CN203561575U - 一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，包括基座，基座上固定有试验台支撑件，试验台支撑件上安装有连接件，被测螺栓从连接件的下端穿入；被测螺栓的螺栓头部与连接件下底面之间还套设有螺栓套筒；被测螺母套装在被测螺栓的末端，被测螺母与连接件上表面之间套设有轴承支承装置；被测螺栓上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。本实用新型可以单独检测螺纹啮合面的摩擦系数，能够针对不同工程直径、不同等级、不同润滑方式、不同材料特性及不同预紧力等参数对螺纹啮合面摩擦系数进行测量。为工程技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据支持，降低螺栓预紧力的离散度，保障螺栓连接性能满足工程需求。
Description
技术领域
本实用新型属于摩擦系数检测试验装置领域，具体涉及一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置。
背景技术
螺纹连接因连接强度高、便于装拆且成本低廉，已成为机械系统装配环节中应用最典型、最广泛的连接方式之一，螺纹连接质量的好坏直接影响机械产品整体性能的优劣。从螺纹拧紧方法上分类，目前工程实际中扭矩法最为通用，但由于装配界面润滑、表面形貌、被连接件材料特性的差异，采用此方法往往导致所得的预紧力离散度较大，极大限制了其在一些关键零部件装配环节的应用。
针对扭矩法中预紧力离散度较大的问题，近年来学者们提出通过构建拧紧扭矩与预紧力之间的关联模型，计算满足目标预紧力要求的螺栓拧紧扭矩。然而，此方法在应用中需要技术人员提供必要的连接参数量值，如螺栓头支承面摩擦系数、螺纹啮合面摩擦系数、螺距、螺栓头有效半径等，螺纹啮合面摩擦系是影响该模型计算精度的重要因素之一。目前学者和技术人员在应用该模型时，螺纹啮合面摩擦系数的确定大都采用设计手册或者凭借技术人员经验，且现有螺栓连接检测装置尚且不能单独检测螺纹啮合面摩擦系数，螺纹啮合面摩擦系数的不确定性严重影响了拧紧扭矩的设计精度。因此，有必要提出一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，为工程技术人员在保障目标预紧力条件下准确设计拧紧扭矩提供基础数据依据，从而提高拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标预紧力的离散度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，该试验装置能够改善拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标预紧力的离散度，同时为其他螺纹副连接结构摩擦系数的检测提供方法参照。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：包括基座，基座上固定有试验台支撑件，试验台支撑件上安装有连接件，被测螺栓从连接件的下端穿入，上端穿出；被测螺栓的螺栓头部与连接件下底面之间还套设有螺栓套筒；被测螺母套装在被测螺栓的末端，被测螺母与连接件上表面之间套设有轴承支承装置；被测螺栓上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。
所述的基座包括固定在底面上的铸铁平台和圆盘底座，铸铁平台的上表面开设有用于固定圆盘底座的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座上。
所述的试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架，三个L型支撑架以短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座上；连接件安装在三个L型支撑架的内侧，且连接件与L型支撑架的内侧接触面为圆弧面。
所述的连接件包括上连接件和下连接件，测量装置设置在上连接件与下连接件之间，上连接件的上表面开设有用于放置轴承支撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；下连接件的下表面开设有用于安装螺栓套筒的矩形槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；上连接件与下连接件的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件和下连接件的螺纹孔。
所述的轴承支撑装置包括套设在螺栓上的推力圆柱滚子轴承和轴承套筒，推力圆柱滚子轴承的轴圈安装在上连接件上表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承的座圈安装在轴承套筒上。
所述的测量装置包括用于实时监测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化信号的垫圈式力传感器以及分别设置在垫圈式力传感器上表面和下表面上的力传感器上垫片和力传感器下垫片；垫圈式力传感器套装在螺栓上，并固定在上连接件和下连接件之间；垫圈式力传感器还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。
所述的加载装置包括设置在被测螺栓末端的与螺母相配合为螺栓施加预紧力的拧紧轴；拧紧轴上连接有用于控制拧紧轴的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈信号的数据处理模块。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型螺栓从连接件的底部穿入，从连接件的上部穿出，并在螺栓的末端设置螺母，通过加载装置给螺栓施加预紧力，并根据套装在螺栓上的测量装置，可以单独检测螺纹啮合面的摩擦系数，能够针对不同工程直径、不同等级、不同润滑方式、不同材料特性及不同预紧力等参数对螺纹啮合面摩擦系数进行测量。为工程技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据支持，降低螺栓预紧力的离散度，保障螺栓连接性能满足工程需求。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图；
