47可不与凸缘接触，所有作用力转而经活塞连接件44传递。在图示实施方式中，通过使第二活塞头47和活塞连接件44的顶面彼此共面，可实现一种使活塞41，45的作用力大面积分布的简单方式，从而减少活塞头47和/或活塞连接件44的任何剪切应变。

现在参考图5，该图为螺栓张紧器1沿B-B平面的截面图，示出了缩回方向的流体路径。

第二流体端口35也通至歧管34。歧管34具有第二通道36a，该第二通道沿歧管34延伸，并与连接至第一活塞腔42的第三通路36b流体连接。第三通路36b在第一活塞头43的与第一通路34b相对的另一侧连接至第一活塞腔42。当液压流体等加压流体泵入第二流体端口35时，其被引至第一活塞41，以沿缩回方向(即图5所示朝下的Y方向)对其进行轴向驱动。

进一步参考图1和图2，如图所示，通路34b，34c，36b延伸通过歧管34，并在与紧固件开孔37相邻的位置延伸通过负载单元30的圆柱形主体31。沿第一至第三通路34b，34c，36b，在歧管34与圆柱形主体31相接的位置设有垫圈38。歧管34由螺栓或机械螺丝等穿过紧固件开孔37且伸入圆柱形主体31内的机械紧固件(未图示)保持到位。紧固件的挤压力与垫圈38相结合，实现一种适当的密封作用，其防止螺栓张紧器1内使用的高压液压流体发生任何泄露。如此，高压流体导致的应力作用于将歧管保持到位的紧固件上，而非作用于第一至第三通路的紧邻结构上。第一和第二流体端口33，35具有与歧管34螺纹啮合的软管接头。

发明人发现，这一构造使得歧管34和圆柱形主体31分别以不同材料制造。具体而言，这一构造确保流体端口33，35与歧管34之间的螺纹连接由高强度材料(如钢)实现，并允许圆柱形主体31以强度较低的材料(如铝或钛)制成。歧管可由低碳钢(如BS970钢，或者ASTM A29钢或JIS G4103钢等任何类似等级的低碳高张力钢)或镍基合金制成。与含钢制主体的螺栓张紧器相比，铝的密度相对较低，因此能够大幅减小螺栓张紧器的总重量。此外，这一构造还确保流体端口(如螺纹软管接头)形成于该工具的材料强度最高的部分中。

应该理解的是，本文所述的螺栓张紧器1可与任何现有高压流体泵组合使用。螺栓张紧器1尤其可与传统双输出流体泵(如旨在用于扭力扳手的双输出流体泵)组合使用。扭力扳手所用的泵一般具有700～800巴(70～80MPa)的最大输出压力。螺栓张紧器1能够与此类泵组合使用的原因在于，上述双活塞构造比传统的单活塞螺栓张紧器具有更大的有效活塞面积。

现在参考图6，该图为包括一系列上述螺栓张紧器1a，1b，1c，1d的螺栓张紧器系统的分解图。所有的螺栓张紧器1a～1d均通过第一软管133和第二软管135连接至液压泵100。第一和第二软管133，135由多个软管段构成且由软管接头104连接。每一软管接头104均用于连接至其中一个螺栓张紧器1a～1d的第一和第二流体端口33，35，并设有用于连接至另一对软管段的额外端口。如此，第一和第二软管133，135与软管接头104形成一种菊花链装置，并且可将来自单个泵100的液压流体同时提供给多个螺栓张紧器，从而可同时实现多个螺栓2的张紧，并加快原位张紧过程。

以下将描述螺栓张紧器1的操作方法。

在使用过程中，螺栓张紧器1以使螺栓2伸入负载单元30内且使螺母3容纳于桥连件20内的螺母转动套27内的方式置于组装在一起的螺母3和螺栓2的外侧。螺栓连接装置10的螺纹部分11b螺于螺栓2之上，直至其抵在第二活塞45上。提供双输出流体泵使其两支输出软管分别连接第一和第二流体端口33，、35。如此，螺栓张紧器1即完成运行前的准备工作。

操作人员通过向第一流体端口35供应加压流体而将活塞41，45加压，以启动张紧操作。活塞41，45向上移动，将螺栓连接装置10提起，从而提高螺栓2的张紧程度，直至达到所需的张紧程度。随后，操作人员通过如下两种方式之一，将螺母3拧紧：(一)将杆状物伸入螺母转动套27且通过施加作用力而转动螺母转动套27和螺母3的手动方式；(二)操作自动螺母驱动机构。在此之后，操作人员向第二流体端口35施加加压流体，直至活塞41，45完全缩回。其后，可将螺栓张紧器1从螺栓2上取下，并可根据需要，将其置于另一螺栓上，以供进行后续张紧操作。

