本發(fā)明涉及測量螺栓預(yù)緊力的裝置及方法，具體涉及一種在測量過程中不再受到外在因素的影響而能夠精確測量螺栓預(yù)緊力的裝置及方法。

背景技術(shù)：

螺栓的適用范圍極其廣泛，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)制造當(dāng)中，螺栓都是不可缺少的連接構(gòu)件，所以螺栓也被稱為工業(yè)之米。螺栓的運用范圍有：電子產(chǎn)品，機械產(chǎn)品，數(shù)碼產(chǎn)品，電力設(shè)備，機電機械產(chǎn)品。船舶，車輛，水利工程，甚至化學(xué)實驗上也有用到螺栓。螺栓作為一種緊固裝置，在航空航天，建筑，汽車制造，醫(yī)療器械等領(lǐng)域的使用過程中，需要對螺栓的預(yù)緊力進行精確的控制。本發(fā)明針對以往測量螺栓預(yù)緊力的缺陷，改善了螺栓預(yù)緊力的測量精度以及測量過程。

以往螺栓預(yù)緊力的測量方式主要分為以下兩種：

(1)通過擰緊力矩控制預(yù)緊力

實施方法：設(shè)置扭矩扳手的扭矩為T，利用扭矩扳手為螺栓施加預(yù)緊力，直到螺母的扭矩達到扭矩扳手的最大扭矩T；最后通過公式計算螺栓的預(yù)緊力。

螺栓預(yù)緊力的計算方法：

擰緊螺母時，要克服螺旋副間的螺紋力矩T₁和螺母支撐面上的摩擦力矩T₂，故擰緊力矩T＝T₁+T₂。由理論力學(xué)得到預(yù)緊的螺紋力矩T₁和預(yù)緊力F的關(guān)系為：

T₁＝Fd₂tan(φ+ρ)/2。

六角螺母支撐面是外徑為D₁(≈S)、內(nèi)徑為D₀的圓環(huán)面，對于非磨合圓環(huán)面，摩擦力矩為：

T₂＝μ_nF((D₁³-D₀³)/[3(D₁²-D₀²)]

可得：

式中，(D₁³-D₀³)/[3(D₁²-D₀²)]為圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑，ρ為當(dāng)量摩擦角，d₂為中徑，為升角，μ_n為支撐面的摩擦系數(shù)。

可以看出，擰緊力矩與預(yù)緊力呈線性關(guān)系，控制了擰緊力矩的大小，就可以計算出預(yù)緊力值。

(2)通過螺栓伸長量控制預(yù)緊力

螺栓伸長法就是在擰緊過程中、或擰緊結(jié)束后測量螺栓的伸長長度，利用預(yù)緊力與螺栓長度變化量的關(guān)系，控制螺栓預(yù)緊力的一種方法。

擰緊螺母時，螺栓在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生拉伸變形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸變形時產(chǎn)生彈性變形，伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系是：

${\mathrm{\δ}}_b=\frac{F^{\′}}{C_b}=F^1{1}_e/\left(E_b{A}_b\right),$

式中，δ_b為螺栓伸長量；l_e為螺栓有效長度；E_b為彈性模量；A_b為螺栓橫截面積。

可以得出，預(yù)緊力與螺栓伸長呈線性關(guān)系，且與摩擦因數(shù)和被聯(lián)接件剛度無關(guān)，這樣，只需要測量出擰緊前后螺栓的長度就知道了螺栓準(zhǔn)確的伸長量，所以，這種方法控制預(yù)緊力的準(zhǔn)確值很高。

這兩種測量螺栓預(yù)緊力的方法都具有一定的缺陷及局限性，主要表現(xiàn)為以下兩點：

1、利用扭矩螺栓測量螺栓預(yù)緊力時由于測量過程中會受到摩擦因數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的擰緊力矩下，預(yù)緊力值的離散性比較大。特別是在無摩擦條件下，由于接觸凸點局部拎焊可能使螺母系數(shù)K變得很大。所以在摩擦因數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響下，螺栓預(yù)緊力的控制的精度不到位，誤差一般會達到40％左右，所以這種方法只能用在一般密封要求不高的場合。

