一種實時測量螺栓夾緊力衰減的裝置及方法與流程

本發明設計了一種測量螺栓夾緊力隨交變載荷加載而衰減的裝置及其使用方法，屬于機械工程和力學領域。

背景技術：

螺栓是最常見的緊固件之一。因其具有結構簡單,拆裝方便,調整容易等優點,被廣泛應用于機械、車輛、鐵路以及各種工程結構之中。為了增強螺紋聯接的剛性、緊密性和防松能力，以及受拉螺栓的疲勞強度，聯接螺栓必須被施加一個預緊力。螺栓松弛為具有一定預緊力的螺栓緊固件在交變載荷情況下，其夾緊力下降的過程稱為螺栓松弛。螺栓的松動問題使用環境復雜，影響螺栓連接的因素較多，盡管有各種方法防止螺栓連接的松動，但由于螺栓連接特有的連接方式，從本質上防止螺栓連接緊固力矩下降的方法卻沒有。

在實際的裝配生產過程中，預緊力不容易被直接測到，因而人們采取種種其他手段來控制預緊力，如扭矩控制法，轉角控制法等，這些方法雖然能表征出來預緊力的變化，但無法定量的去表述預緊力的變化。

目前定量測量夾緊力衰減的方法十分有限。比較先進的一種方法為，在待測螺栓的六角帽中心打一個直徑2mm的盲孔，在孔內安裝埋入式應變計，經過封膠固化等處理程序后，放在試驗機上進行標定，即給出螺栓所受軸向的緊固力與軸向應變的關系，一般情況下呈線性關系。經過上述標定后，即可得到螺栓軸向應變與軸向緊固力的關系。隨后可以將裝有應變計的螺栓安裝在結構上，在加上荷載后通過應變儀采集螺栓軸向的應變數據，最后根據標定文件將應變換算成螺栓的軸向緊固力。這種方法雖然能夠準確的測出螺栓夾緊力的變化情況，但其對螺栓具有破壞性，預埋應變計發生塑性變形不可恢復，可重復使用率低，以及造價較高等缺點，不具有應用廣泛性。

基于以上所述，本發明解決了以往測量螺栓夾緊力衰減的種種困難，且具有精度高、結構簡單，而且操作起來簡便易行，能夠實時監測等優良性能。

技術實現要素：

為了解決定量實時測量螺栓夾緊力衰減變化的情況。本發明設計了一套精度高、結構簡單，而且操作起來簡便易行的實時測量螺栓夾緊力衰減變化的裝置及方法。其螺栓夾緊力衰減測試系統框圖如圖(1)所示，通過instron8801拉伸試驗機給螺栓連接件加載交變載荷，結合壓力傳感器，四通道放大器，smacq數據采集卡采集數據，以及對應電腦軟件分析處理數據，通過改變拉伸試驗機輸入載荷的頻率和幅值以及加載載荷的時間，來控制施加載荷的大小和作用時間，進而研究螺栓夾緊力持續變化。

本發明的具體技術方案為：一種實時測量螺栓夾緊力隨交變載荷加載而變化的情況，將兩個壓力傳感器分別夾于螺栓頭部和試件表面中間，上下兩個連接件用兩個型號為m16×110mm的螺栓連接，連接好的螺栓試驗件用拉伸試驗機夾持固定，并給其提供不同周期，不同頻率和幅值的交變載荷，隨著交變載荷循環加載，獲得的力學信號，通過四通道放大器放大，再通過smacq數據采集卡采集，最終由電腦軟件處理獲得螺栓的夾緊力隨時間的變化數據。該裝置精度高，操作簡單，實時測量出螺栓夾緊力隨交變載荷變化的情況。

為了實現上述目標，一種實時測量螺栓夾緊力衰減的裝置，包括數顯力矩扳手、instron8801拉伸試驗機(9)、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、外六角m16×110mm螺栓1(2)、外六角m16×110mm螺栓2(8)、m16螺母1(4)、m16螺母2(6)、上連接件(1)、下連接件(5)、四通道放大器(16)、放大器電源(15)、smacq數據采集卡(13)、采集卡接線端子(14)、采集卡usb數據線(11)、采集卡電源適配器(12)以及對應安裝有采集軟件的電腦(10)；

壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)固定，外六角m16×110mm螺栓1(2)通過m16螺母1(4)連接，外六角m16×110mm螺栓2(8)和m16螺母2(6)連接；壓力傳感器分別串聯在外六角m16×110mm螺栓1(2)、外六角m16×110mm螺栓2(8)和上連接件(1)之間，上連接件(1)和下連接件(5)的兩端分別夾在instron8801拉伸試驗機(9)上，壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)與smacq數據采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數據線(11)使得smacq數據采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)相連，smacq數據采集卡(13)連接有采集卡電源適配器(12)，放大器電源(15)通過采集卡接線端子(14)與smacq數據采集卡(13)連接；m16螺母1(4)和m16螺母2(6)的旋緊由顯力矩扳手控制。

上連接件(1)和下連接件(5)的材料，加工方式以及尺寸相同，該試件滿足基本的剛度和強度要求，能夠真實再現實際工程中螺栓連接情況，在獲得準確實驗數據的同時，不破壞螺栓本身的結構，重復使用率高。

上連接件(1)和下連接件(5)外側過渡區域均采用倒圓角處理。

壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)為圓餅形，孔徑為16.5mm。

數據采集卡(13)基于高速usb讀寫技術實現高帶寬數據傳輸，最高1msa/s采樣率的數據采集需要；模擬采集數據高達1msa/s的高速采樣同時，還具有16位的垂直分辨率和最大±24v的7個量程。

一種實時測量螺栓夾緊力衰減的方法，

步驟一：根據實際工況，對螺栓及其螺栓連接件進行受力分析，計算出螺栓及其連接件在不受破壞的情況下，螺栓所能承受的最大載荷fmax；

步驟二：啟動instron8801拉伸試驗機(9)，預熱10min；將壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)以及m16螺母1(4)和m16螺母2(6)固定在螺栓連接件上；通過控制數顯力矩扳手來控制加載的扭矩；

步驟三：壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負0v，k通道是通過綠色和橙色兩根線與smacq數據采集卡(13)相連，綠色接信號正，橙色接信號負；l通道是通過紫色和粉色兩根線與smacq數據采集卡(13)相連，紫色接信號正，粉色接信號負；四通道放大器(16)與smacq數據采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數據線(11)使得smacq數據采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)通過相連；

步驟四：螺栓試驗件、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、四通道放大器(16)、smacq數據采集卡(13)以及裝有采集軟件的電腦(10)的接線都連接好后，將連接好的螺栓試驗件夾持在instron8801拉伸試驗機(9)上，安成整套裝置的安裝；

步驟五：依次打開四通道放大器(16)、smacq數據采集卡(13)的電源開關，打開instron8801拉伸試驗機(9)實驗操作軟件，設置加載頻率和加載力大小，并設置交變載荷類型即正弦波、方波、鋸齒波以及循環周期；開啟載荷加載試驗，由電腦(10)采集夾緊力f和時間t的數據，繪制出f-t二維曲線圖。

上連接件(1)和下連接件(5)結構相同，均為t型組件，材料為35crmo，尺寸大小滿足強度和剛度要求，這樣可以避免因連接件強度，剛度不夠造成的尺寸變形對螺栓夾緊力的影響，外側過渡區域均采用倒圓角處理，該設計理念避免了因軸向拉力過大而導致的應力集中現象。

有益效果

解決了實驗過程中測量螺栓夾緊力變化比較困難的問題，同時對于以往測量誤差較大，測量起來步驟繁瑣等問題給予了相應的解答。給出了一種經濟，操作簡單，誤差小且能夠實時測量螺栓夾緊力衰減變化的裝置和方法。

1)設計了一套簡單但實用的螺栓夾緊力衰減裝置，該試件滿足基本的剛度和強度要求，能夠真實再現實際工程中螺栓連接情況，在獲得準確實驗數據的同時，不破壞螺栓本身的結構，重復使用率高，該裝置組成簡單，只有上下連接件，螺栓和螺母本身構成，根據工程實際情況，本試驗裝置暫且不考慮墊圈對螺栓夾緊力的影響。

2)壓力傳感器是考慮實際工作環境的復雜性，根據企業裝配設備特性，結合m16×110mm螺栓本身尺寸以及所設計的拉伸試驗件尺寸大小所設計的，該設計為圓餅形，孔徑為16.5mm，在滿足量程和高精度的前提下，減小壓力傳感器本身的厚度至20mm。