以下，参考图7，并结合图4和图5，描述螺栓张紧器1的另一操作方法。首先，按照上述方式，将螺栓张紧器装于螺栓之上。随后，操作人员向第一流体端口供应51加压流体，以将活塞加压，从而启动张紧操作50。第一活塞41向上移动(可选地，第二活塞45也向上移动)，提起螺栓连接装置10，从而将螺栓2部分张紧。

此后，操作人员通过如下两种方式之一，将螺母3拧紧：(一)将杆状物伸入螺母转动套27且通过施加作用力而转动螺母转动套27和螺母3的手动方式；(二)操作自动螺母驱动机构。由于螺栓2未完全张紧，因此只需将螺母3拧过较小的转动量，便可达到无需进一步转动的程度。

之后，操作人员释放第一流体输出支路的进液压力，并向第二流体端口供应55第二泵输出支路的流体，从而驱动第一活塞41向下移动，即沿缩回方向Y移动。在具有两个活塞的实施方式中，由于活塞41,45由活塞连接件44连接，因此活塞41,45同时缩回。由于活塞41,45沿缩回方向移动时所受的阻力较小，而且由于来自第二流体端口35的流体仅供应至第一活塞腔42，因此缩回过程中的移动速度大于张紧过程中的移动速度。当活塞41,45不再向螺栓2施加作用力时，螺栓2能够弹性松弛。由于螺母3已在先前步骤中部分拧紧，因此螺栓2无法松弛至其原始位置和张紧程度，从而最终使得螺栓的张紧程度得到增大。

随后，将螺栓的张紧负载与目标张紧程度相比较57。其中，螺栓的张紧负载等于活塞向其施加的作用力减去张紧力移除后因螺栓松弛而发生的任何损失。随着螺栓张紧负载的增大，流体泵所提供的流体压力也相应增大。由于松弛量为可预测的量，因此可根据张紧步骤中的最终流体压力，容易地计算出螺栓的张紧负载。相应地，流体泵、螺栓张紧器1或控制器可自动计算出螺栓的当前张紧程度，或者将张紧负载显示于显示器上，以供操作人员查看。

为了确定螺栓的张紧负载是否已达到目标张紧程度，可以进行相应检查59。该检查可由操作人员执行，或者通过控制器自动执行。

当螺栓的张紧负载小于目标张紧程度时，可通过如下两种方式之一，将螺栓连接装置拧紧61：(一)将杆状物伸入螺栓连接装置且向其施加作用力的手动方式；(二)操作自动螺栓连接装置驱动机构。由于仅需较小地提高张紧程度，因此螺栓连接装置仅需拧过较小的转动量，便可因凸缘12与活塞接触而无法继续转动。

之后，重复上述过程，直至螺栓张紧负载达到目标张紧程度，从而完成63这一操作。随后，可将螺栓张紧器1从螺栓上取下。

在进一步的方法中，流体泵可用于在第一和第二流体输出支路之间往复循环，从而使得螺栓张紧器1在张紧操作和缩回操作之间重复循环。如此，操作人员可向螺母上施加相对连续的作用力。其中，螺栓张紧时，拧动螺母；而当活塞41,45缩回，螺栓上未施加张紧力时，螺母不发生转动。类似地，在螺栓松弛后，操作人员可在螺栓连接装置10上施加相对连续的作用力，以将螺栓连接装置10逐步拧紧至螺栓上。如上所述，可以通过自动驱动机构，简化螺母和螺栓连接装置10的拧紧过程。

可以理解的是，达到目标张紧程度之前所需的张紧操作次数，取决于组装要求以及操作人员的偏好。操作人员可能希望通过两个相同步长的张紧步骤达到上述目的。在该情形中，每一步骤可将螺栓的张紧程度提高目标张紧程度的50％。作为替代方案，还可通过例如由3个、4个、5个、10个或更多个分立步骤组成的一系列相同步长的步骤达到目标张紧程度。

