NO323064B1 - Anordning for maling av forspenningskraft i en bolt-mutter-forbindelse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for måling av forspenningskraft i en bolt-mutter-forbindelse, omfattende en standard skruemutter som er forsynt med en føler-anordning for avføling av forspenningskraften, idet det i mutterens sideflate er anordnet minst én utsparing i hvilken det er anbrakt en føler som er egnet for avføling av mekanisk spenning i mutteren og for tilveiebringelse av et signal som representerer spenningen, for overføring til en ytre registreringsanordning.

Problemet med innstilling og opprettholdelse av korrekt forspenning i bolt-mutter-forbindelser er blitt fokusert sterkt i de senere år. Grunnen er at dette er et komplekst problem, idet det må tas hensyn til forskjellige, og ikke ideelle, mekaniske randbetingelser. Konsekvensene av feilaktig forspenning i bolter på kritiske konstruksjoner kan være katastrofale.

Det er fremkommet forskjellige løsninger som forsøker å løse problematikken, blant annet anordninger basert på målende utstyr av forskjellige typer. En vanlig løsning er å måle forlengelsen av en bolt ved hjelp av strekklapper plassert direkte på bolten. En annen løsning er å måle flatetrykket mellom mutter og underlag ved hjelp av forskjellige teknikker. Blant annet benyttes mekaniske/optiske metoder og forskjellige spennings-målere utformet som mellomleggsskive.

De kjente løsninger fungerer godt under forholdsvis ideelle forhold, men har store måletekniske svakheter når randbetingelsene endres. De kjente løsninger er begrenset til en maksimal diameter da måleelementet blir utsatt for "vrenging" på grunn av forholdsvis liten stivhet i konstruksjonen ved store diametere. I tillegg har disse løsninger den ulempe at de har forholdsvis stor "byggehøyde". Denne kan variere i området 15-25 mm. Derved blir ofte bolten for kort og må skiftes. I "trange" konstruksjoner er det ofte slik at man ikke har plass til å innføre lengre bolter, og utstyret kan derfor ikke monteres. De løsninger som også må ha kabler montert på følerne, er svært utsatt for skader og derved havari på følerne.

En anordning av den innledningsvis angitte type er kjent fra JP-A-57 161526. Denne publikasjon viser en fremgangsmåte for måling av aksial spenning i en bolt, ved hvilken et kjernetap i en bolt som er dannet av et magnetisk materiale, måles ved benyttelse av en magnetisk føler for derved å oppnå en aksial spenning som virker på bolten. Det forutsettes således at bolten er av et magnetisk materiale, noe som innebærer at anordningen ikke vil fungere ved benyttelse av ikke-ferromagnetiske materialer, så som rustfritt stål, titan, messing osv.

Som et annet eksempel på kjent teknikk kan det henvises til DE 1 124 729. Denne publikasjon viser en anordning for måling av forspenningskrefter i en skrueforbindelse, hvor et som måleelement utformet maskinelement kan være en skruemutter. Mutteren er delt på tvers av gjengeaksen, og mellom mutterdelene er det anbrakt et følerelement i form av en piezoelektrisk krystallanordning, idet det er anordnet midler for sammenspenning av mutterdelene. Det dreier seg her om en separat føler som måler kraften mot underlaget.

I denne kjente konstruksjon er det en svakhet at den nedre del av mutteren er uten gjenger slik at man taper gjengehøyde, idet mutteren i dette område ikke har inngrep med tilsvarende gjenger på bolten. Derved må mutter og bolt gjøres vesentlig høyere for å kunne oppta den samme (standardiserte) innspenningskraft. Dette er en vesentlig svakhet i forbindelse med konstruksjoner hvor det ikke er plass til eller ønskelig å forlenge bolten. Løsningen resulterer videre i en svekket mutter ved at det er maskinert et ringformet spor som følerelementet er plassert i, og at mutteren er splittet i en øvre og en nedre del. Når konstruksjonen utsettes for belastning, vil det oppstå bøyemomenter slik at spalten mellom mutterdelene vil endre seg. Over tid vil konstruksjonens elastisitet endre seg, slik at det skjer et tap av forspenning. Resultatet er en konstruksjon med redusert langtidsstabilitet.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning av den innledningsvis angitte type hvor de foran omtalte problemer og svakheter er eliminert eller vesentlig redusert.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en anordning av den angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at selve mutteren utgjør et følerlegeme i hvilket føleren er innrettet til å utnytte muttergjengenes elastiske egenskaper (mykhet) for å tilveiebringe en tilnærmet lineær måling av forspenningskraften, idet føleren er anbrakt i et område av mutterens sideflate som oppviser tilnærmet lineær spenningsfordeling.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, der

