一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量的螺栓及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于緊固件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量的螺栓及測(cè)量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 螺栓廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)械、建筑、橋梁等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)，被稱(chēng)為"工業(yè)之米"； 其具有通用性強(qiáng)、安裝成本較低、可重復(fù)拆裝等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 為保證連接結(jié)構(gòu)的剛度、可靠性、密封、防松及提高螺栓疲勞強(qiáng)度等應(yīng)用要求，大 部分螺栓在安裝過(guò)程中均需進(jìn)行預(yù)緊處理：即在裝配時(shí)對(duì)螺栓施加一定的預(yù)緊應(yīng)力；大量 的試驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)證明：較高的預(yù)緊力對(duì)連接的可靠性和被連接件的壽命都是有益的，特 別是對(duì)有密封要求的連接更為必要;為防止螺栓預(yù)緊過(guò)載或預(yù)緊不足，對(duì)螺栓的預(yù)緊應(yīng)力 需進(jìn)行精確控制。
[0004] 文獻(xiàn)《緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，對(duì)于受拉螺栓連接，〇P(預(yù)緊應(yīng)力）的取值通常如 下： 在一般機(jī)械，〇p=(0.5 ~0.7)〇s; 航空航天機(jī)械，σρ * 〇 · 35〇s; 在特殊連接如高強(qiáng)度螺栓摩擦連接σρ ? 0.75〇s; 為保證預(yù)緊力加載的精度，人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中采取了眾多的控制措施控制螺栓預(yù)緊應(yīng) 力；如：擰緊力矩法、長(zhǎng)度測(cè)量法、扭轉(zhuǎn)角度控制法、應(yīng)變片測(cè)量法、液壓拉伸法和加熱預(yù)伸 長(zhǎng)法。
[0005] 目前控制螺栓預(yù)緊力方法簡(jiǎn)述如下： (1)力矩法:采用扭力扳手:通過(guò)控制擰緊力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)控制預(yù)緊力，力矩法是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng) 期普遍采用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是較簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備、費(fèi)用少，但測(cè)得的 預(yù)緊力值誤差大而且分散，一般誤差±25%。這主要是由于連接件和被連接件的表面質(zhì)量 (包括粗糙度、螺紋精度、潤(rùn)滑、鍍層等)和擰緊速度的差別所造成的。
[0006] (2)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)法:螺栓原始長(zhǎng)度為L(zhǎng)s(mm)，設(shè)計(jì)規(guī)定的預(yù)緊力為Qp(N)時(shí)，擰緊 后需要的螺栓長(zhǎng)度L's為：
式中Cb--螺栓的剛度，N/mm。
[0007] 由于螺栓的剖面面積沿螺栓長(zhǎng)度有變化，由公式計(jì)算出的結(jié)果不十分準(zhǔn)確，可以 材料拉伸試驗(yàn)機(jī)繪制"載荷一伸長(zhǎng)"標(biāo)定曲線；安裝時(shí)根據(jù)測(cè)得的伸長(zhǎng)量可得出預(yù)緊力，誤 差為±(3~5)%;為保證測(cè)量的精確，螺栓兩端應(yīng)精加工，且僅適用于安裝結(jié)構(gòu)有足夠測(cè)量 空間的場(chǎng)合;一般僅用于特殊需要場(chǎng)合。