同样地，还可通过步长不同的张紧操作实施上述方法。其中，该方法可在最初步骤中使用较大的步长，并在后续步骤中使用较小的步长。这一做法可能较有优势，其原因在于，可以先快速地达到大部分的所需张紧程度，然后由于所需要的绝对过载量降低，因此可通过较小的步长将螺栓张紧程度提高至目标张紧程度。在进一步的方法中，最初的张紧步骤可主要涉及消除连接处(如当螺栓用于连接两个带有法兰的部件时)的顺应性，其中，在操作的初始阶段，两个法兰表面之间可能会发生初始沉降。因此，最初的张紧步骤可能因抵消连接处顺应性的消失而仅少量地提高螺栓的张紧程度。在此类情形中，由于螺栓张紧程度的提升速度先慢后快，因此张紧程度随时间变化的曲线图将呈上扬曲线形状。类似地，在与趋近目标张紧程度时较小的张紧步长结合后，由于张紧程度在整个过程的开始和结尾时的上升速度更慢，因此曲线图将呈S形。总之，该方法可通过修改而符合操作人员的要求以及具体的工程要求。

图8至图10所示为螺栓张紧器100。螺栓张紧器100的许多部件和特征与螺栓张紧器1相同，这些相同特征的说明见上。螺栓张紧器1具有螺栓连接装置10，桥连件120，以及位于其之间的负载单元130。在使用过程中，桥连件120以坐抵于环绕在螺母外侧的平坦表面上的方式延伸于螺母及待张紧螺栓(未图示)之外。桥连件120通过固定机构121与负载单元130连接。固定机构121包括壁123，该壁伸入形成于负载单元130底面的相应负载单元开口内。固定机构121与图3所示不同，其区别在于，壁123具有螺纹表面，该螺纹表面用于与形成于主体131内壁下端部分上的相应螺纹表面啮合。应该理解的是，两种固定机构21，121均可与任一上述实施方式结合使用。

壁123上设有分别位于其两侧的一对环槽123a，用于在其内设置环状密封件(未图示)，以在壁与主体131和第一活塞141的尾部149之间形成密封。尾部149延伸超过相邻的环槽123a和环状密封件，以使得在第一活塞141的整个运动过程中一直保持密封。壁123的顶面构成第一活塞腔142的底面，以减小第一活塞141的总高度。

如图9和图10所示，与图1至图5实施方式类似，壁123，23与桥连件的上端一体成型。在替代实施方式(未图示)中，壁123，23可以为独立部件。在该情形中，作为独立部件的壁能够以与图示相同的方式与主体131连接，而且能够附接至桥连件上，所述附接例如通过机械紧固件实现，或者仅通过用于安装在桥连件上(反之亦然)的内凹结构实现。

如图9和图10所示，主体131设于第一和第二活塞头143，147的外周，并具有第一和第二活塞腔142，146。通过将两个活塞腔均设于主体31内，可最大程度减小部件数量，从而降低生产成本。同样如图2、图4和图5所示(但上文中尚未说明)，主体131的内表面上设有肩部132。肩部132将第一和第二活塞腔142，146分开，且一体成型于主体131中。在替代实施方式(未图示)中，肩部132通过机械紧固件与主体131连接。肩部132提供第一活塞腔142的顶面以及第二活塞腔146的底面，并具有环槽132a，该环槽用于在其内固定环状密封件(未图示)。肩部132构成物理限位件或屏障，以通过限制第一活塞头143的运动范围而防止各活塞的过度延伸。由于第二活塞头147与第一活塞头143连接，因此第二活塞头147被阻止过度延伸超过第二活塞腔146的边缘。由于螺栓张紧器1，100的操作液压压力较低(如700巴)，而且由于第一和第二活塞41，45，141，145施加在肩部132上的压力彼此平衡，因此肩部132可在保持各个活塞的同时，无需考虑材料失效的问题，也不需要设置释压阀。由此可见，肩部132的作用在于，作为一种防止对工具或螺栓造成损害的安全装置。

负载单元130具有泪滴形的主体131，该主体具有位于泪滴形状尖端处的一体成型歧管区域134。歧管134设有第一流体端口33和第二流体端口35，每一端口均具有如上所述的软管接头。图9所示为张紧方向的流体路径。第一流体端口33通至分别与第一和第二活塞腔142，146连接的第一和第二通路134a，134b。

如图10所示，第二流体端口35通至与第一活塞腔142连接的第三通路136。第三通路136在第一活塞头143的与第一通路134a相对的另一侧与第一活塞腔142连接。当液压流体等加压流体泵入第二流体端口35时，其被引至第一活塞141，以沿缩回方向对其进行轴向驱动。

