CN218156648U - 一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于标定器技术领域，公开了一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，螺牙帽套设在油压缸里侧，所述螺牙帽和油压缸之间设置有环形的轴力传感器；螺牙帽中间上侧设置有位移传感器，所述螺牙帽中间套设有超声测量探头，所述油压缸下侧设置有桥架，所述桥架里侧套设有六角筒。本实用新型能够在螺栓安装现场便可以进行原位标定的设备，使得标定可以在螺栓连接的结构母体上直接进行，获得声时差、预紧力及伸长量；通过轴力传感器检测的拉拔力值和位移传感器检测的伸长量，能够自动获得声时差与预紧力之间的关系和声时差与伸长量的比例系数，测量方便，适合各种大型设备使用。

Description

一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器

技术领域

本实用新型属于标定器技术领域，尤其涉及一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器。

背景技术

目前，螺栓连接是工业产品中应用最广泛的一种连接形式，预紧力是其设计、使用的唯一功能指标。无论使用扭矩法、扭矩角度法、屈服极限法、张拉法等紧固工艺，其目的就是使螺栓预紧力进入设计范围之内，以确保螺栓连接在工作条件下不会出现预紧力松弛、螺栓连接松脱，甚至失效的发生。

近年来，超声螺栓预紧力测量方法已经广泛应用于各个工业行业的螺栓紧固工艺确定、预紧力检测和监测等应用中；由于其准确性、便利性、适用性均良好地满足螺栓预紧力测量的种种需求，逐渐成为工业螺栓预紧力测量的优选技术，并形成相应的标准，如：2020年汽车行业颁布的《汽车紧固连接螺栓轴力测试超声波压电陶瓷片法》和目前正在制定中的《超声螺栓预紧力测量方法》的国标。

超声螺栓预紧力测量方法需要建立超声时差与预紧力之间的关系，如：在螺栓的弹性段为胡克定律所描述的线性关系，但是由于螺栓冶金材质、螺栓外形、热处理方式等方面的差异，即便是同一规格和标号的螺栓，此线性关系也会出现差异。这使得超声螺栓预紧力测量针对待测螺栓须在万能试验机或扭拉机上对螺栓进行声时差与预紧力或伸长量的标定工作。由于此标定工作必须在试验室完成，这导致：螺栓标定工作的螺栓运输成本、人工和标定设备使用成本的急剧增加，给用户带来了极大的不便和成本压力；很多行业，如：汽轮机、水轮机等大型设备对螺栓紧固均有测量伸长量的要求，而万能试验机所输出的伸长量精度不够、在其上加设引伸计测量伸长量往往由于空间限制导致无法测量等原因，导致无法测量螺栓伸长量。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)螺栓标定工作的螺栓运输成本、人工和标定设备使用成本的急剧增加，给用户带来了极大的不便和成本压力。

(2)万能试验机所输出的伸长量精度不够、在其上加设引伸计测量伸长量往往由于空间限制导致无法测量等原因，导致无法测量大型设备的螺栓伸长量。

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用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器。

本实用新型是这样实现的，一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器设置有：

螺牙帽和油压缸；

所述螺牙帽套设在油压缸里侧，所述螺牙帽和油压缸之间设置有环形的轴力传感器；

所述螺牙帽中间上侧设置有位移传感器，所述螺牙帽中间套设有超声测量探头。

进一步，所述油压缸侧面安装有位移传感器支架，所述位移传感器固定在位移传感器支架上端。

进一步，所述油压缸下侧设置有桥架，所述桥架里侧套设有六角筒。

进一步，所述六角筒每个面外侧分别开设有通孔。

进一步，所述桥架的侧面下端开设有缺口。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本实用新型的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本实用新型技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本实用新型能够在螺栓安装现场便可以进行原位标定的设备，使得标定可以在螺栓连接的结构母体上直接进行，获得声时差、预紧力及伸长量；通过轴力传感器检测的拉拔力值和位移传感器检测的伸长量，能够自动获得声时差与预紧力之间的关系和声时差与伸长量的比例系数，测量方便，适合各种大型设备使用。这样可以免于在使用超声螺栓预紧力测量技术时，螺栓标定必须在万能试验机或者扭拉机上完成，节约了大量人工成本、时间成本和试验成本。同时，在万能试验机上测量螺栓伸长量以建立声时差和伸长量的比例关系时，须使用引伸计来测量伸长量，操作复杂且受到万能试验机或者扭拉机的结构限制，导致伸长量的测量精度难于保证。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本实用新型所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本实用新型能够在螺栓安装现场便可以进行原位标定的设备，使得标定可以在螺栓连接的结构母体上直接进行，获得声时差、预紧力及伸长量，免于诸多的标定问题。使用原位标定器，在螺栓的实际安装结构上直接标定，操作简单、方便，可以高效、迅速地获得声时差与螺栓预紧力的关系曲线及声时差与伸长量的比例系数。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器的爆炸图；

