[发明专利]一种螺栓拧紧力矩系数测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及螺栓试验技术领域，关键是涉及螺纹连接预紧过程中拧紧力矩系数的 测量。

背景技术

螺栓连接具有连接刚性好，重量轻，结构简单，装拆方便等优点，是机械结 构中最为常见的一种连接方式，其在装配时都需要施加一定的预紧力，目的是增 强连接的刚度、紧密性和防松能力，防止受载后被连接件之间出现缝隙或滑移。 预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，连接螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈 服、松脱、延迟断裂；预紧力过小，被连接件在结构工作载荷作用下会发生间隙 或松动，使结构不能正常工作。所以，装配时需要对螺栓施加适当的轴向预紧力。 目前在装配工艺上最经济的方法是通过控制扭矩来间接实现对螺栓轴向预紧力 的控制，在装配过程中直接测量预紧力是非常困难的，因此应准确测量螺栓预紧 过程中拧紧力矩系数的大小。

通过扭矩扳手施加拧紧力矩，使螺栓得到一定的预紧力，拧紧力矩T与它所 引起的螺栓预紧力之间的关系由拧紧力矩系数确定，如公式(1)。k的数值在螺 纹连接的设计计算及施工工艺中都很重要，德、美、日诸国对这方面的研究比较 重视，但也因k值在实测中离散性较大，而感到不易妥善处理。如德国在1956年 的标准中取k＝0.18，1983年改为k＝0.193，后来美、英两国的规范又要求在使用的 螺栓中进行抽样扭矩拧紧试验来确定k值，均说明k值的影响因素较多，实测k值 离散性较大。

拧紧力矩与螺栓预紧力关系的简单表达式为：

T＝k·F·d(1)

其中，k-拧紧力矩系数，d-螺栓公称直径(单位：mm)，F-预紧力(单位： KN)。

拧紧力矩系数k主要与螺旋升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被连接件支承 面间的摩擦系数有关，实测螺栓的拧紧力矩系数对于指导螺栓的实际安装具有重 要意义。

目前工程中螺栓预紧力的测量主要有以下几种方法。

(1)螺栓杆上贴应变片的方法

该方法可直接获得螺栓或螺栓组的预紧力，但存在很多限制：首先，该方法 在实施过程中需要在每一个被测螺栓的螺杆上贴多个应变片，不仅繁琐，而且对 操作者粘贴应变片的水平要求较高，应变片需求量较大；其次，该方法要求被试 螺栓与被连接件之间留出足够的空间放置应变片引线，且在被连接件上要有可以 引出应变片引线的空隙。最后，该方法对于短螺栓是不适用的，根据圣维南原理 可知，对于短螺栓来说，螺栓杆上的受力是不均匀的，通过直接在螺栓杆上贴应 变片来测量仅能反映被测螺栓表面的应力，并且螺栓在施拧时表面会产生一定的 剪切变形导致测量结果与实际轴向应力有偏差，所以，这种方法是不准确的。

(2)直接测长法

直接测长法通过在螺栓拧紧前和拧紧后分别测量螺栓的长度，对比两次数据 得出螺栓拧紧之后的伸长量，根据螺栓的有效连接长度以及螺栓刚度计算得到拧 紧后螺栓的预紧力。该方法可以比较精确地测得螺栓预紧力，但受被连接件形式 的限制较大，不能测量箱体等盲孔螺栓组的预紧力，实际操作起来比较困难。

(3)超声波法

超声波法是依据超声波在不同应力状态的螺栓内部传播速度不同的原理实 现螺栓预紧力的测量。该方法为无损检测方法，测试较为方便，但需要对螺栓两 个端面进行预处理，测量时需要耦合剂，而且测量精度受操作者的影响较大。

(4)垫片式力传感器方法

该方法可直接测量螺栓连接中的螺栓在拧紧过程以及拧紧之后的预紧力变 化曲线，同时该方法便于装配现场、振动等环境中监测螺栓拧紧过程中以及拧紧 之后的预紧力。但是，由于传感器体积的限制，只能测量规格较大的螺栓，对于 短螺栓来说是不适用的。另外，传感器的成本比较高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种螺栓拧紧力矩系数的测试装置，该 装置能够直观、准确的测量螺栓预紧力、拧紧力矩以便于得出螺栓的拧紧力矩系 数(拧紧力矩系数为：k＝T/(F·d))，且整个装置结构简单、操作方便、测量数据 稳定可靠。