用于测量垫圈中的应变的组件和方法与流程

1.本公开涉及一种用于例如在垫圈安装为包括螺栓、垫圈和螺母的螺栓组件的一部分时测量垫圈上的载荷的设备和方法。


背景技术：

2.垫圈是通常用于控制和分配来自螺栓或螺母的载荷的一种类型的硬件。垫圈可以由多种材料制成，并且可以以各种类型和形状(包括环形垫圈、齿形锁紧垫圈、有耳垫圈、分体垫圈、贝氏(belleville)垫圈等)存在。
3.许多应用要求螺栓组件(即螺栓、螺母和可选的垫圈)被紧固并维持预定阈值内的载荷。为了实现这一点，通常以特定的扭矩来紧固螺栓，该特定的扭矩由例如各种扭矩扳手工具或类似工具来控制。尽管扭矩扳手是用于控制螺栓上的载荷的便宜且简单的工具，但是由于例如螺栓组件中的摩擦以及螺栓组件与螺栓组件紧固到其上的应用之间的摩擦，扭矩扳手的精度较差。在控制已经安装的螺栓组件上的载荷时，扭矩扳手也是不实用的，因为必须执行费时的松动和随后的拧紧程序才能测量载荷。
4.多年来，针对如何测量螺栓组件中的载荷，已经开发了扭矩扳手的各种替代方案。这通常包括通过直接使用安装在螺栓组件中某处(例如安装在螺母或垫圈中)的压力计来测量载荷，或者根据螺栓的膨胀来估算载荷的方法。后者通常通过使用超声测量来进行测量，该超声测量利用声脉冲的传输时间来确定螺栓的膨胀。
5.然而，存在与这些替代方法有关的问题，因为它们例如可能操作起来很麻烦、昂贵和/或费时，或者它们在测量螺栓载荷时没有提供足够的灵敏度。直接使用安装在螺栓组件中某处的压力计需要例如复杂的组装方法和大量的布线，从而导致高昂的生产成本、缩短的使用寿命以及与执行载荷测量相关的困难。另一方面，由于螺栓的蠕变涉及随着时间从弹性变形到塑性变形的转变，因此螺栓的膨胀的超声测量的可靠性不佳。
6.本发明的目的是针对如何测量螺栓组件上的载荷提供一种改进的解决方案。


技术实现要素：

7.在本发明的第一方面，本发明提供了一种应变测量垫圈组件，其包括：板状垫圈主体，所述板状垫圈主体至少设置有延伸穿过所述板状垫圈主体的垫圈主体中心开口，垫圈主体外周表面，以及围绕所述垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体；声音发射装置，其定位在所述垫圈主体外周表面上并被配置为向所述板状垫圈主体中发射声音信号；以及声音检测装置，其定位在所述垫圈主体外周表面上并被配置为检测来自所述板状垫圈主体的声音信号的回声响应。所述板状垫圈主体还可以设置有与封闭的内部腔体相连的第二腔体。所述板状垫圈主体还可以附加地或替代地设置有与板状垫圈主体的任何其他内部腔体隔开的内部参考腔体。
8.根据本发明的一个实施例，所述应变测量垫圈组件的板状垫圈主体可以包括基板主体和盖，其中，所述基板主体至少设置有延伸穿过基板主体的基板主体中心开口、基板主
体外周表面、以及位于基板主体顶侧上的封闭凹部，所述凹部围绕所述基板主体中心开口并且在由所述基板主体中心开口和基板主体外周限定的边界内延伸，并且其中所述盖被配置为熔合到所述基板主体顶侧，从而形成一个完整的板状垫圈主体，其中所述基板主体中的凹部形成所述板状垫圈主体中的封闭的内部腔体。所述基板主体还可以在基板主体顶侧上设置有第二凹部，所述第二凹部在由基板主体中心开口和基板主体外周限定的边界内延伸，并且其中当所述盖熔合到基板主体顶侧时，所述第二凹部形成板状垫圈主体中的第二腔体。
9.根据本发明的一个实施例，所述第二腔体可以成形为矩形箱体或球体。
10.根据本发明的又一实施例，所述板状垫圈主体中的任何所述腔体可以填充有流体。所述板状垫圈主体可以在垫圈主体外周表面上设置有流体填充端口，所述流体填充端口包括穿过板状垫圈主体进入封闭的内部腔体的可密封通道。