3)數據采集卡基于高速usb讀寫技術實現高帶寬數據傳輸，最高1msa/s采樣率的數據采集需要。模擬采集數據高達1msa/s的高速采樣同時，還具有16位的垂直分辨率和最大±24v的7個量程，滿足了螺栓夾緊力數據采集的要求。

4)整套實驗裝置的組合，能夠準確實時測量出服役螺栓夾緊力的變化，為解決實際工程螺栓夾緊力衰減問題，提供了有效的測試方案。實驗所得數據，經處理分析可以得到螺栓松弛的規律。

附圖說明

圖1螺栓夾緊力衰減測試系統框圖。

圖2螺栓夾緊力力衰減測試試驗連接件。

圖3螺栓夾緊力衰減測試裝置圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明：

步驟一：根據實際工況，對螺栓及其螺栓連接件進行受力分析，計算出螺栓及其連接件在不受破壞的情況下，螺栓所能承受的最大載荷fmax。

螺栓裝配理論初始預緊力計算：所設計的螺栓規格為m16×110mm，螺栓材料和連接件材料相同，均采用35crmo，強度等級為10.9，由gb/t196-2003,螺栓的相關參數，如表1所示。

表1螺栓參數

根據公式：

t＝t1+t2(1)

式中：t1-旋轉副中的摩擦阻力距；t2-螺母與支撐面間的摩擦力矩；λ-螺紋升角；ρ＇-當量摩擦角；fc-無潤滑條件下的摩擦系數；rf-支撐面摩擦半徑。

計算理論初始預緊力為

q0＝35.41kn-73.48kn

步驟二：啟動instron8801拉伸試驗機(9)，依次打開試驗機的制冷設備開關，液壓系統開關，控制器開關，最后打開試驗機電腦，啟動軟件，加壓至201bar左右，預熱10min。將壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)以及m16螺母1(4)和m16螺母2(6)固定在螺栓連接件上，如圖(2)所示。通過控制數顯力矩扳手來控制加載的扭矩，擰緊時，左右兩側螺栓要求循序交替擰緊，例如，施加20n·m的緊固力矩，首先用數顯力矩扳手把左側螺栓擰緊到5n·m,然后把右側螺栓擰緊到5n·m,加載完成后，再回到左側螺栓擰緊到10n·m,之后再把右側螺栓加載到10n·m,依次循環，每次增加5n·m，交替擰緊直到達到目標緊固力矩為止。這種擰緊方式的優點在于可以預壓連接件，防止螺紋毛刺等缺陷造成的假扭矩。根據實驗要求先初步預設一個螺栓緊固力矩的初始值將兩螺栓擰緊，所加載扭矩的大小，理論上不超過螺栓所能承受的最大擰緊力矩tmax。

步驟三：壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負0v，k通道是通過綠色和橙色兩根線與smacq數據采集卡(13)相連，綠色接信號正，橙色接信號負。l通道是通過紫色和粉色兩根線與smacq數據采集卡(13)相連，紫色接信號正，粉色接信號負。四通道放大器(16)與smacq數據采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數據線(11)使得smacq數據采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)通過相連。

步驟四：螺栓試驗件、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、四通道放大器(16)、smacq數據采集卡(13)以及裝有采集軟件的電腦(10)的接線都連接好后，將連接好的螺栓試驗件夾持在instron8801拉伸試驗機(9)上，安成整套裝置的安裝，如圖(3)所示。

步驟五：依次打開四通道放大器(16)、smacq數據采集卡(13)的電源開關，打開instron8801拉伸試驗機(9)實驗操作軟件，設置加載頻率和加載力大小，并設置交變載荷類型(正弦波、方波、鋸齒波)以及循環周期；開啟載荷加載試驗，由電腦(10)采集夾緊力f和時間t的數據，繪制出f-t二維曲線圖。

對上述實驗過程進行重復操作，依次改變加載載荷的幅值和頻率，分別得到不同載荷下的f-t曲線，通過對實驗數據的綜合分析，獲得在改變加載頻率和加載幅值下的螺栓夾緊力力隨時間的衰減規律，基于螺栓夾緊力的衰減規律建立螺栓松弛的數學模型。