[发明专利]一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧工艺及装置

权利要求书

1.一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧装置，其特征在于，该小尺寸螺栓预紧装置包括轴向预载加载部件、螺栓预紧力检测部件和螺栓螺纹扭矩检测部件；

轴向预载加载部件包括分离式液压泵(1)、加载头(2)、压力传感器a(3)、移动支撑板(13)和轴向预载加载柱(4)；分离式液压泵(1)固定于加载台(12)上，加载台(12)上布置多根支撑柱，分离式液压泵(1)一端螺栓固定于支撑柱上；加载头(2)连接于分离式液压泵(1)与压力传感器a(3)间，压力传感器a(3)与压力显示器连接，实时显示压力值；移动支撑板(13)的中间带有球面的加载柱，其端部通过轴承(16)连接在支撑柱上，并在轴承(16)的带动下上下移动；轴向预载加载柱(4)为T型结构，移动支撑板(13)上的加载柱与轴向预载加载柱(4)球面配合，在加载过程中起定心作用；移动支撑板(13)受力向上移动，其加载柱通过轴向预载加载柱(4)向螺栓(8)周围施加压力；压力传感器a(3)安装在移动支撑板(13)的下表面；

螺栓预紧力检测部件包括压力传感器b(6)、T型夹具(5)、可更换垫片(17)、螺栓(8)、螺母(9)、被连接件(7)和支撑板(14)；T型夹具(5)、压力传感器b(6)、支撑板(14)和被连接件(7)依次通过螺栓(8)固定连接；其中，T型夹具(5)装于“几”字凹槽底部；压力传感器b(6)呈环状，T型夹具(5)的“几”字凹槽与压力传感器b(6)的内环配合；压力传感器b(6)与压力显示器连接，实时显示压力值；

螺栓螺纹扭矩检测部件包括扭矩传感器(10)、槽型夹具(11)和上板(15)；槽型夹具(11)、扭矩传感器(10)和上板(15)依次固定连接，上板(15)固定在支撑柱上；被连接件(7)固定在槽型夹具(11)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧装置，其特征在于，加载头(2)顶面为球面，与分离式液压泵(1)上表面配合，在加载过程中起定心作用。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧装置，其特征在于，所述加载台(2)底板、上板(15)和支撑柱通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧装置，其特征在于，螺栓(8)与T型夹具(5)之间放置可更换垫片(17)。

5.根据权利要求3所述的一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧装置，其特征在于，螺栓(8)与T型夹具(5)之间放置可更换垫片(17)。

6.一种基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧工艺，其特征在于，基于轴向预载的小尺寸螺栓预紧力模型建立依据以下过程：

螺栓(8)连接过程中，先对被连接件(7)施加轴向力F_N，被连接件产生压缩变形：

式中，Δl₁为被连接件(7)受轴向预载产生压缩变形，F_N为轴向预载力，l₁为被连接件原始厚度，EA₁为被连接件刚度；

被连接件(7)受压产生应变能：

式中，V_∈1为压缩应变能；

施加轴向预载后，再施加螺栓预紧力，螺栓预紧力小因此产生的轴向变形视为零；卸载后被连接件(7)的应变能一部分转换为螺栓的应变能，使螺栓(8)产生预紧力，此时被连接件(7)应变能由两部分组成：

V_ε1＝V_ε2+V_ε3

式中，V_ε2为卸载后的被连接件(7)应变能，V_ε3为螺栓(8)应变能，F_a为螺栓(8)预紧力，l₁为被连接件(7)原始厚度，EA₁为被连接件(7)刚度，l₂为螺栓(8)原始长度，EA₂为螺栓(8)刚度；

由此推出，轴向预载与螺栓(8)预紧力的关系：

式中，F_a为螺栓(8)预紧力，F_N为轴向预载力，l₁为被连接件(7)原始厚度，EA₁为被连接件(7)刚度，l₂为螺栓(8)原始长度，EA₂为螺栓(8)刚度。