11.根据本发明的一个实施例，所述声音发射装置和声音检测装置可以被定位成彼此相邻。所述声音发射装置和声音检测装置可以替代地构成一个单元。
12.根据本发明的又一实施例，所述板状垫圈主体可以是环形主体，所述环形主体平行于其中心主轴线延伸一定长度。
13.在本发明的第二方面，本发明提供了一种垫圈应变测量方法，所述方法包括以下步骤：提供板状垫圈主体，所述板状垫圈主体至少设置有延伸穿过所述板状垫圈主体的垫圈主体中心开口、垫圈主体外周表面、以及围绕所述垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体；在所述垫圈主体外周表面上提供声音发射装置；在所述垫圈主体外周表面上提供声音检测装置；通过所述声音发射装置向所述板状垫圈主体中发射声音信号；通过所述声音检测装置检测来自板状垫圈主体的声音信号的声音的回声响应；以及至少基于声音的回声响应来计算所述板状垫圈主体的应变。
14.根据本发明的一个实施例，所述板状垫圈主体还可以设置有与封闭的内部腔体相连的第二内部腔体。
15.根据本发明的另一实施例，所述板状垫圈主体还可以设置有与板状垫圈主体的任何其他内部腔体隔开的内部参考腔体。
16.根据本发明的另一实施例，发射的声音信号是声音脉冲。声音的回声响应可以包括从板状垫圈主体的内部腔体中的至少一个的至少一个内表面反射的声音脉冲的回声响应，并且计算应变测量垫圈组件的应变可以基于声音脉冲的发射与声音的回声响应的检测之间的时间延迟。
17.根据本发明的又一实施例，发射的声音信号可以是连续的声音信号。连续的声音信号可以包括在1mhz和10mhz之间的范围内的声音频率。声音的回声响应可以包括在板状垫圈主体的内部腔体中的至少一个中共振的声音信号的回声响应，并且计算应变测量垫圈组件的应变可以基于板状垫圈主体中的内部腔体中的至少一个的共振频率。
18.根据本发明的又一实施例，回声响应可以包括来自内部参考腔体的参考回声响应，并且垫圈应变测量方法还可以包括以下步骤：至少基于所述参考回声响应计算板状垫圈主体的参考应变；以及至少基于计算的应变和计算的参考应变估算板状垫圈主体的真实应变。
19.根据所附权利要求，其他有利特征将是显而易见的。
附图说明
20.为了使本发明更容易理解，下面的讨论将参考附图，其中：
21.图1a是包括板状垫圈主体、声音发射装置和声音检测装置的应变测量垫圈组件的示意图；
22.图1b是板状垫圈主体的截面视图的示意图，该板状垫圈主体设置有围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体；
23.图2是不同形状的垫圈主体的一些示例的示意图；
24.图3a是板状垫圈主体的截面的示意图，该板状垫圈主体设置有围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体；
25.图3b是板状垫圈主体的截面的示意图，该板状垫圈主体设置有围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体，并且设置有与该封闭的内部腔体相连的第二腔体；
26.图4a是包括基板主体和盖的板状垫圈主体的示意图，其中基板主体至少在其顶侧上设置有围绕基板主体中心开口的封闭凹部；
27.图4b是包括基板主体和盖的完整的板状垫圈主体的示意图；
28.图5a是包括基板主体和盖的板状垫圈主体的示意图，其中基板主体至少在其顶侧上设置有凹部，当盖被熔合到基板主体上时，该凹部形成第二腔体；
