一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法，包括基座以及自上而下依次套设在被测螺栓上的螺栓套筒、连接件以及轴承支撑装置；基座上固定有试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被测螺栓上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。本发明可以单独检测螺栓头支撑面的摩擦系数，能够针对不同工程直径、不同等级、不同接触表面形貌、不同材料特性及不同预紧力等参数对螺栓头支撑面摩擦系数进行测量。为工程技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据支持，降低螺栓预紧力的离散度，保障螺栓连接性能满足工程需求。
【专利说明】一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于摩擦系数检测试验装置领域，具体涉及一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]螺纹连接(螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接等)由于其便于装拆与维护保养，已成为复杂机械系统装配中应用最普遍、最广泛的连接方式。目前，常见的螺纹拧紧方法主要有:扭矩法、扭矩/转角法、屈服点控制法和螺栓伸长量控制法等，其中扭矩法因其加载方便且易于控制，被广泛应用于工程实际当中。
[0003]大量文献表明，扭矩法在连接过程中，受到润滑方式、加工表面粗糙度、零件的材料(强度、硬度)、螺纹配合、零件形位误差等因素的影响，其连接性能参数表现出明显的不确定性，其中预紧力的误差范围在±5%?±35%，最差情况还达到±50%。目前，为了解决预紧力的离散度问题，大量学者提出通过理论方法构建拧紧扭矩与预紧力之间的关联模型，以期通过该模型以最终预紧力为目标准确设计拧紧扭矩量值，其中螺栓头支撑面摩擦系数是该模型中必不可少的参数。然而，在利用该理论模型计算拧紧扭矩时，通常凭借设计手册或者技术人员经验来确定螺栓头支撑面的摩擦系数，这在一定程度上影响了模型计算精度，而现有螺栓连接检测装置尚且不能独立测试螺栓头支撑面摩擦系数。因此，有必要提出一种能够检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，为工程技术人员在保障目标预紧力条件下准确设计拧紧扭矩提供基础数据依据，从而提高拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标预紧力的离散度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法，该试验装置能够改善拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标预紧力的离散度，同时为其他螺纹连接结构摩擦系数的检测提供方法参照。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，包括基座以及自上而下依次套设在被测螺栓上的螺栓套筒、连接件以及轴承支撑装置；基座上固定有试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被测螺栓上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。
[0007]所述的基座包括固定在底面上的铸铁平台和圆盘底座，铸铁平台的上表面开设有用于固定圆盘底座的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座上。
[0008]所述的试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架，三个L型支撑架以短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座上；连接件安装在三个L型支撑架的内侧，且连接件与L型支撑架的内侧接触面为圆弧面。
[0009]所述的连接件包括上连接件和下连接件，测量装置设置在上连接件与下连接件之间，上连接件的上表面开设有用于放置螺栓套筒的矩形槽，中间沿轴向开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；下连接件的下表面开设有用于安装轴承支撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；上连接件与下连接件的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件和下连接件的螺纹孔。
[0010]所述的轴承支撑装置包括套设在被测螺栓上的推力圆柱滚子轴承和轴承套筒，推力圆柱滚子轴承的轴圈设置在下连接件下表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承的座圈安装在轴承套筒上。
[0011]所述的加载装置包括设置在被测螺栓的螺栓头部的拧紧轴以及设置在被测螺栓底部的用于和拧紧轴相配合的螺母；拧紧轴上连接有用于控制拧紧轴的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈信号的数据处理模块。
[0012]所述的测量装置包括用于实时监测被测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化信号的垫圈式力传感器以及分别设置在垫圈式力传感器上表面和下表面上的力传感器上垫片和力传感器下垫片；垫圈式力传感器套装在被测螺栓上，并固定在上连接件和下连接件之间；垫圈式力传感器还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。 [0013]一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验方法，包括以下步骤:
[0014]I)依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集系统的信号转换比率；
[0015]2)选取与被测螺栓内径相匹配的螺栓套筒，将被测螺栓套筒安装在上连接件上表面的矩形槽中，再将上连接件固定在L型支撑架上；
[0016]3)依次安装被测螺栓、垫圈式力传感器、下连接件、推力圆柱滚子轴承、轴承套筒和螺母，通过螺母预紧被测螺栓，约束下连接件周向转动；
[0017]4)通过内六方套筒固定被测螺栓的螺栓头部，拧紧螺母，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器的读数，待其示值稳定后，记录此值F ;
[0018]5)通过拧紧轴旋转被测螺栓的螺栓头部，记录拧紧控制系统中扭矩随时间的变化曲线，提取数据处理模块中扭矩稳定值Tb ；
[0019]6)通过测量的数据F和Tb推算螺栓头支撑面的摩擦系数，公式如下:
[0020]
【权利要求】
1.一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:包括基座以及自上而下依次套设在被测螺栓(7)上的螺栓套筒(6)、连接件以及轴承支撑装置；基座上固定有试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被测螺栓(7)上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓(7)施加预紧力的加载装置。
2.如权利要求1所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的基座包括固定在底面上的铸铁平台(I)和圆盘底座(2)，铸铁平台的上表面开设有用于固定圆盘底座(2)的T型槽,试验台支撑件固定在圆盘底座(2)上。
3.如权利要求2所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架(3)，三个L型支撑架(3)以短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座(2)上；连接件安装在三个L型支撑架(3)的内侧，且连接件与L型支撑架(3)的内侧接触面为圆弧面。
4.如权利要求1所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的连接件包括上连接件(5)和下连接件(4)，测量装置设置在上连接件(5)与下连接件(4)之间，上连接件(5)的上表面开设有用于放置螺栓套筒(6)的矩形槽，中间沿轴向开设有能够使被测螺栓(7)穿过的通孔；下连接件(4)的下表面开设有用于安装轴承支撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓(7)穿过的通孔；上连接件(5)与下连接件(4)的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件(5)和下连接件(4)的螺纹孔。
5.如权利要求4所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的轴承支撑装置包括套设在被测螺栓(7)上的推力圆柱滚子轴承(12)和轴承套筒(13)，推力圆柱滚子轴承(12)的轴圈设置在下连接件(4)下表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承(12)的座圈安装在轴承套筒(13)上。
6.如权利要求1所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的加载装置包括设置在被测螺栓(7)的螺栓头部的拧紧轴(8)以及设置在被测螺栓(7)底部的用于和拧紧轴(8)相配合的螺母(14);拧紧轴(8)上连接有用于控制拧紧轴(8)的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈信号的数据处理模块。
7.如权利要求1所述的一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，其特征在于:所述的测量装置包括用于实时监测被测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化信号的垫圈式力传感器(10)以及分别设置在垫圈式力传感器(10)上表面和下表面上的力传感器上垫片(9)和力传感器下垫片(11);垫圈式力传感器(10)套装在被测螺栓(7)上，并固定在上连接件(5)和下连接件(4)之间；垫圈式力传感器(10)还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器(10)通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。
8.一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集系统的信号转换比率； 2)选取与被测螺栓(7)内径相匹配的螺栓套筒(6)，将螺栓套筒(6)安装在上连接件(5 )上表面的矩形槽中，再将上连接件(5 )固定在L型支撑架(3 )上；3)依次安装被测螺栓(7)、垫圈式力传感器(10)、下连接件(4)、推力圆柱滚子轴承(12)、轴承套筒(13)和螺母(14)，通过螺母(14)预紧被测螺栓(7)，约束下连接件(4)周向转动； 4)通过内六方套筒固定被测螺栓(7)的螺栓头部，拧紧螺母(14)，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器(10)的读数，待其示值稳定后，记录此值F ; 5)通过拧紧轴(8)旋转被测螺栓(7)的螺栓头部，记录拧紧控制系统中扭矩随时间的变化曲线，提取数据处理模块中扭矩稳定值Tb ； 6)通过测量的数据F和Tb推算螺栓头支撑面的摩擦系数，公式如下:
【文档编号】G01N19/02GK103728241SQ201310471085
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】洪军, 朱林波, 杨国庆, 蒋翔俊, 屈云鹏 申请人:西安交通大学