fig. 1 viser et grunnriss av en standard sekskantmutter som er forsynt med en anordning ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et tverrsnitt av mutteren etter linjen II-II på fig. 1,

fig. 3 viser et sideriss av en mutter som har en konveks anleggsflate, og fig. 4 viser et sideriss av en mutter som har en konkav anleggsflate.

Den på fig. 1 og 2 viste anordning omfatter en mutter som i seg selv utgjør et kraftmålende følerlegeme. Den viste mutter 1 er en sekskantet standard-mutter hvor det i mutterens ytre omkretsflate 2 er maskinert et antall utsparinger 3 i hvilke det er anbrakt respektive følerelementer 4. Disse er av en type som er egnet for avføling av mekanisk spenning i mutteren, og for tilveiebringelse av et signal som representerer spenningen og som på passende måte overføres til en ytre registreringsanordning (ikke vist). Aktuelle typer av følerelementer skal omtales nærmere nedenfor.

Antallet av utsparinger 3 i mutteren vil avhenge av mutterstørrelsen og den aktuelle anvendelse. Utsparingene vil fortrinnsvis være anbrakt slik at de har parvis diametralt motsatt beliggenhet.

Utsparingene 3 vil være anbrakt i en valgt avstand fra mutterens anleggsflate mot underlaget 5, og vanligvis omtrent midtveis mellom mutterens overside og underside. Slik det fremgår av tegningen, har utsparingene vanligvis en dybde som svarer omtrent til halve veggtykkelsen av mutteren. I utførelsen på fig. 2 har mutteren ca. åtte gjenger 6, og utsparingene 3 er vist å være anbrakt på høyde med tredje til fjerde gjenge, regnet fra mutterens øvre og nedre overflater.

Ved hjelp av dette følerarrangement måler følerne 4 bare en andel av den totale mekaniske spenning som opptrer i mutteren når denne er tiltrukket på en tilhørende bolt (ikke vist), hvilken andel er representativ for den totale spenning i mutteren. Gjengene, som er "myke", opptrer slik at de utjevner ulik spenningsfordeling fra mutterens kontaktflate, og målingen blir derved mindre påvirket av varierende randbetingelser.

Ved hjelp av dette arrangement er mutteren gitt en helt ny egenskap ved at selve mutteren utgjør et følerlegeme.

Ved ekstreme randbetingelser, når eksempelvis bolt/mutter-koplingen sammenføyer myke materialer, og/eller i konstruksjoner hvor boltene kan oppnå en skråstilling i forhold til hullets anleggsflate, kan mutteren utformes med en sfærisk konveks anleggsflate som er tilpasset for anlegg mot en tilsvarende sfærisk konkav overflate av f.eks. en tynn underlagsskive som da benyttes. Alternativt kan mutterens anleggsflate være konkav, og underlagets overflate tilsvarende konveks. Skråstillingen av mutteren mot underlaget rettes derved opp, og dermed vil det også i et slikt tilfelle være mulig å utføre en representativ måling.

Fig. 3 og 4 viser muttere av ovennevnte type. Fig. 3 viser en mutter 8 som er forsynt med en sfærisk konveks anleggsflate 9, mens fig. 4 viser en mutter 10 som er forsynt med en sfærisk konkav anleggsflate 11. Denne anleggsflate er tilpasset for anlegg mot en tilsvarende konveks anleggsflate 12 på en underlagsskive 13.

Ved hjelp av slike mutterutførelser kan man fange opp boltskjevheter innenfor et vinkelområde på eksempelvis ±5°.