29.图5b是包括基板主体和盖的板状垫圈主体的截面视图的示意图，其中基板主体至少在其顶侧上设置有凹部，当盖被熔合到基板主体上时，该凹部形成第二腔体；
30.图6a是板状垫圈主体的截面的示意图，该板状垫圈主体设置有围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体；
31.图6b是板状垫圈主体的截面的示意图，该板状垫圈主体设置有围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体，并且设置有与该封闭的内部腔体相连的球形的第二腔体；
32.图7是包括板状垫圈主体的应变测量垫圈组件以及该板状垫圈主体的截面视图的示意图，该板状垫圈主体设置有封闭的内部腔体，该内部腔体围绕垫圈主体中心开口并填充有流体；
33.图8是包括板状垫圈主体的应变测量垫圈组件以及该板状垫圈主体的截面视图的示意图，其中该板状垫圈主体设置有封闭的内部腔体和位于垫圈主体外周表面上的流体填充端口；
34.图9a是包括基板主体和盖的板状垫圈主体的示意图，其中基板主体至少在基板主体顶侧上设置有第二凹部并且设置有流体填充端口；
35.图9b是包括基板主体和盖的完整的板状垫圈主体的示意图，其中基板主体至少设置有流体填充端口；
36.图10是包括基板主体和盖的板状垫圈主体的截面视图的示意图，其中基板主体至少设置有流体填充端口；
37.图11是包括板状垫圈主体、声音发射装置和声音检测装置的应变测量垫圈组件的示意图，其中，声音发射装置和声音检测装置构成一个单元；
38.图12是设置有声音发射装置和声音检测装置的板状垫圈主体的截面视图的示意图，其中，声音发射装置发射声音脉冲，该声音脉冲在板状垫圈主体的内部腔体内来回反弹；
39.图13是设置有声音发射装置和声音检测装置的板状垫圈主体的截面视图的示意图，其中，声音发射装置发射连续的声音，该声音在板状垫圈主体的内部腔体内共振；
40.图14a是设置有内部参考腔体的板状垫圈主体的截面的示意图；以及
41.图14b是设置有球形内部参考腔体的板状垫圈主体的截面的示意图。
具体实施方式
42.在下文中，将描述本发明的一般实施例以及特定的示例性实施例。将参考附图和可能的附图标记。然而，应当注意，附图仅是示例性实施例，并且其他特征和实施例完全可以在所描述的本发明的范围内。
43.本发明涉及使用声信号来测量螺栓组件上的载荷。
44.在本发明的第一方面，本发明提供了一种应变测量垫圈组件，其包括板状垫圈主体、声音发射装置和声音检测装置。
45.根据本发明的任一实施例，板状垫圈主体110可以具有使其适于用作垫圈的形状。这样的形状的示例在图2中示出，并且包括例如贝氏垫圈、波形垫圈、有耳垫圈、分体垫圈、齿形垫圈等的形状。垫圈主体的形状通常类似于普通垫圈/平垫圈的形状。普通垫圈/平垫圈可以被视为环形主体330，该环形主体330具有平行于其中心主轴线的非零延伸，垫圈主体中心开口120以及外周表面130。
46.图1示出了根据本发明的一个实施例的板状垫圈主体110，其中，板状垫圈主体至少设置有垫圈主体顶侧、垫圈主体底侧和垫圈主体外周表面130。垫圈主体顶侧和底侧均被配置为承受载荷，并且可以形成平面状且平行的表面，就像普通垫圈的顶侧和底侧一样。但是，它们通常可以采用任何形状和取向。垫圈主体外周表面130通常是竖直的并且垂直于垫圈主体顶侧和底侧，但是原则上其可以采用任何形状(例如圆形或倾斜的形状等)。
47.根据本发明，垫圈主体可以由适合于制造垫圈的任何材料(例如任何类型的金属或金属合金、聚合物、复合材料等)制成。该材料可以是可弹性或塑性变形的，并且可以基本上不渗透流体和/或惰性气体(例如氮气、氩气、氪气等)。
