CN216246957U - 一种一体式超声智能套筒 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于螺栓紧固工具技术领域，公开了一种一体式超声智能套筒，包括一体式智能套筒和超声贴片；超声贴片套设在一体式智能套筒下端里侧，超声贴片下端与螺栓上端连接，一体式智能套筒通过无线信号与手持终端连接；一体式智能套筒设置有套筒，套筒里侧套设固定有超声测量组件和芯部探针，芯部探针外侧固定连接有探针载体，超声测量组件和芯部探针之间夹设有弹簧。本实用新型可以在螺栓紧固时，实时测量螺栓轴力，在螺栓额定轴力到达后向螺栓拧紧工具提供信号以停止紧固，从而保证了紧固螺栓时达到设计螺栓轴力，可以精确控制螺栓轴力，会最大限度地接近螺栓连接的设计轴力，满足了螺栓连接的设计轴力，提高产品结构的可靠性、安全性。

Description

一种一体式超声智能套筒

技术领域

本实用新型属于螺栓紧固工具技术领域，尤其涉及一种一体式超声智能套筒。

背景技术

目前，螺栓是工业领域横向应用产品，其轴力是螺栓唯一的设计和工作指标；超过80％的螺栓失效是由于初始紧固螺栓轴力，或预紧力不足导致，换言之就是，“螺栓不松不断，一松就断”。所以，螺栓的初次紧固能够准确地达到设计轴力，是螺栓装配的重点。

螺栓连接是应用最为广泛的结构连接形式，但是由于螺栓紧固工艺、螺栓个体扭矩系数或摩擦系数的差异等方面出现偏差，会导致实际螺栓轴力值与设计值之间出现较大偏差，进而降低了产品结构的可靠性和安全性。

在螺栓紧固时，通常使用扭矩工具，如：液压、电动扳手，对螺栓进行紧固。由于扭矩工具不能直接测量螺栓轴力，往往通过控制扭矩、角度来对待紧固的螺栓进行间接的轴力控制，在很多实际工况下，会导致较大、甚至超出设计裕度的轴力偏差。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的扭矩工具不能直接测量螺栓轴力，往往通过控制扭矩、角度来对待紧固的螺栓进行间接的轴力控制，在很多实际工况下，会导致较大、甚至超出设计裕度的轴力偏差。

解决以上问题及缺陷的难度为：

在紧固螺栓时，实时地测量螺栓轴力难度在于：

微型化：这需要螺栓轴力测量装置(包括电池供电部分)小型化，可以集成于现有螺栓紧固所需的套筒中，以最大化地方便现场使用；

无线数据传输：此装置可以通过无线的方式将采集到的螺栓轴力数据传输到显示终端上，如：手机，以最大化地减少现场的走线连接；

结构的小型化：在现有标准套筒中可靠地固定超声测量装置，且在螺栓紧固时，使之可以稳定、可靠地与超声贴片保持接触。

解决以上问题及缺陷的意义为：在工业界，紧固螺栓时，螺栓轴力是不可直接测量的，只能以扭矩和转角作为螺栓轴力值的间接指标，但是通过一体式超声智能套筒可以使得螺栓轴力可直接测量成为可能，使得螺栓精确达到设计轴力范围内，避免了螺栓欠拧(螺栓轴力不足)、过拧(螺栓轴力过大)等紧固问题的发生。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种一体式超声智能套筒。

本实用新型是这样实现的，一种一体式超声智能套筒设置有：

一体式智能套筒和超声贴片；

所述超声贴片套设在一体式智能套筒下端里侧，所述超声贴片下端与螺栓上端连接，所述一体式智能套筒通过无线信号与手持终端连接；

所述一体式智能套筒设置有套筒，所述套筒里侧套设固定有超声测量组件和芯部探针(芯部探针的具体结构参见图4，其作用是：在螺栓紧固时会有较大振动，芯部探针部分须稳定、可靠地始终与超声贴片保持接触，以保证测量电回路保持导通状态)，所述芯部探针外侧固定连接有探针载体，所述超声测量组件和芯部探针之间夹设有弹簧；

所述超声贴片设置有保护端面，所述保护端面下端与螺栓端部接触，所述保护端面上侧连接有翻边压电陶瓷片，所述翻边压电陶瓷片上侧连接有磁环，所述磁环中间填充有填充材料层，所述磁环上侧连接有环形电路板。

进一步，所述保护端面、翻边压电陶瓷片、填充材料层和环形电路板中间均开设有相互连通的通孔。

进一步，所述一体式智能套筒外侧套设有保护壳。

进一步，所述超声测量组件中，超声测量组件完成超声测量、控制、数据传输，是一体式超声智能套筒的“大脑”；其由超声发射/接收的模拟电路部分、螺栓测量逻辑的单片机数字部分、无线传输部分及供电电池部分组成；其与芯部探针部分连接，对超声贴片产生激励信号，接收超声回波的电信号，并将测量的螺栓轴力数据进行处理，以无线的方式与手持终端进行通讯。