[0008] (3)扭角法:其原理與測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)法相同，只是將伸長(zhǎng)量改為螺母從原始擰緊位 置(所有被連接件緊貼)再旋擰的角度Θ。
式中P-螺栓螺紋螺距，mm Cb一螺栓的剛度，N/mm Qp-螺栓的預(yù)緊力，N 為確定原始擰緊位置和旋擰角度，需要進(jìn)行必要的測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)得的預(yù)緊力值誤差± 15%，對(duì)于彈性連接副及連接副表面不平整的情況將會(huì)產(chǎn)生極大的誤差。
[0010] (4)應(yīng)變片法:將特制的電阻應(yīng)變片作為敏感元件，粘貼在被測(cè)螺栓的光桿上，擰 緊螺栓時(shí)，螺栓受預(yù)緊力變形，導(dǎo)致電阻應(yīng)變計(jì)的電阻變化，在一定范圍內(nèi)電阻變化與螺栓 應(yīng)變成線性比例關(guān)系，由此即可推算出螺栓中的預(yù)緊力。這種方法精度高，測(cè)得的預(yù)緊力值 誤差一般為±1%;但工藝復(fù)雜，費(fèi)用較高。且需要一定的測(cè)量空間。
[0011] (5)液壓拉伸法:液壓拉伸法為采用液壓缸在螺栓和被連接工件間預(yù)拉所需加載 的預(yù)緊力，然后旋合螺母至表面貼合，貼合后卸除液壓缸加載的預(yù)拉力。這種方法具有裝配 快捷、預(yù)緊精度高等優(yōu)點(diǎn)。但預(yù)拉端必須留有足夠長(zhǎng)的預(yù)拉螺紋和液壓設(shè)備空間，對(duì)于大規(guī) 格螺栓復(fù)雜構(gòu)件的裝配通常難以實(shí)現(xiàn)。
[0012] (6)加熱預(yù)伸長(zhǎng)法:加熱預(yù)伸長(zhǎng)法利用材料的熱脹冷縮原理，在裝配前將螺栓加熱 至一定的溫度后裝配，利用冷卻收縮產(chǎn)生預(yù)緊力。該方法適用于大截面、長(zhǎng)規(guī)格及預(yù)緊力要 求不高的場(chǎng)合。
[0013] 然而船用槳葉螺栓用于固定螺旋槳和槳轂，安裝有嚴(yán)格的預(yù)緊力控制要求;受產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)及流體力學(xué)線型控制要求的限制，安裝空間狹小，無(wú)法采用比較精確的應(yīng)變計(jì)法、液 壓拉伸法和傳統(tǒng)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)法；目前只能采用力矩法或扭角法進(jìn)行預(yù)緊應(yīng)力控制，但采 用力矩法或扭角法進(jìn)行預(yù)緊應(yīng)力控制的精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為了克服現(xiàn)有螺栓預(yù)緊應(yīng)力測(cè)量方法繁瑣，控制精度較低的不足，本發(fā)明的目的 在于提出一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量的螺栓及測(cè)量方法。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量的螺栓，所述的螺栓具有螺栓頭和螺栓桿;所述螺栓桿連接在螺 栓頭的下端;所述螺栓桿由上向下依次為光桿和螺桿;所述螺栓頭的中心、螺栓桿所述光桿 的中心均具有用以測(cè)長(zhǎng)桿穿過(guò)的通孔;螺栓桿所述螺桿的中心具有與測(cè)長(zhǎng)桿螺紋連接的螺 紋孔，且螺栓桿中心所具有螺紋孔的直徑大于螺栓桿所述通孔的直徑;所述的測(cè)長(zhǎng)桿具有 由上向下依次設(shè)置的螺紋段和測(cè)量段，測(cè)長(zhǎng)桿所述螺紋段的直徑大于測(cè)量段的直徑，且測(cè) 長(zhǎng)桿所述螺紋段的長(zhǎng)度小于螺栓桿所述螺紋孔的長(zhǎng)度;測(cè)長(zhǎng)桿所述測(cè)量段的端面為平面， 且與測(cè)長(zhǎng)桿的軸線垂直;所述螺栓頭的上端端面為與測(cè)長(zhǎng)桿的軸線垂直的平面;在螺栓安 裝前所述測(cè)長(zhǎng)桿穿過(guò)螺栓頭中心所具有的通孔、螺栓桿所述光桿中心所具有的通孔，并由 測(cè)長(zhǎng)桿的螺紋段與螺栓桿螺紋連接為一體，且所述測(cè)長(zhǎng)桿的中心線與所述螺栓桿的中心線 重合;在螺栓安裝過(guò)程中，螺栓受拉伸長(zhǎng)，位于螺栓內(nèi)部的測(cè)長(zhǎng)桿由于不受載荷保持原始長(zhǎng) 度，通過(guò)比較安裝前和安裝后螺栓與測(cè)長(zhǎng)桿間的差值，即可準(zhǔn)確獲得螺栓伸長(zhǎng)量，避免了復(fù) 雜的測(cè)量結(jié)構(gòu)。