2、通過測量螺栓伸長量測量螺栓的預(yù)緊力的方法在實際工程問題上，測量螺栓的伸長量很不方便，這種方法一般用在需要嚴(yán)格控制精度的場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要針對以往測量螺栓預(yù)緊力方法的缺陷，改善了測量螺栓預(yù)緊力的方法，提高了測量螺栓預(yù)緊力的精度。在螺栓預(yù)緊力的測量過程中不在受到外在因素的影響。最后得出的螺栓預(yù)緊力只與螺栓本身的彈性模量以及截面面積有關(guān)。所以最終測得的預(yù)緊力更加精確，在實際使用過程中更加方便快捷。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種測量螺栓預(yù)緊力的裝置，包括帶孔螺栓，以及套在帶孔螺栓上的相互自上而下依次疊加的三個臨時受壓片、特制螺母、壓力測試器和螺母；帶孔螺栓上的預(yù)留孔伸出最下方的臨時受壓片，銷釘水平插入帶孔螺栓的預(yù)留孔且沿帶孔螺栓的兩側(cè)壁伸出；套入帶孔螺栓上的特制螺母上的預(yù)留凹槽與銷釘對接，套在帶孔螺栓上的壓力測試器內(nèi)徑大于帶孔螺栓外徑且不與帶孔螺栓側(cè)壁接觸，螺母旋緊在帶孔螺栓末端。

進一步，銷釘伸出帶孔螺栓兩側(cè)壁的長度相同。

進一步，所述帶孔螺栓的預(yù)留孔在帶孔螺栓上的位置高度大于三個臨時受壓片的厚度之和。

進一步，所述特制螺母內(nèi)壁為相互反旋的雙螺旋螺紋，在相互反旋的雙螺旋螺紋的頂部盡頭分別設(shè)有預(yù)留凹槽。

相應(yīng)地，本發(fā)明給出了一種測量螺栓預(yù)緊力的方法，包括下述步驟：

1)將帶孔螺栓插入相互自上而下依次疊加的三個臨時受壓片，使帶孔螺栓上的預(yù)留孔伸出下方的臨時受壓片；

2)將銷釘水平插入帶孔螺栓的預(yù)留孔道之中，然后將特制螺母套入帶孔螺栓，并將銷釘對準(zhǔn)特制螺母上預(yù)留的凹槽當(dāng)中，不可以轉(zhuǎn)動特制螺母；

3)再將壓力測試器套入帶孔螺栓中，此時壓力測試器不可以與帶孔螺栓接觸；最后再將螺母安裝在帶孔螺栓上；

4)扭轉(zhuǎn)螺母，對初始長度為L₁的帶孔螺栓進行第一次拉伸，得到第一次拉伸后螺栓的總長L₂，并得到第一次拉伸后螺栓的軸力F₁；

5)保持第一次拉伸后螺栓的總長L₂不變，然后轉(zhuǎn)動特制螺母對螺栓進行第二次拉伸，使銷釘與特制螺母中的螺紋產(chǎn)生擠壓力F₂，使壓力測試器的度數(shù)變?yōu)榱悖?/p>

6)將螺母與壓力測試器拆除，根據(jù)所測得的第一次拉伸后螺栓的軸力F₁以及螺栓本身的彈性模量E計算出第二次拉伸后螺栓的軸力F₂，該軸力F₂與銷釘與特制螺母中的螺紋產(chǎn)生擠壓力相等，即為螺栓的預(yù)緊力。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的特點在于：

本發(fā)明采用壓電式壓力測試器與特制螺栓及特制螺母配合使用。壓電式壓力測試器可以精確的測量螺栓所受到的壓力，但由于造價昂貴，在測量預(yù)緊力的過程中需要循環(huán)使用。所以，本發(fā)明通過特制螺栓以及特制螺母，使壓電式壓力測試器在使用后可以脫離結(jié)構(gòu)進行循環(huán)使用。

本發(fā)明改善了以往測量螺栓預(yù)緊力的方法，使螺栓預(yù)緊力的測量更加方便快捷，測得的結(jié)果更加精確。相對于以往的測量方法具有以下有益效果：