48.在图1中示出了板状垫圈主体，根据本发明，该板状垫圈主体至少设置有垫圈主体中心开口120和封闭的内部腔体。垫圈主体的内部腔体被垫圈主体完全嵌入/封闭，并且围绕垫圈主体中心开口120。内部腔体可以被成形为使得其形状围绕垫圈主体中心开口120的中心对称(例如被成形为环面或圆环面)。垫圈主体中心开口120延伸穿过垫圈主体，并且通常可以基本上是圆形的，从而可以引导常规螺栓穿过。替代地，其可以成形为任何螺丝刀头的任何类型(例如clutch、cross、double square、fearson、mortorq、pentalope、philips、torx、mortorq等)的多边形或截面形状。各种垫圈主体形状和垫圈主体中心开口形状的一些示例如图2所示。
49.如图3和图6所示，板状垫圈主体还可以设置有与封闭的内部腔体140相连的第二内部腔体170。因此，两个腔体将在垫圈主体内形成一个连续的腔体。第二腔体可以被配置为用作声共振器，并且可以采用各种几何形状(例如，矩形箱体270、球体370、立方体、亥姆霍兹共振器等)。
50.如图14所示，板状垫圈主体还可以设置有与板状垫圈主体的任何其他内部腔体隔开的内部参考腔体175。内部参考腔体175可以例如用作声共振器，并且可以采用各种几何
形状(例如，矩形箱体、球体175、立方体、亥姆霍兹共振器等)。根据本发明的该实施例，内部参考腔体可以成形为使得当板状垫圈主体承受载荷时，其暴露于尽可能小的压力。
51.垫圈主体中的任何腔体都可以如图7所例示的那样填充有流体290。该流体例如是可压缩的和/或具有取决于声速的压力，该流体诸如是各种惰性气体(例如稀有气体)，或者液体油(例如db级蓖麻油)。该流体可以替代地是不可压缩的和/或具有基本上为零的热膨胀系数。
52.图8示出了根据本发明的一个实施例的图示，其中板状垫圈主体设置有定位在垫圈主体外周表面130上的流体填充端口300。流体填充端口300被配置为用于用流体290填充垫圈主体的任何内部腔体。可以通过首先在腔体中产生真空，然后利用真空压力用流体290填充腔体来执行该操作。如图10所示，流体填充端口可以包括可密封通道310，该可密封通道310穿过板状垫圈主体进入封闭的内部腔体140中。
53.图1示出了根据本发明的一个实施例的声音测量垫圈组件，其中，声音发射装置150和声音检测装置160定位在垫圈主体外周表面130上。声音发射装置150至少被配置为向板状垫圈主体110中发射声音，而声音检测装置160至少被配置为检测来自板状垫圈主体110的声音。声音发射装置150发射的声音通常将穿过垫圈主体传播，在垫圈主体处，声音会被内表面反射和透射，直到它从垫圈主体传出或被吸收。发射的声音从垫圈主体传出的部分可以在本文中被定义为回声信号，或者替代地被定义为回声响应。这些术语在本文中可以互换使用，并且可以包括各种声音反射和/或共振信号。回声信号还被用于导出与垫圈主体有关的各种信息。这种信息可以例如包括从包括以下各项的组中选择的一个或多个量：垫圈中的声速；垫圈主体中的任何腔体中的声速；以及垫圈主体的变形水平。
54.如图4、图5和图9所示，应变测量垫圈组件100的板状垫圈主体110可以包括基板主体180和盖。基板和盖190可以具有基本类似的轮廓，并且被配置为熔合在一起以形成完整的板状垫圈主体110。基板主体180至少设置有延伸穿过基板主体180的基板主体中心开口200、基板主体外周表面210以及位于基板主体顶侧230上的封闭凹部220。封闭凹部220围绕基板主体中心开口200，并且在由基板主体中心开口200和基板主体外周限定的边界240内延伸。由此，封闭凹部220被成形为使得当盖190熔合到基板主体顶侧230时，其形成板状垫圈主体110中的封闭的内部腔体。