[0016] 螺栓頭的中心、螺栓桿所述光桿中心的所具有通孔的直徑dl與螺栓桿所述光桿的 直徑Do需滿(mǎn)足cUVDo2 < 0.05，由于螺栓桿光桿截面面積的減小會(huì)導(dǎo)致螺栓承載應(yīng)力加大，截 面面積減小不高于5%，避免過(guò)大的截面面積減小造成螺栓過(guò)載。
[0017] 測(cè)長(zhǎng)桿螺紋段的長(zhǎng)度2 1.2倍測(cè)長(zhǎng)桿螺紋段螺紋公稱(chēng)直徑，測(cè)長(zhǎng)桿在裝配后通過(guò) 螺紋安裝實(shí)現(xiàn)測(cè)長(zhǎng)桿的中心線與所述螺栓桿的中心線重合。
[0018] 所述測(cè)長(zhǎng)桿的螺紋段端部加工與安裝工具配合用的凹槽，用以保證測(cè)長(zhǎng)桿的安裝 和拆卸。
[0019] -種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量螺栓的測(cè)量方法，該測(cè)量方法采用上述一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量 的螺栓進(jìn)行測(cè)量，其具體步驟如下： 1) 在螺栓安裝前，首先在螺栓的中心部位安裝測(cè)長(zhǎng)桿，即:所述測(cè)長(zhǎng)桿穿過(guò)螺栓頭中心 所具有的通孔、螺栓桿所述光桿中心所具有的通孔，并由測(cè)長(zhǎng)桿的螺紋段與螺栓桿螺紋連 接為一體，且所述測(cè)長(zhǎng)桿的中心線與所述螺栓桿的中心線重合;所述測(cè)長(zhǎng)桿的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)l， 測(cè)長(zhǎng)桿測(cè)量段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，測(cè)長(zhǎng)桿螺紋段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)I-L 2;測(cè)長(zhǎng)桿測(cè)量段的端面作為長(zhǎng)度測(cè) 試平面； 2) 將測(cè)長(zhǎng)桿與螺栓桿安裝為一體后，利用深度尺測(cè)量測(cè)長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度測(cè)試平面與螺栓頭 上端端面之間的距離，并記為L(zhǎng)a ; 3) 然后對(duì)螺栓進(jìn)行安裝，在安裝過(guò)程中，螺栓受拉伸長(zhǎng)，位于螺栓內(nèi)部的測(cè)長(zhǎng)桿由于不 受載荷保持原始長(zhǎng)度，然后利用深度尺測(cè)量測(cè)長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度測(cè)試平面與螺栓頭上端端面之間 的距離，并記為L(zhǎng)b; 4) 計(jì)算步驟3)所得到的距離Lb與步驟2)所得到的距離La的差值，即可獲得準(zhǔn)確的螺 栓伸長(zhǎng)量，避免了復(fù)雜的測(cè)量結(jié)構(gòu)。
[0020] 本發(fā)明提出的一種可測(cè)預(yù)緊伸長(zhǎng)量的螺栓及測(cè)量方法，采用上述技術(shù)方案，具有 如下有益效果： 1)采用在螺栓中心部位通過(guò)機(jī)械加工方法加工測(cè)長(zhǎng)桿安裝結(jié)構(gòu)和測(cè)量結(jié)構(gòu)，測(cè)長(zhǎng)桿與 螺栓桿之間采用螺紋安裝便于安裝裝配，且通過(guò)足夠長(zhǎng)的螺紋導(dǎo)向，避免了測(cè)長(zhǎng)桿在內(nèi)部 發(fā)生偏斜，影響了測(cè)量精度。
[0021] 2)測(cè)長(zhǎng)桿螺紋段端部加工有槽狀扭矩加載結(jié)構(gòu)，保證了測(cè)長(zhǎng)桿的安裝和拆卸。
[0022] 綜上所述，本發(fā)明在不改變目前螺栓安