1.比通常測量螺栓預(yù)緊力的方法有更高的精確度。

2.相對于扭矩扳手測量螺栓預(yù)緊力的方法，排除了人為因素，以及摩擦力對測量結(jié)果的影響。

3.相對于測量螺栓伸長量的方法，測量過程簡單，實施方便。

附圖說明

圖1為構(gòu)件整體布置圖。

圖2(a)-(c)為構(gòu)件中帶孔螺栓的正視圖、側(cè)視圖和俯視圖。

圖3(a)-(c)為構(gòu)件特制螺母的正視圖、側(cè)視圖和俯視圖。

圖4為特制螺母的A-A截面剖視圖。

圖5為特制螺母的B-B截面剖視圖。

圖6(a)-(b)為構(gòu)件中壓電式壓力測試器的正視圖和俯視圖。

圖7為測量螺栓預(yù)緊力方法過程示意圖。

圖中：1、帶孔螺栓；2、臨時受壓片Ⅰ；3臨時受壓片Ⅱ；4、臨時受壓片Ⅲ；5、特制螺母；6、銷釘；7、壓力測試器；8、螺母。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，本發(fā)明測量螺栓預(yù)緊力的裝置，包括帶孔螺栓1，以及套在帶孔螺栓1上的相互自上而下依次疊加的臨時受壓片Ⅰ2、臨時受壓片Ⅱ3、臨時受壓片Ⅲ4、特制螺母5、壓力測試器7和螺母8；帶孔螺栓1上的預(yù)留孔伸出臨時受壓片Ⅲ4，銷釘6水平插入帶孔螺栓1的預(yù)留孔，且沿帶孔螺栓1的兩側(cè)壁伸出，使銷釘6伸出帶孔螺栓1沿其徑向兩側(cè)的長度相同。套入帶孔螺栓1上的特制螺母5上的預(yù)留凹槽與銷釘6對接，套在帶孔螺栓1上的壓力測試器7內(nèi)徑大于帶孔螺栓1外徑且不與帶孔螺栓1側(cè)壁接觸，螺母8旋緊在帶孔螺栓1末端。

如圖2(a)-(c)所示，帶孔螺栓1的預(yù)留孔在帶孔螺栓1上的位置高度大于臨時受壓片Ⅰ2、臨時受壓片Ⅱ3和臨時受壓片Ⅲ4的厚度之和。設(shè)在普通丁頭螺栓底部預(yù)留孔洞，可以用來安裝銷釘。銷釘與帶孔螺栓結(jié)合后可以與特制螺母5通過銷釘互相擠壓，給予螺栓一定的預(yù)緊力。

如圖3(a)-(c)所示，特制螺母5內(nèi)壁為相互反旋的雙螺旋螺紋，在相互反旋的雙螺旋螺紋的頂部盡頭分別設(shè)有預(yù)留凹槽，見圖4、圖5所示。

本發(fā)明螺栓預(yù)緊力的測量方式：如圖1所示將構(gòu)件進行安裝。

1)將帶孔螺栓1插入相互自上而下依次疊加的臨時受壓片Ⅰ2、臨時受壓片Ⅱ3和臨時受壓片Ⅲ4，使帶孔螺栓1上的預(yù)留孔伸出臨時受壓片Ⅲ4；

2)將銷釘6水平插入帶孔螺栓1的預(yù)留孔道之中，使銷釘6伸出帶孔螺栓1沿其徑向兩側(cè)的長度相同；然后將特制螺母5套入帶孔螺栓1，并將銷釘6對準(zhǔn)特制螺母5上預(yù)留的凹槽當(dāng)中(此時，不可以轉(zhuǎn)動特制螺母5)；

3)再將壓力測試器7套入帶孔螺栓1中，此時壓力測試器7不可以與帶孔螺栓1接觸，以免后期產(chǎn)生摩擦力影響最后測得的壓力；壓力測試器7結(jié)構(gòu)見圖6(a)、(b)所示。最后再將螺母8安裝在帶孔螺栓1上；

4)將所有零件安裝好之后，扭轉(zhuǎn)螺母8，見圖7所示，對初始長度為L₁的帶孔螺栓進行第一次拉伸，使整個構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)壓力，此時，螺栓整體受拉，內(nèi)部拉力相同。得到第一次拉伸后螺栓的總長L₂，并得到第一次拉伸后螺栓的軸力F₁，通過扭轉(zhuǎn)螺母8將壓力測試器的讀數(shù)確定為F₁并記錄讀數(shù)；

