CN113267283A - 一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置，所述检测装置包括液压泵站，所述液压泵站上端面设有显示器，所述显示器一侧设有数据打印机；所述液压泵站一侧通过数据线和液压管路连接有螺栓拉伸装置，所述螺栓拉伸装置包括右下至上依次连接的被连接件和螺栓拉伸器，所述被连接件内部设有检测螺栓，优点在于：本方案解决了现有螺栓拉伸器无法测量螺栓残余拉力的问题。而螺栓残余拉力才是螺栓在完成拉伸操作，并释放液压拉力后，实际留存的拉力。是螺栓最终对被连接件施加的实际载荷。利用螺栓材料的弹性形变计算出螺栓当前承受的拉力，远比通过测量液压系统压力来换算出的螺栓拉力，要直观和准确的多。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓检测技术领域，具体是指一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置及检测方法。
背景技术
现目前，有很多设备在装配、维修时，采用螺栓拉伸器进行螺栓的紧固操作。螺栓拉伸器的原理是：根据被紧固螺栓的紧固需求(工艺规范)，借助液压泵提供的压力，将液压压力转化为螺栓轴向拉力(压力×活塞截面积)，直接拉伸螺栓，在此过程中被拉伸的螺栓基本不承受扭剪力和侧向力，对联接的接触面也无摩擦损伤，是精确控制螺栓预紧力的最佳方法之一。因此螺栓拉伸器广泛使用在对预紧力要求较严的场合下。
螺栓拉伸施工的原理是，利用液压泵站提供动力(液压压力)，顶推拉伸器活塞上升运动，此时螺栓开始承受轴向的拉伸载荷，只要该螺栓受力变形的过程始终处于材料的弹性变形范围内时，其拉伸的变形量(轴向伸长量)将与其承受的轴向力成正比。当拉伸器活塞在螺栓拉伸达到指定的工艺参数(压力)要求时，操作者将松弛的螺母旋进贴紧。然后卸载拉伸器的液压压力，使拉伸器的活塞下降复位。此时，原拉伸器施加给螺栓的轴向拉力被卸载，被拉伸螺栓的轴向形变开始恢复拉伸前的自由状态，直至受到并紧螺母的阻力为止。至此，螺栓拉伸器完成一颗螺栓的紧固过程。
通过以上的描述，可以看出。该螺栓承受的并紧后拉力比拉伸器施加给螺栓的拉伸载荷要小一部分。而螺栓在完成拉伸紧固操作后，残余的这部分轴向拉力，就是螺栓施加在被连接设备上的最终工作载荷。
由上可知，螺栓最终残余的拉伸力(工作载荷)与液压泵站施加在拉伸器活塞上的拉力，是不相等的。从技术人员的角度来看，应该关注的是螺栓最终的残余拉力(工作载荷)。目前，螺栓拉伸器厂家大多只能提供拉伸器操作时的拉伸力大小(通过调节压力值大小)，而对螺栓最终残余拉力无法准确确定。因此，在这些螺栓紧固要求不严格的场合下，操作者只能根据设计手册等资料上记录的数据进行理论计算。所以螺栓最终实际剩余的拉力与理论值是不可能一致的。在对螺栓紧固有严格要求的场合下，以上的方法是无法满足要求的。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种结构简单，实用性强，使用效果好的一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置及检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置，所述检测装置包括液压泵站，所述液压泵站上端面设有显示器，所述显示器一侧设有数据打印机；所述液压泵站一侧通过数据线和液压管路连接有螺栓拉伸装置，所述螺栓拉伸装置包括右下至上依次连接的被连接件和螺栓拉伸器，所述被连接件内部设有检测螺栓，所述被连接件下侧设有拉伸力传感器，所述检测螺栓上端螺接螺栓拉伸器；所述螺栓拉伸器包括设置在被连接件上端的并紧螺母、并紧螺母外侧设置的拉伸器缸体、设置在拉伸器缸体内的活塞、贯穿活塞与检测螺栓螺接的连接件、位于连接件内部上侧的位移传感器，所述位移传感器通过安装座固定安装在拉伸器缸体上端面，所述液压泵站与位移传感器之间通过位移传感器数据线连接并且与拉伸力传感器之间通过拉伸力传感器数据线连接，所述液压泵站与螺栓拉伸器之间通过液压油管连接。
进一步的，所述位移传感器下端连接设有测量探头，所述测量探头与检测螺栓上端面相抵。
进一步的，包括以下测量步骤
S1：计算油泵的驱动力：F泵＝P×A (公式1)
式中：F泵油泵输出的压力
P泵站压力值，由油泵油路中压力传感器采集数值
A拉伸器活塞受力面积(指定型号后，该值为定值)；
S2：计算导致螺栓伸长的拉力：FL＝E×ΔL (公式2)
式中：FL螺栓被施加的轴向载荷