结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：

本实用新型可以在螺栓紧固时，实时测量螺栓轴力，在螺栓额定轴力到达后向螺栓拧紧工具提供信号以停止紧固，从而保证了紧固螺栓时达到设计螺栓轴力。

本实用新型可以精确控制螺栓轴力(±3％)，会最大限度地接近螺栓连接的设计轴力，对于产品结构和产业链有如下好处：

满足了螺栓连接的设计轴力，提高产品结构的可靠性、安全性；

精确地接近设计轴力，通过压缩螺栓轴力的设计裕度，可以降低结构重量和成本；

螺栓紧固时实时测量螺栓轴力，摆脱了对扭矩系数或摩擦系数的影响，可以降低螺栓本身、螺栓紧固工具、紧固工艺，如：施加润滑等方面的成本；

满足了螺栓设计轴力，可以使得螺栓连接的全生命周期免维护有了可能，降低了产品结构的维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的一体式超声智能套筒的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的超声贴片的结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的一体式智能套筒的结构示意图。

图4是本实用新型实施例提供的芯部探针的结构示意图。

图5是本实用新型实施例提供的一体式超声智能套筒对螺母施加扭矩的过程示意图。

图1中：1、一体式超声智能套筒；2、超声贴片；3、螺栓；4、手持终端。

图2、图3、图4中：1、螺栓；2、带有电路区分的环形电路板；3、磁环；4、保护端面；5、翻边压电陶瓷片；6、弹簧探针组合PCB板；7、螺母；8、套筒；9、保护罩壳；11、接触件；12、弹簧；13、弹簧组合探针；14、超声测量组件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种一体式超声智能套筒，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1，本实用新型实施例提供的一体式超声智能套筒包括一体式智能套筒1、超声贴片2和手持终端4。

超声贴片2套设在一体式智能套筒1下端里侧，所述超声贴片2下端与螺栓3上端连接，所述一体式智能套筒1通过无线信号与手持终端4连接；

如图2，超声贴片主要由如下几部分组成：

保护端面4：由于超声贴片是一个重复使用部件，使用时接触螺栓端部，此部分为保护超声贴片主体的部分，对超声贴片起到结构保护作用，以防止磕碰、坠落造成的破坏性风险；

翻边压电陶瓷片5：起到发射和接收超声波的作用；

磁环3：当超声贴片放置于螺栓端部时，起到吸附作用，使得超声贴片可以和螺栓有稳定的位置关系；

带有电路区分的环形电路板2(PCB)：在使用一体式超声智能套筒紧固螺栓时，使一体式超声智能套筒的探针部分可靠地与超声纽扣接触，始终保持超声激励、接收的电回路不发生断路情况的发生。

一体式智能套筒主要包含三个大的组成部分：

套筒结构部分：与标准套筒具有同尺寸的套筒结构；在螺栓紧固时，在螺栓和施拧工具之间起到传递紧固扭矩的作用；

超声测量、计算及电池供电部分，后称之为电子部分：在螺栓紧固时，实时测量螺栓的伸长量、根据声时差与螺栓轴力之间的关系曲线实时计算螺栓轴力，并将轴力的计算结果以无线的方式，如：蓝牙，传输给终端设备，如手机；同时，此部分内置电池，以提供长时间、稳定的电源。

芯部探针部分：在螺栓紧固时，一体式超声智能套筒无论采用的是一体式超声贴片(固定于套筒内部)还是分离式超声贴片的方式，始终保持稳定可靠的超声螺栓测量的信号回路，确保超声信号不丢失、不变形的高信噪比。

螺栓1、螺母7：为一体式超声智能套筒施拧和测量螺栓预紧力的对象；

弹簧探针组合PCB板6、接触件11、弹簧12、弹簧组合探针13中，弹簧探针组合13可以在螺栓紧固的时候稳定、可靠地确保电回路始终导通，而避免由于振动导致的断路现象发生；6为弹簧探针组合PCB板，与此处超声测量组件14电子部分连接，起到固定弹簧探针组合的作用(如果是一体式超声贴片，则固定于此位置)；弹簧12，在螺栓紧固时，给探针组合件提供轴向预压力及位移的组件；芯部探针结构体11，为弹簧探针组合的结构载体，在螺栓紧固时，也起到与螺栓定位、限位得作用；

套筒8：尺寸与正常套筒一致，是芯部探针部分和超声测量、计算及电池供电部分的结构载体；同时，在螺栓紧固时，起到传导扭矩于螺栓或螺母。

超声测量组件14中，超声测量组件完成超声测量、控制、数据传输，是一体式超声智能套筒的“大脑”；其由超声发射/接收的模拟电路部分、螺栓测量逻辑的单片机数字部分、无线传输部分及供电电池部分组成；其通过6与芯部探针部分连接，对超声贴片产生激励信号，接收超声回波的电信号，并将测量的螺栓轴力数据进行处理，以无线的方式与手持终端进行通讯)。保护壳9为保护壳，起到在一体式超声智能套筒使用时，保护内部组成部分的作用。