图3是本实用新型实施例提供的在螺栓的施拉端和测量端不为同一端时的实施方式图；

图4是本实用新型实施例提供的在螺栓的施拉端和测量端为同一端时的实施方式图；

图5是本实用新型实施例提供的当螺栓间距小于液压缸直径时的实施方式图；

图中：1、螺牙帽；2、轴力传感器；3、位移传感器；4、油压缸；5、超声测量探头；6、桥架；7、位移传感器支架；8、六角筒。

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。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器中的螺牙帽套设在油压缸4里侧，所述螺牙帽1和油压缸4之间设置有环形的轴力传感器2；螺牙帽1中间上侧设置有位移传感器3，所述螺牙帽1中间套设有超声测量探头5。

本实用新型实施例中的油压缸4侧面安装有位移传感器支架7，所述位移传感器3固定在位移传感器支架7上端。

本实用新型实施例中的油压缸4下侧设置有桥架6，所述桥架6里侧套设有六角筒8，六角筒8每个面外侧分别开设有通孔，桥架6的侧面下端开设有缺口。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型在使用时，根据螺栓的直径定制加工螺牙帽1，在螺牙帽1和油压缸4之间加设环形轴力传感器2；同时加设高精度的LVDT位移传感器3，其固定端固连于液压缸4的外壁上。将桥架6内的六角筒8套设在螺母外侧，将螺牙帽1沿螺栓螺纹部分旋进，外部液压泵给油压缸4施加油压，推动螺牙帽1对螺栓施加拉拔力；在油压缸4工作时，因为牛顿第三定律测量与拉拔力等价的压力，并将此力值实时输出至超声螺栓预紧力测量设备；同时，在此拉拔螺栓的过程中，高精度LVDT位移传感器3测量油压缸4与螺栓顶部或螺牙帽1端部之间的位移变化量，即：螺栓的伸长量，并将此实时输出至超声螺栓预紧力设备。超声螺栓预紧力设备在标定过程中，实时接收环形轴力传感器2的拉拔力值和高精度LVDT位移传感器3的伸长量，自动获得声时差与预紧力之间的关系和声时差与伸长量的比例系数。在到达设计拉拔力值时，通过桥架6的缺口对安置在螺母上的六角筒8使用扳手对螺母进行紧固；在螺母紧固后，外部液压泵卸载。

二、应用实施例。为了证明本实用新型的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用的应用实施例。

如图3所示，在螺栓的施拉端和测量端不为同一端时，位移传感器3的位移测量端接触于螺栓端部。

如图4所示，在螺栓的施拉端和测量端为同一端时位移传感器3的测量端接触于超声测量探头5的端部。

如图5所示，当螺栓间距小于油压缸4直径时，使用较小直径的桥架6，将油压缸4的最大直径让出螺母高度。

三、实施例相关效果的证据。本实用新型实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

螺栓在自由状态下，螺栓内部不存在预紧力，而螺栓在万能试验机或扭拉机的作用下，产生沿轴向的预紧力，在其作用下螺栓将发生轴向伸长，此时螺栓的伸长量为ΔL，ΔL与预紧力F之间的数学关系如下：

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为螺栓的伸长量；L为螺栓连接的装夹长度。

超声螺栓预紧力测量系统在螺栓的端部使用超声探头，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，螺栓在拉伸状态下，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伸长量的关系，得到螺栓的伸长量

式中v为超声纵波在螺栓内的传播速度。

在实际应用中，弹性模量E即便是同一等级也会因为冶金原材料来源的不同会有一定的偏差，有效截面积S会因为螺栓外形变化，如：细腰型的双头螺柱，难以计算；在应力的作用下，超声波速也会因为声弹效应随预紧力变化而发生比例变化，故通过声时差计算而来的伸长量也存在偏差。所以超声螺栓预紧力测量系统只能够精确测量声时差，与螺栓预紧力或伸长量之间的关系，必须通过标定来获得。由超声螺栓预紧力测量系统依据并结合公式(1)可得到：

在标定时，通过测量声时差Δt，即(T1-T0)和万能试验机或扭拉机的力输出，获得Δt和螺栓预紧力的线性关系，如公式(1)所示；

在标定时，因为声弹效应超声波速受到预紧力作用会发生线性变化，所以伸长量须独立使用位移传感器或引伸计来进行测量，获得其与声时差之间的比例常数；

在测量时，通过测量声时差Δt及标定时获得的Δt与预紧力之间的关系获得螺栓预紧力，及标定时获得的Δt与伸长量之间的关系获得螺栓伸长量。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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 (5)

1.一种用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，其特征在于，所述用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器设置有：

螺牙帽和油压缸；

所述螺牙帽套设在油压缸里侧，所述螺牙帽和油压缸之间设置有环形的轴力传感器；

所述螺牙帽中间上侧设置有位移传感器，所述螺牙帽中间套设有超声测量探头。

2.如权利要求1所述的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，其特征在于，所述油压缸侧面安装有位移传感器支架，所述位移传感器固定在位移传感器支架上端。

3.如权利要求1所述的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，其特征在于，所述油压缸下侧设置有桥架，所述桥架里侧套设有六角筒。

4.如权利要求3所述的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，其特征在于，所述六角筒每个面外侧分别开设有通孔。

5.如权利要求3所述的用于超声螺栓预紧力测量的原位标定器，其特征在于，所述桥架的侧面下端开设有缺口。

Images