I prinsippet kan en rekke typer av følerelementer benyttes, f.eks. strekklapper, piezoresistive elementer osv. Normalt vil det være meget viktig at man unngår tilkoplingsledninger i form av kabler for overføring av følersignalene til den tilhørende registreringsanordning, da slike kabler selvsagt vil komplisere og fordyre montering/demontering av mutrene. I en foretrukket utførelse benyttes derfor følere i form av såkalte SAW-følere (SAW = Surface Acoustic Wave) som har den egenskap at de kan eksiteres og avleses trådløst. Hver SAW-føler som er montert i bunnen av en utsparing, vil da være forsynt med en tilhørende antenne 7 som kan være anordnet noe nedsenket i mutterens ytterflate slik som antydet på fig. 2, slik at antennen ikke skades av verktøy eller annen håndtering. Ved hjelp av en radiosender/mottaker på en avstemt frekvens overføres energi til føleren som svarer med et signal som representerer spenningsbelastningen i mutteren. Det mottatte signal behandles i registrerings-anordningens mottaker, og boltens forspenning vises på et display.

Anordningens rekkevidde vil være avhengig av mengden av tilført energi. Denne er igjen avhengig av antennens størrelse. For å oppnå en større antenne, kan denne alternativt integreres i mutterens toppflate, f.eks. anbringes i et ringformet spor i toppflaten, noe som kan gi en rekkevidde på 5 - 10 meter.

I de tilfeller hvor det er flere kraftmålende muttere i samme område og/eller flere følerelementer på samme mutter, kan føleren være anordnet på en brikke som er forsynt med en egen ID-kode og nettverksegenskap, for å muliggjøre kommunikasjon med og utvelgelse av data fra flere følere i det samme område.

Selv om det ved de fleste anvendelser vil være en vesentlig fordel å unngå tilkoplingsledninger, kan det i noen tilfeller være aktuelt å benytte kabler mellom følerne og registreringsanordningen. Dette kan være særlig aktuelt i forbindelse med store konstruksjoner, dvs. i bolt/mutterforbindelser med store dimensjoner, eller ved anvendelser i omgivelser hvor bruk av radiosignaler ikke er tillatt.

Claims (9)

1. Anordning for måling av forspenningskraft i en bolt-mutter-forbindelse, omfattende en standard skruemutter som er forsynt med en føleranordning for avføling av forspenningskraften, idet det i mutterens (1) sideflate er anordnet minst én utsparing (3) i hvilken det er anbrakt en føler (4) som er egnet for avføling av mekanisk spenning i mutteren og for tilveiebringelse av et signal som representerer spenningen, for overføring til en ytre registreringsanordning, karakterisert ved at selve mutteren (1) utgjør et følerlegeme i hvilket føleren (4) er innrettet til å utnytte muttergjengenes (6) elastiske egenskaper (mykhet) for å tilveiebringe en tilnærmet lineær måling av forspenningskraften, idet føleren (4) er anbrakt i et område av mutterens (1) sideflate som oppviser tilnærmet lineær spenningsfordeling.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at mutteren (1) er en standard sekskantmutter som er forsynt med et antall parvis diametralt motsatte utsparinger (3).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at utsparingen eller utsparingene (3) er anbrakt omtrent midtveis mellom mutterens (1) over- og underside, og har en dybde som svarer til omtrent halve veggtykkelsen av mutteren.

4. Anordning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at mutterens (8) underside er utformet med en sfærisk konveks anleggsflate (9) som er tilpasset for anlegg mot en tilsvarende konkav overflate av det aktuelle underlag.

5. Anordning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at mutterens (10) underside er utformet med en sfærisk konkav anleggsflate (11) som er tilpasset for anlegg mot en tilsvarende konveks overflate (12) av det aktuelle underlag (13).

6. Anordning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at føleren (4) er en såkalt SAW-føler (SAW = Surface Acoustic Wave) som kan eksiteres og avleses trådløst, og som er forsynt med en tilhørende antenne (7).

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at antennen (7) er innfelt i mutterens (1) ytre omkretsflate (2) eller i dens toppflate.

8. Anordning ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at føleren (4) er innrettet til å motta energi fra registreringsanordningen på en avstemt radiofrekvens, og til å avgi et signal som representerer spenningstilstanden i mutteren (1).

9. Anordning ifølge ett av kravene 6-8, karakterisert ved at hver føler (4) er forsynt med en ID-kode, for å muliggjøre kommunikasjon med flere følere i det samme område.