对于螺栓张紧器1和螺栓张紧器100而言，通过设置将第二流体端口35连接至第一活塞41，141的歧管34，134，且通过对第一和第二活塞41，141，45，145进行连接，可以在无需向最上方的活塞施加作用力的情况下，实现各活塞的缩回。在现有技术中的已知螺栓张紧器中，一般通过弹簧或气动装置将最上方的活塞向缩回方向(即向下)偏置。该缩回机构需设置于最上方的活塞的上方，从而导致螺栓张紧器的高度显著增大。由此可见，本发明具有使各活塞能够自动缩回的益处，而且能够大幅减小高度。高度的减小具有减轻重量、降低生产成本、使得操作人员更加易于操作和安置该工具的优点。

Claims (22)

1.一种螺栓张紧器，其特征在于，包括：

负载单元，所述负载单元包括至少一个活塞以及活塞缩回机构；其中，

所述螺栓张紧器包括与所述至少一个活塞流体连通的第一流体端口，所述第一流体端口用于接收加压流体，以向所述至少一个活塞施加张紧力；而且其中

所述活塞缩回机构包括以可操作方式与所述至少一个活塞连接的第二流体端口，所述第二流体端口用于接收加压流体，以向所述至少一个活塞施加回复力，所述回复力与所述张紧力相反。

2.根据权利要求1所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述至少一个活塞包括位于所述负载单元内的活塞腔中的活塞头；而且

所述螺栓张紧器还包括歧管，所述歧管用于将来自所述第一流体端口的流体在所述活塞头的第一侧引至所述活塞腔；其中

所述活塞缩回机构用于将来自所述第二流体端口的流体在所述活塞头的相对一侧引至所述活塞腔。

3.根据权利要求2所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述至少一个活塞包括第一活塞和第二活塞；其中

所述歧管用于将所述第一流体端口连接至所述第一和第二活塞。

4.根据权利要求3所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述负载单元包括所述第一和第二活塞各自的第一和第二活塞腔，其中，所述负载单元包括位于所述第一和第二活塞腔之间的肩部。

5.根据权利要求2至4当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述负载单元包括主体，其中，所述歧管一体成型于所述主体内。

6.根据权利要求2至4当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述负载单元包括由第一材料制成的主体，而且

所述歧管由第二材料制成，且通过一个或多个机械紧固件与所述主体连接。

7.根据权利要求6所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述第一材料包括轻质金属或合金。

8.根据权利要求6或7所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述第二材料包括强度高于所述第一材料的材料。

9.根据权利要求3至8当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，包括连接所述第一和第二活塞的活塞连接件，所述活塞连接件包括螺纹和/或互锁结构，所述螺纹和/或互锁结构用于与所述第一和/或第二活塞上的相应螺纹和/或互锁结构接合。

10.根据权利要求3至9当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述活塞缩回机构用于将来自所述第二流体端口的流体仅引至所述第一和第二活塞当中的一者。

11.根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述活塞缩回机构通过液压方式驱动。

12.根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述至少一个活塞具有小于12mm的冲程长度。

13.根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，还包括桥连件，所述桥连件构造为延伸于螺母和待张紧螺栓之外和/或四周，且坐抵所述螺母和螺栓所在的表面。

14.根据权利要求13所述的螺栓张紧器，其特征在于，所述桥连件能够与所述负载单元连接，并且构造为形成所述至少一个活塞的表面。

15.根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，还包括用于在使用过程中向螺母提供扭矩的螺母驱动机构。

16.根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器，其特征在于，还包括：

用于与待张紧螺栓接合的螺栓连接装置；以及

用于在使用过程中向所述螺栓连接装置提供扭矩的螺栓连接装置驱动机构。

17.一种用于张紧螺栓的螺栓张紧器系统，其特征在于，所述系统包括：

一个或多个根据前述权利要求当中任何一项所述的螺栓张紧器；以及

包括至少两个输出进液支路的一个或多个流体泵。

18.根据权利要求17所述的螺栓张紧器系统，其特征在于，所述流体泵用于在各输出进液支路之间自动循环。

19.根据权利要求17或18所述的螺栓张紧器系统，其特征在于，所述流体泵具有800巴的最大输出压力。

20.一种螺栓张紧方法，其特征在于，所述方法包括：

将螺母与螺栓相啮合；

将根据权利要求1至16当中任何一项所述的螺栓张紧器与所述螺栓连接；

执行张紧操作，所述张紧操作包括：操作所述螺栓张紧器以提高所述螺栓的张紧程度，张紧程度的提高量小于目标张紧程度，拧紧所述螺母以及缩回所述活塞；以及

重复所述张紧操作，直至达到所述目标张紧程度。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述螺母的拧紧通过螺母驱动机构自动进行。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，还包括：利用螺栓连接装置驱动机构，自动拧紧螺栓连接装置。