E螺栓材质的弹性模量
ΔL螺栓受力后被拉伸的变形量；
S3：拉伸器产生的支撑力：FC＝由拉伸力传感器直接测量出来；
S4：计算拉伸力补偿量：ΔF＝F泵-FC；
S5：检测螺栓实际载荷：FC＝F泵-ΔF。
进一步的，螺栓受到的轴向载荷：FC＝FL；
因为，FL＝E×ΔL
所以：E＝FL/ΔL
通过采集对应的螺栓拉伸量和计算补偿后的拉伸力，就可以按照公式E＝FL/ΔL，计算出此时螺栓的实时弹性模量；随后，螺栓受拉的变形后产生的拉力FL＝E×ΔL就可以计算出来。
本发明与现有技术相比的优点在于：1)本方案解决了现有螺栓拉伸器无法测量螺栓残余 (剩余)拉力的问题。而螺栓残余(剩余)拉力才是螺栓在完成拉伸操作，并释放液压拉力后，实际留存的拉力。是螺栓最终对被连接件施加的实际载荷。
2)利用螺栓材料的弹性形变(胡克定律)计算出螺栓当前承受的拉力，远比通过测量液压系统压力来换算出的螺栓拉力，要直观的多。操作者可以根据现场操作的反馈，及时调整和补偿螺栓拉伸力。
3)本方案，对现有液压螺栓拉伸器的结构未做大的改变。可以在现有拉伸器的基础上，增加位移传感器就能实现上述目标。
附图说明
图1是本发明一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置的结构示意图。
图2是本发明一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置的螺栓拉伸器结构示意图。
如图所示：1、液压泵站，2、显示器，3、数据打印机，4、被连接件，5、螺栓拉伸器，6、检测螺栓，7、拉伸力传感器，8、并紧螺母，9、拉伸器缸体，10、活塞，11、连接件，12、位移传感器，13、安装座，14、位移传感器数据线，15、拉伸力传感器数据线，16、液压油管，17、测量探头。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
在螺栓紧固过程中，基本都只要求该螺栓受力后始终处于弹性变形的范围之内。所以，螺栓的形变只涉及到材料相应的应力—应变关系曲线中初始部分(直线部分)。此时应力δ与应变ε符合公式：δ＝E×ε(胡克定律)。其中系数E为螺栓材料的弹性模量(理论上为一常量)。即，根据螺栓的实时拉伸量就可以算出螺栓当前所承受的轴向载荷。
在拉伸器拉伸螺栓的实际应用中，还有三个问题需要说明：
第一、在力学中，螺栓的金属材料弹性模量E是一个常量，但是实际中由于金属材料出厂的炉批次、材质的均匀一致性及使用环境温度、热处理工艺的不一致的差异等因素，会导致螺栓材料个体的弹性模量会有一定的差别。也就是说螺栓在承受轴向载荷时，实际的变形程度与理论计算出的结果会有微小差别，继而导致螺栓残余的拉力也会出现差异。
第二、螺栓拉伸器产生螺栓轴向载荷时，同时也会对被连接设备本身施加方向相反，大小一致的反作用力。该作用力，同样也可以对被连接设备机体造成压缩变形。
第三、液压泵产生的压力，也会对拉伸器油缸本体、活塞等受力元件造成弹性变形，它会对液压泵站输出的压力造成一定的损失。即，油泵输出的压力，没有100％用于螺栓轴向载荷的施加。
综合以上说明，在对螺栓拉伸操作时，必须解决以上三个问题，方才能对螺栓残余拉力进行精确测量和控制。
本发明专利的说明如下：
在螺栓拉伸测试中配有拉伸力检测传感器，
a)油泵提供的驱动力：F泵＝P×A (公式1)
式中：F泵油泵输出的压力
P泵站压力值，由油泵油路中压力传感器采集数值
A拉伸器活塞受力面积(制定型号后，该值为定值)
b)导致螺栓伸长的拉力：FL＝E×ΔL (公式2)
式中：FL螺栓被施加的轴向载荷
E螺栓材质的弹性模量
ΔL螺栓受力后被拉伸的变形量
c)拉伸器产生的支撑力：FC＝由拉伸力传感器直接测量出来
F泵为理论计算出来的输出力，FC为拉力传感器直接读出的实际拉力值；这两者之间的数值差异：ΔF＝F泵-FC，就是拉伸器受到油压压力后产生弹性变形而消耗的部分(简称拉伸力补偿量)。所以，螺栓拉伸中所承受的实际载荷应为：FC＝F泵-ΔF
因每套拉伸器的制造误差和材质差异，会导致即使是同一规格型号的拉伸器，也会有细微差异。在检测中，就是要测量出每套拉伸器的补偿量，并将该补偿量与拉伸器进行逐一对应、记录，以方便在选择拉伸器时进行选择(在拉伸器的使用寿命中，需定期重新检测该拉伸器的补偿量)
螺栓受到轴向载荷为FC，该载荷不仅会导致螺栓被拉长，还同时造成被连接设备也被压缩一定的变形。
在检测中，螺栓受到的轴向载荷：FC＝FL；
因为，FL＝E×ΔL
所以：E＝FL/ΔL