图2为本实用新型圆盘底板的等轴侧视图；
图3为本实用新型三个L型支撑架的等轴侧视图；
图4为本实用新型上连接件的等轴侧视图；
图5为本实用新型下连接件的等轴侧视图；
图6为本实用新型螺栓套筒的等轴侧视图；
图7为本实用新型轴承套筒的等轴侧视图。
其中，1为铸铁平台；2为圆盘底座；3为L型支撑架；4为下连接件；5为上连接件；6为推力圆柱滚子轴承；7为轴承套筒；8为被测螺母；9为拧紧轴；10为力传感器上垫片；11为垫圈式力传感器；12为力传感器下垫片；13为螺栓套筒；14为被测螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
参见图1至图7，本实用新型包括基座，基座包括固定在底面上的铸铁平台1和圆盘底座2，铸铁平台的上表面开设有用于固定圆盘底座2的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座2上。基座上固定有试验台支撑件，试验台支撑件上安装有连接件，被测螺栓14从连接件的下端穿入，上端穿出；试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架3，三个L型支撑架3以短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座2上；连接件安装在三个L型支撑架3的内侧，且连接件与L型支撑架3的内侧接触面为圆弧面。被测螺栓14的螺栓头部与连接件下底面之间还套设有螺栓套筒13；连接件包括上连接件5和下连接件4，测量装置设置在上连接件5与下连接件4之间，上连接件5的上表面开设有用于放置轴承支撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向开设有能够使被测螺栓14穿过的通孔；下连接件4的下表面开设有用于安装螺栓套筒13的矩形槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓14穿过的通孔；上连接件5与下连接件4的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件5和下连接件4的螺纹孔。被测螺母8套装在被测螺栓14的末端，被测螺母8与连接件上表面之间套设有轴承支承装置；轴承支撑装置包括套设在被测螺栓14上的推力圆柱滚子轴承6和轴承套筒7，推力圆柱滚子轴承6的轴圈安装在上连接件5上表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承6的座圈安装在轴承套筒7上。被测螺栓14上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓14施加预紧力的加载装置。测量装置包括用于实时监测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化信号的垫圈式力传感器11以及分别设置在垫圈式力传感器11上表面和下表面上的力传感器上垫片10和力传感器下垫片12；垫圈式力传感器11套装在被测螺栓14上，并固定在上连接件5和下连接件4之间；垫圈式力传感器11还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器11通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。加载装置包括设置在螺栓7末端的与被测螺母8相配合为被测螺栓14施加预紧力的拧紧轴9；拧紧轴9上连接有用于控制拧紧轴9的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈信号的数据处理模块。
本实用新型的原理：
如图1所示，本实用新型包括：基座、试验台支撑件、被测试件、轴承支承装置、连接件、加载装置和测量装置。
如图2所示，基座包括铸铁平台1和圆盘底座2，铸铁平台1通过地脚螺栓固定于地面，铸铁平台上表面开T型槽，圆盘底座2上开设有与试验台支撑件相配合的支撑件连接螺纹孔2-1以及与法兰相配合的法兰螺母连接通孔2-2，圆盘底座2通过法兰螺栓固定在铸铁平台1上表面。
如图3所示，试验台支撑件由三个结构相同的L型支撑架3组成，L型支承架3的侧壁开有与上连接件5相配合的通孔3-1和与下连接件4相配合的腰型孔3-2，底面开有与圆盘底座2相配合的通孔3-3。底面沿周向均布固定在圆盘底座2上，内侧面沿周向均布分别与下被连接件4和上被连接件5连接，接触面为圆弧面。
连接件包括下被连接件4和上被连接件5，如图4所示，上连接件5上表面开有圆形凹槽5-1，中间轴向开使螺栓14通过的螺栓通孔5-3，周向均布开三个螺纹孔5-2；如图5所示，下连接件4下表面开有矩形槽4-1，矩形槽内开四个定位螺纹孔4-3，中间轴向开螺栓通孔4-2，周向均布开三个螺纹孔4-4。
如图6所示，被测试件包括被测螺母8和被测螺栓14，被测螺栓14通过螺栓套筒13限位，螺栓套筒13的内径和内六方大小可根据测试螺栓螺母的尺寸进行选配，被测螺母8通过轴承套筒7支撑，通过拧紧螺母对被测螺栓14进行加载。
如图7所示，轴承支承装置包括推力圆柱滚子轴承6和轴承套筒7，推力圆柱滚子轴承6轴圈安装在上被连接件5上，推力圆柱滚子轴承6座圈安装在轴承套筒7上。
加载装置包括被测螺母8、拧紧轴9、控制系统和数据处理模块。通过拧紧螺母为螺栓14施加预紧力，通过拧紧轴9旋转被测螺母8，检测螺母拧紧扭矩。控制系统可精确设定拧紧轴的最大输出扭矩和扭矩递增曲线，可实时反馈拧紧轴输出扭矩的变化信号，反馈信号被数据处理模块采集、存储和分析。