本实用新型的工作原理是：

如图5所示，在螺栓紧固时，一体式超声智能套筒对螺母施加扭矩，使螺母沿螺纹旋进。此时，对于须多次紧固的螺栓连接，芯部探针部分的探针组合在弹簧12的预压力下稳定地接触分离式超声贴片的带有电路区分的环形电路(PCB)板2；对于一次紧固的螺栓连接，固定在芯部探针部分的一体式超声贴片在弹簧12的预压力下充分、稳定地接触螺栓端部。在螺母旋进的过程中，弹簧12提供螺母的行程，同时产生更大的预压力。

一体式超声智能套筒在螺栓紧固时，起到连接施拧工具，如：液压或电动扳手，和螺栓连接的作用，可以实时测量螺栓轴力，其基本原理为通过测量螺栓的伸长量来精确获取螺栓轴力。

螺栓在自由状态下，螺栓内部不存在预紧力，而螺栓在紧固状态下，由于预紧力的作用，螺栓将发生形变，因此此时螺栓的变形量为ΔL，一体式超声智能套筒依据ΔL与预紧力F之间的数学关系，计算得到预紧力F，该数学关系如下：

其中，F为螺栓的预紧力；E为螺栓材质的弹性模量；S为螺栓截面积；ΔL为螺栓的变形量；L为螺栓副的装夹长度。

依据公式(1)，一体式超声智能套筒依据ΔL计算得到当前螺栓的预紧力F。一体式超声智能套筒在螺栓端面发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0，螺栓在紧固状态下，螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1，由此依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系，得到螺栓的变形量

式中v为机械横波在螺栓内的传播速度，最终由智能套筒系统依据ΔL并结合公式(1)可得到当前状态下的螺栓轴力。由公式(1)可见，螺栓预紧力和螺栓伸长量为线性关系，在螺栓的弹性区间内，此关系由胡克定律决定。

超声贴片有如下主要功能：

在涂抹耦合剂后，在磁铁的吸附作用下有效地附着在螺栓端部；

发射和接收超声波信号；

给超声智能套筒提供可靠的电信号连接接触。

一体式超声智能套筒有如下主要功能：

在螺栓紧固时，本地实时测量螺栓轴力；

将测量的螺栓轴力值使用无线的方式，如：蓝牙，传输给手持终端；

手持终端的主要功能为：

通过无线方式，如：蓝牙，与一体式超声智能套筒通讯，向其发出指令及接收其测量数据；

完成超声螺栓轴力测量的基本配置和测量任务的制定；

以数字、曲线、图标等方式实时显示在紧固螺栓的轴力值；

以云存储或本地存储的方式管理螺栓轴力。

一体式超声智能套筒在螺栓紧固时，实时测量螺栓伸长量，通过存储在一体式超声智能套筒内的声时差与螺栓轴力之间关系的曲线，同步计算螺栓轴力，并将轴力值通过无线方式传输给手持终端，如：手机。

对于有多个螺栓的结构，如：法兰，螺栓紧固是通过多次紧固完成的，在紧固某颗螺栓的时候，其附近的螺栓轴力会受到影响，这称作弹性相互作用，所以很多螺栓连接须要多次紧固才能完成。

根据多颗螺栓紧固工艺的特点，对于一次紧固完成的螺栓连接，我们可以把超声贴片放置在一体式智能套筒的内部，称之为一体式超声贴片。对于多次紧固的螺栓连接，为了让超声螺栓轴力测量在多次拧紧之间具有更高的位置和耦合可靠性，超声纽扣会提前放置于螺栓的端部，称之为分离式超声贴片。但无论是一体式超声贴片还是分离式超声贴片，其结构和功能都是一致的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种一体式超声智能套筒，其特征在于，所述一体式超声智能套筒设置有：

一体式智能套筒和超声贴片；

所述超声贴片套设在一体式智能套筒下端里侧，所述超声贴片下端与螺栓上端连接，所述一体式智能套筒通过无线信号与手持终端连接；

所述一体式智能套筒设置有套筒，所述套筒里侧套设固定有超声测量组件和芯部探针，所述芯部探针外侧固定连接有探针载体，所述超声测量组件和芯部探针之间夹设有弹簧；

所述超声贴片设置有保护端面，所述保护端面下端与螺栓端部接触，所述保护端面上侧连接有翻边压电陶瓷片，所述翻边压电陶瓷片上侧连接有磁环，所述磁环中间填充有填充材料层，所述磁环上侧连接有环形电路板。

2.如权利要求1所述的一体式超声智能套筒，其特征在于，所述保护端面、翻边压电陶瓷片、填充材料层和环形电路板中间均开设有相互连通的通孔。

3.如权利要求1所述的一体式超声智能套筒，其特征在于，所述一体式智能套筒外侧套设有保护壳。

4.如权利要求1所述的一体式超声智能套筒，其特征在于，所述超声测量组件由超声发射/接收的模拟电路部分、螺栓测量逻辑的单片机数字部分、无线传输部分及供电电池部分组成；与芯部探针部分连接，对超声贴片产生激励信号，接收超声回波的电信号，并将测量的螺栓轴力数据进行处理，以无线的方式与手持终端进行通讯。

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