从计算公式中，可以得到以下结论。螺栓实际的弹性模量与螺栓受到的实际载荷和拉伸变形量有关。
螺栓拉伸紧固操作中，一般都有严格的工艺要求。即螺栓的紧固，不是通过一次拉伸动作完成的，而是按照相应工艺文件的要求实施。如下表：
所以，将螺栓最终拉伸操作的前一工步中，通过采集对应的螺栓拉伸量和计算补偿后的拉伸力，就可以按照公式E＝FL/ΔL，计算出此时螺栓的实时弹性模量。随后，在最后的工步中，螺栓受拉的变形后产生的拉力FL＝E×ΔL就可以计算出来。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，具体实施方式中所示的也只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置，其特征在于：所述检测装置包括液压泵站，所述液压泵站上端面设有显示器，所述显示器一侧设有数据打印机；所述液压泵站一侧通过数据线和液压管路连接有螺栓拉伸装置，所述螺栓拉伸装置包括由下至上依次连接的被连接件和螺栓拉伸器，所述被连接件内部设有检测螺栓，所述被连接件下侧设有拉伸力传感器，所述检测螺栓上端螺接螺栓拉伸器；所述螺栓拉伸器包括设置在被连接件上端的并紧螺母、并紧螺母外侧设置的拉伸器缸体、设置在拉伸器缸体内的活塞、贯穿活塞与检测螺栓螺接的连接件、位于连接件内部上侧的位移传感器，所述位移传感器通过安装座固定安装在拉伸器缸体上端面，所述液压泵站与位移传感器之间通过位移传感器数据线连接并且与拉伸力传感器之间通过拉伸力传感器数据线连接，所述液压泵站与螺栓拉伸器之间通过液压油管连接。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置，其特征在于：所述位移传感器下端连接设有测量探头，所述测量探头与检测螺栓上端面相抵。
3.一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测方法，其特征在于：包括以下测量步骤
S1：计算油泵的驱动力：F泵＝P×A (公式1)
式中：F泵油泵输出的压力
P泵站压力值，由油泵油路中压力传感器采集数值
A拉伸器活塞受力面积(指定型号后，该值为定值)；
S2：计算导致螺栓伸长的拉力：FL＝E×ΔL (公式2)
式中：FL螺栓被施加的轴向载荷
E螺栓材质的弹性模量
ΔL螺栓受力后被拉伸的变形量；
S3：拉伸器产生的支撑力：FC＝由拉伸力传感器直接测量出来；
S4：计算拉伸力补偿量：ΔF＝F泵-FC；
S5：检测螺栓实际载荷：FC＝F泵-ΔF。
4.根据权利要求3所述的一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测方法，其特征在于：螺栓受到的轴向载荷：FC＝FL；
因为，FL＝E×ΔL
所以：E＝FL/ΔL
通过采集对应的螺栓拉伸量和计算补偿后的拉伸力，按照公式E＝FL/ΔL，计算出螺栓的实时弹性模量；随后，螺栓受拉的变形后产生的拉力根据FL＝E×ΔL计算出来。
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| CN202110514946.XA CN113267283A (zh) | 2021-05-12 | 2021-05-12 | 一种螺栓的轴向残余拉伸力的检测装置及检测方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114193395A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-03-18 | 中国航空制造技术研究院 | 一种具有监测功能的安装工具 |
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2021
- 2021-05-12 CN CN202110514946.XA patent/CN113267283A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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| CN114193395A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-03-18 | 中国航空制造技术研究院 | 一种具有监测功能的安装工具 |
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