55.如图5所示，基板主体180还可以在基板主体顶侧230上设置有第二凹部260。根据本发明的该实施例，第二凹部260在由基板主体中心开口200和基板主体外周限定的边界240内延伸。因此，当盖190熔合到基板主体顶侧230时，第二凹部260在板状垫圈主体中形成第二内部腔体170。
56.根据本发明，声音发射装置和声音检测装置可以是电声换能器或电磁声换能器。该换能器可以是包括移动磁体换能器、基于移动线圈的换能器、基于压电晶体的换能器和磁致伸缩换能器的组中的换能器。声音信号的频率可以在1mhz和10mhz之间的范围内。该频率可以替代地高于10mhz或低于1mhz。
57.如图1所示，声音发射装置和声音检测装置160可以彼此相邻地定位(例如水平对齐或竖直对齐)。如图11所示，声音发射装置150和声音检测装置160可以替代地构成一个单元320，这意味着声音发射装置150与声音接收装置是同一装置。
58.在本发明的第二方面，本发明提供了一种垫圈应变测量方法。该方法包括以下步
骤：提供板状垫圈主体；在垫圈主体外周表面上提供声音发射装置；在垫圈主体外周表面上提供声音检测装置；通过声音发射装置向板状垫圈主体中发射声音信号；通过声音检测装置检测来自板状垫圈主体的声音信号的声音的回声响应；以及至少基于声音的回声响应来计算板状垫圈主体的应变。板状垫圈主体至少设置有延伸穿过板状垫圈主体的垫圈主体中心开口、垫圈主体外周表面以及围绕垫圈主体中心开口的封闭的内部腔体。板状垫圈主体可以设置有与封闭的内部腔体相连的第二内部腔体。替代地或附加地，板状垫圈主体可以设置有与板状垫圈主体的任何其他内部腔体隔开的内部参照腔体。垫圈应变测量方法的执行可以涉及将声音发射装置和声音检测装置永久地安装在板状垫圈主体上。因此，这种布置可用于持续地探测垫圈主体的应变，进而探测螺栓组件的应变。替代地，可以通过将声音发射装置和声音检测装置临时地设置在垫圈主体上以执行对垫圈主体的应变的一次性测量来执行垫圈应变测量方法。后一种方法允许设计具有内置声音发射装置和声音检测装置的任何形式的工具，这些工具可以按需提供在安装在应用上的垫圈主体上。
59.根据本发明的一个实施例，发射的声音信号是声音脉冲340。如图12所示，声音脉冲340可以穿过垫圈主体传播，直到它与垫圈主体的任何外部或内部界面发生碰撞，该界面通过反射和透射过程使声音脉冲340分成两个部分声音脉冲。各种部分声音脉冲本身可能会经历后续的反射和透射过程，从而导致一系列的部分声音脉冲在垫圈主体内来回反弹。在碰到垫圈主体的外表面时，任何部分声音脉冲将部分地从垫圈主体传出，因此可由检测器装置检测到。根据本发明的该实施例，从垫圈主体传出的所有部分声音脉冲的总和可以构成回声信号。声音脉冲可以被视为瞬态声音信号。脉冲可以是尖脉冲或宽脉冲。
60.如图12所示，声音脉冲340可以在与垫圈主体的内部腔体的界面碰撞时经历部分反射和透射过程。因此，声音脉冲的一部分将被界面反射，而另一部分将被透射到腔体中。透射部分随后将横跨腔体并与腔体的相对界面碰撞，在该相对界面处，透射部分将经历另一反射和透射过程，该过程将产生第二反射声音部分以及第二透射声音部分。第二反射声音部分随后将留在腔体中并重复该过程，这导致声音脉冲周期性地从腔体传出，并因此从垫圈主体传出。两个连续的声音脉冲从腔体传出之间的时间即由腔体的形状和大小以及腔体中介质中的声速确定。因此，知道腔体的形状以及从腔体/垫圈主体传出的两个连续声音脉冲之间的时间，就能够计算出腔体中介质中的声速。因此，可以使用信号的发射与从腔体/垫圈主体传出的各种声音脉冲的检测之间的时间来计算腔体中介质中的声速。