5)然后，不再轉(zhuǎn)動螺母8，保持第一次拉伸后螺栓的總長L₂不變，開始轉(zhuǎn)動特制螺母5對螺栓進行第二次拉伸，使銷釘6與特制螺母5中的螺紋產(chǎn)生擠壓力F₂；此時，銷釘6與帶孔螺栓1螺帽之間的螺栓繼續(xù)拉伸，而銷釘6與螺母8之間的螺栓開始放松。所以，此時可以看到壓力測試器7的讀數(shù)開始變小。繼續(xù)扭轉(zhuǎn)特制螺母5，使壓力測試器7的度數(shù)變?yōu)榱?。最后，銷釘6與螺母8之間的螺栓完全放松，不再產(chǎn)生內(nèi)力。

6)此時在構(gòu)件當(dāng)中，螺母8不再為構(gòu)件提供內(nèi)力，所以螺母8的去除也不會影響臨時受壓片Ⅰ2、臨時受壓片Ⅱ3以及臨時受壓片Ⅲ4之間的正壓力。最后，螺母8以及壓力測試器7都可以從機構(gòu)中去除。

在特制螺母5進行扭轉(zhuǎn)之前，特制螺母5與帶孔螺栓1之間不產(chǎn)生力的作用。帶孔螺栓1可以與特制螺母5產(chǎn)生沿螺栓方向的相對位移，當(dāng)扭轉(zhuǎn)特制螺母5后，帶孔螺栓1與特制螺母之間相互擠壓為螺栓提供預(yù)緊力。

最后，根據(jù)之前所測得的初始壓力F₁以及螺栓本身的彈性模量就可以算出第二次拉伸后螺栓的軸力F₂，該軸力F₂與銷釘與特制螺母中的螺紋產(chǎn)生擠壓力相等，即為螺栓的預(yù)緊力。

原理，如圖所示，螺栓整個拉伸過程可近似描述為一長度為L₁的圓柱體螺栓，經(jīng)過第一次拉伸后螺栓的總長為L₂，第一次拉伸后螺栓的軸力為F₁；第二次拉伸時，保持第一次拉伸后螺栓總長L₂不變，在M點處施加力F₂，(在放松狀態(tài)下MB＝L₂-L₁)使M點至B點之間的螺栓放松，且內(nèi)力為零。最后在M點施加的力F₂即為A點至M點之間螺栓的內(nèi)部軸力。整個過程相當(dāng)于在螺栓AB上截去MB，然后將AM拉長至L₁。計算過程如下：

已知：螺栓初始長度AB＝L₁，第一次伸長后螺栓的總長L₂，第一次拉伸后螺栓的軸力F₁，螺栓的彈性模量E，螺栓的橫截面積A。

螺栓進行第一次拉伸后，螺栓的軸力F₁與第一次拉伸后螺栓的總長L₂及螺栓的初始長度L₁的關(guān)系為：

$F_1=\frac{EA}{L_1}(L_2-L_1)---\left(1\right)$

第二次拉伸后，MB之間的距離為L₂-L₁，且MB段為放松狀態(tài)。

第二次拉伸后相當(dāng)于將螺栓AB中截去MB，然后將AM拉伸至長度為L₁；測試AM段的內(nèi)力為：

$F_2=\frac{EA}{L_1-(L_2-L_1)}(L_2-L_1)---\left(2\right)$

整理(1)、(2)兩式可以算出第二次拉伸后螺栓的軸力F₂的大小為：

$F_2=\frac{F_{1}EA}{EA-F_1}---\left(3\right)$

最后可以得出，第二次拉伸后螺栓的內(nèi)力與螺栓初始長度L₁以及第二次拉伸后的長度L₂都沒有關(guān)系，只與螺栓第一次拉伸后的內(nèi)力F₁，以及螺栓本身的彈性模量E，及螺栓橫截面面積A有關(guān)。

在實際應(yīng)用中個，最后算的螺栓預(yù)緊力不受接觸摩擦力，扭矩等外在因素影響，只與螺栓本身使用的鋼材及截面大小有關(guān)，所以最后算的的預(yù)緊力大小相對于以往的扭矩扳手測扭矩法更加精確，相對于測量螺栓伸長量計算螺栓預(yù)緊力的方法更加簡便。

需說明，本發(fā)明保護范圍不限于以上圖示實例尺寸與相應(yīng)構(gòu)件參數(shù)。在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。