测量装置包括垫圈式力传感器11、上下力传感器垫片10和12、电荷放大器、数据采集和数据处理模块。垫圈式力传感器11固定在上被连接件5和下被连接件4之间，实时监测螺栓拧紧过程中的轴向预紧力变化信号。力传感器将收到的动态力实时转换为与其成正比的电荷信号，通过低阻绝缘连接电缆传送到电荷放大器中进行调理放大，转换为成比例可被数据采集系统采集、存储的模拟电压信号。将模拟电信号输入到数据分析处理系统中进行处理，观察螺栓预紧力的变化。
采用本实用新型进行螺纹啮合面摩擦系数的测量时，具体实施过程包括下列步骤：
1）依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集系统的信号转换比率。
2）选取与被测试螺纹副公称尺寸相匹配（中等装配精度）的螺栓套筒13，将螺栓套筒13通过螺钉安装在下连接件4的矩形槽4-1中，通过L型支承架3上与通孔3-1相配合的螺钉将下被连接件4固定。
3）依次安装垫圈式力传感器11、上连接件5、推力圆柱滚子轴承6、轴承套筒7、被测螺栓14和被测螺母8，通过被测螺母8轻度预紧被测螺栓14，轻度预紧L型支承架3上与腰型孔3-2相匹配的螺钉，约束上被连接件周向转动。
4）通过拧紧轴9拧紧被测螺母8，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器11的读数，同时记录拧紧控制系统中扭矩随时间的变化曲线。
5）通过垫圈式力传感器11测量的预紧力数据F和拧紧控制系统测量的拧紧力矩数据Tt推算螺纹啮合面的摩擦系数，公式如下：
上式中，Tt为螺母拧紧扭矩，F为螺栓预紧力，p为螺纹节距，β为螺纹升角，rmt为螺纹啮合面有效接触半径，μt为螺纹啮合面摩擦系数。
6）重复2）～5）的步骤，对不同螺栓预紧力下螺纹啮合面摩擦系数进行测试，并对各组试验测试结果求均值，得到被测螺栓螺母连接的螺纹啮合面摩擦系数。
一种型号的被测螺栓螺母做完后，重复上述步骤，更换被测螺栓14、被测螺母8及螺栓套筒13和轴承套筒7，如此，可得到不同类型的螺纹副啮合面摩擦系数。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：包括基座,基座上固定有试验台支撑件，试验台支撑件上安装有连接件，被测螺栓（14）从连接件的下端穿入，上端穿出；被测螺栓（14）的螺栓头部与连接件下底面之间还套设有螺栓套筒（13）；被测螺母（8）套装在被测螺栓（14）的末端，被测螺母（8）与连接件上表面之间套设有轴承支承装置；被测螺栓（14）上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓（14）施加预紧力的加载装置。
2.如权利要求1所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的基座包括固定在底面上的铸铁平台（1）和圆盘底座（2），铸铁平台的上表面开设有用于固定圆盘底座（2）的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座（2）上。
3.如权利要求2所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架（3），三个L型支撑架（3）以短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座（2）上；连接件安装在三个L型支撑架（3）的内侧，且连接件与L型支撑架（3）的内侧接触面为圆弧面。
4.如权利要求1所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的连接件包括上连接件（5）和下连接件（4），测量装置设置在上连接件（5）与下连接件（4）之间，上连接件（5）的上表面开设有用于放置轴承支撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向开设有能够使被测螺栓（14）穿过的通孔；下连接件（4）的下表面开设有用于安装螺栓套筒（13）的矩形槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓（14）穿过的通孔；上连接件（5）与下连接件（4）的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件（5）和下连接件（4）的螺纹孔。
5.如权利要求4所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的轴承支撑装置包括套设在螺栓（14）上的推力圆柱滚子轴承（6）和轴承套筒（7），推力圆柱滚子轴承（6）的轴圈安装在上连接件（5）上表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承（6）的座圈安装在轴承套筒（7）上。
6.如权利要求4所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的测量装置包括用于实时监测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化信号的垫圈式力传感器（11）以及分别设置在垫圈式力传感器（11）上表面和下表面上的力传感器上垫片（10）和力传感器下垫片（12）；垫圈式力传感器（11）套装在螺栓（14）上，并固定在上连接件（5）和下连接件（4）之间；垫圈式力传感器（11）还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器（11）通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。
7.如权利要求1所述一种用于检测螺纹啮合面摩擦系数的试验装置，其特征在于：所述的加载装置包括设置在螺栓（7）末端的与被测螺母（8）相配合为螺栓（14）施加预紧力的拧紧轴（9）；拧紧轴（9）上连接有用于控制拧紧轴（9）的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈信号的数据处理模块。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140423 |