61.在本发明的一个实施例中，发射的声音信号可以是特征在于具有有限的时长(通常在微秒范围内)的声音脉冲。声音的回声响应至少包括从板状垫圈主体的内部腔体中的至少一个的至少一个内表面反射的声音脉冲的回声响应。因此，板状垫圈主体的应变的计算可以基于声音脉冲的发射与声音的回声响应的检测之间的时间延迟。应变的计算可以基于来自垫圈主体的任何检测到的声音脉冲之间的时间延迟的差。
62.如图13所示，发射的声音信号可以是连续的声音信号350。根据该发明，连续的声音信号350可以被视为具有非零的持续时间，并且可以具有例如在给定的频率范围内在频谱上平坦的频谱分布(包括白噪声等)。连续的声音信号350将经历与声音脉冲相同的反射和透射，但是与声音脉冲不同，它将导致从垫圈主体传出的恒定信号。从垫圈主体传出的该恒定信号将包括与发射的连续的声音信号中包含的频率相同的所有频率，除了那些被垫圈主体吸收或因散射而丢失的频率之外。在本发明的该实施例中，从垫圈主体传出的恒定信
号将构成回声信号。
63.如图13所示，垫圈主体的内部腔体可以被构造成使得其具有内部共振频率，该内部共振频率可以例如取决于腔体的大小和形状，以及腔体中包含的介质。这些内部共振频率中的任何一个都可以与声音发射装置150发射的连续的声音信号350中包含的频率匹配。一旦暴露于该连续信号350，内部腔体将放大其频率与其自身的共振频率匹配的声波，从而导致处于这些频率的回声信号的特征幅度增大。
64.在将垫圈主体安装在螺栓组件中时，垫圈主体将根据施加到螺栓组件的载荷承受压缩力。该压缩力将在垫圈主体上引起应变，因此导致垫圈主体的任何内部腔体例如被加压、压实和/或变形。任何内部腔体的任何加压、压实或变形都将会导致腔体及其包含的流体的声特性发生变化。这样的声特性可以例如是流体中的声速、腔体的特征共振频率等。
65.可以使用垫圈主体的内部腔体或垫圈主体的内部腔体包含的流体的声特性的变化来估算内部腔体的加压、压缩或变形，从而估算垫圈主体上的载荷。该估算可以通过例如作为加压、压实或变形的函数的内部腔体的声行为的物理模拟，或者通过利用参考测量来执行。后一种情况可以例如涉及测量作为垫圈主体上的已知载荷的函数的垫圈主体的内部腔体的共振频率。参考测量可以替代地包括作为垫圈主体上的已知载荷的函数的垫圈主体的内部腔体包含的介质中的声速的测量。
66.根据本发明的一个实施例，发射的声音信号可以是具有非零的持续时间的连续的声音信号。该持续时间通常可以长于毫秒。连续信号可以具有在例如1mhz和10mhz之间的范围内的频率范围上的频谱分布。它在给定的频率范围内可以是在频谱上平坦的，并且可以可选地包括白噪声。在本发明的该实施例中，对应的声音的回声响应至少包括在板状垫圈主体的内部腔体中的至少一个中共振的声音信号的回声响应。因此，板状垫圈的应变的计算可以基于板状垫圈主体中的内部腔体中的至少一个的共振频率。
67.根据本发明的另一实施例，回声响应可以包括来自内部参考腔体的参考回声响应。该参考回声响应可以例如被用于校正测量的应变的温度影响，从而获得板状垫圈主体上的真实应变。温度影响例如可以是由于温度变化而导致的板状垫圈主体的任何腔体或填充任何腔体的任何流体的压力或体积变化。根据本发明的该实施例，垫圈应变测量方法还可以包括以下步骤：至少基于参考回声响应来计算板状垫圈主体的参考应变；以及至少基于计算的应变和计算的参考应变来估算板状垫圈的真实应变。
68.根据所附权利要求，其他有利特征将是显而易见的。
69.70.