一种测力螺栓及轴向力的测试方法与流程

本发明属于机械连接技术领域，具体涉及测力螺栓及其轴向力的测试方法。

背景技术：

螺栓连接结构广泛应用于机械系统中，是最为常见的连接形式之一。在预紧力的作用下，螺栓轴向张力给予接触面产生摩擦力来达到接合紧固的目的。随着机械自动化技术的广泛应用，对螺栓连接可靠性的要求越来越高。对于重要产品的敏感部位，螺栓连接预紧力的大小有着极为严格的规定。如发动机中缸盖、连杆、主轴承盖、飞轮及曲轴皮带轮等重要螺栓的紧固质量直接影响发动机的动力性、安全性及可靠性，因此也存在相关的规范或标准予以明确要求；海上兆瓦级风力发电机组各总成部件一般使用高强度螺栓连接，其螺栓的可靠性在整机安全工作方面中占关键作用；石油勘探工程中的缆绳张力监测、锚定负荷、牵引负载等测试预测，是勘探工作首要面对的问题；汽车等通用交通工具中，不同关键部件的装配力也有着严格的等级区别；航空航天领域内的飞机引擎、弹射座椅、级间结合面、太阳能电池阵列、测试望远镜支撑等，均需要螺栓的可靠性连接予以保证；最为特殊的，火工品(武器装备)的悬架、支撑，以及火工品的地面试验，对连接面均有着极为特殊的要求。

现有螺栓的预紧力测试为扭矩法和转角法。扭矩法是指设定螺栓的最终扭矩，要求装配时通过扭矩扳手或风枪等工具，拧紧到设定扭矩，装配较为便捷。转角法先给定一个初始扭矩进行预紧，目的是消除螺纹之间的间隙，再增加一个或多个转角，达到设定的螺栓伸长量，以便精确地获得所需要的轴向夹紧力。然而，通过扭矩主要反应螺栓界面摩擦力，而摩擦力向螺栓轴向拉力的反算需要明确摩擦系数，在不同界面情况下，存在较大误差。螺栓连接后，由于环境的影响，如振动、温度、湿度等，可能产生预紧力的变化，如连接部位的应力松弛和局部变形，进而导致连接松动和滑移。螺栓连接后的预紧力监测也成为难点。

中联重科股份有限申请的专利CN103616118A“螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法”，公开了一种螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法。具体方案如下：在螺栓的光杆段的外表面上贴附应变片；在螺栓头上开设第一通孔；通过导线穿过第一通孔，以将应变片和测量机构电连接；对螺栓进行预紧，以使测量机构获取应变片的轴向应变ε，并根据轴向应变ε与预紧力F的关系式控制螺栓的预紧力F，以完成安装。虽然通过该项技术可以直接得到螺栓的轴向预紧力，但是由于导线穿过通孔，导线容易绞接，影响装配，应变随着温度变化无法得到补偿，同时也无法实现密封防潮的功能。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种测力螺栓及轴向力测量方法，在螺栓内孔内安装粘接有应变片的芯体，芯体与主体螺栓紧密固定，可以直接通过芯体上的应变片得到应变值，测得螺栓的轴向力值。

为解决以上问题，本发明一种测力螺栓，所述螺栓包括螺栓头和螺杆，在螺栓头上开设内孔，并向螺杆部位沿伸，螺栓内内固定有芯体，芯体内粘贴应变片，芯体的一端固定在螺栓杆内，另一端固定在螺栓头内，紧固螺栓后能产生应变力，应变片通过应变测试线与应变测试单元连接。

进一步地，芯体螺栓杆一端设有芯体螺纹，在螺杆内部位置设有相应的螺栓内螺纹，芯体与螺杆通过螺纹拧紧固定；

进一步地，芯体另一端面设有芯体安装面，芯体安装面上设置芯体安装槽，通过芯体安装槽拧紧芯体螺纹，将芯体与螺杆固定，安装后芯体安装面端处于螺栓头内部位置。

进一步地，安装面上设置芯体线孔，应变测试线穿过芯体线孔与应变测试单元连接。

进一步地，所述的芯体安装槽为一字或十字。

进一步地，所述的芯体上粘贴的应变片使用平衡桥路连接。

进一步地，所述螺栓头端内孔设有螺栓头端螺纹，插头拧入螺栓头端螺纹与应变测试线连接，同时通过电缆与应变测试单元连接。

进一步地，所述插头为常用的航空插头、电连接器、插座。

进一步地，所述的插头上设置有密封圈。

本发明提供一种轴向力测试方法，测试方法具体步骤如下：

(1)零位调整：首先将应变片粘结在芯体上，仅连接芯体、插头、电缆、应变测试单元及力测试单元。启动力测试单元及应变测试单元后，即可测得零位的应变及力值。此时，芯体未受力，因此需要将测得的力值及应变值清零。

(2)芯体安装：将芯体与插头拆分，清洗螺栓内部的安装空间，以防止在芯体安装过程中影响芯体的初始状态。将芯体缓慢旋紧至螺栓内部，芯体一端与螺栓内螺纹连接，在芯体逐渐旋紧的过程中，芯体最终将具有初始应变，也即处于拉伸状态。为防止芯体与螺栓的相对运动而影响力值的测试精度，在螺栓内部的安装空间内，灌入环氧胶。此外，环氧胶将芯体的应变片与外界空间隔离，起到防水防潮的作用。连接插头及应变测试线，将插头与螺栓连接，并保证连线在螺栓内部平顺，并在插头及螺栓之间设置密封圈。

(3)初始力测试，首先连接插头、电缆、应变测试单元及力测试单元。启动力测试单元及应变测试单元，因为芯体具有初始应变，所以应变测试单元及力测试单元均有数值，此时力值记为F0。

(4)安装过程实时监测，安装连接件，旋紧螺栓，螺栓在承力作用下产生应变，而芯体与螺栓固定连接，因此也将产生应变。通过应变测试单元及力测试单元可以直接测试出具体 数值，记为F1。将F1-F0，即为螺栓的实时轴力。

(5)状态实时监测，指螺栓达到轴力要求后，实施测试轴力数据F1-F0，并与目标轴力对比。

本发明中螺栓为通用标准螺栓，其外形尺寸及螺纹均与现有通用产品一致。螺栓的中心位置从螺栓头端依次开设螺栓头端螺纹、螺栓内孔、螺栓内螺纹。螺栓头端螺纹用于连接插头，螺栓头端螺纹形成的空间用于芯体的旋紧。螺栓头端螺纹的深度低于螺栓头的高度，以保证芯体的旋紧端与螺栓的螺杆变形一致。

螺栓使用方法如下：螺栓旋紧，螺栓受到轴向作用力后，产生轴向形变；因为芯体与螺栓应变一致，可以直接通过芯体上的应变片得到应变值。应变由应变测试单元监测，并将测试值输入力值测试单元，得到具体力值。螺栓达到目标预紧力后，停止旋紧；实时监测的应变值可以直观反应螺栓是否存在蠕变、松动、过载等情况。

本发明的有益效果是：在螺栓的旋紧过程中可直接得到螺栓的轴向力，也即可以量化螺栓的预紧力，克服了现有螺栓带有通孔，线路缠绕，影响装配的问题，在螺栓安装使用后，可以实时监测螺栓的轴向力，为螺栓的防松及轴向力过大等提供安全警示作用。可适用于现有螺栓的所有使用场合，操作方式也与现有螺栓一致；本发明中使用芯体提供应变片的安装面，操作简单。应变片为全桥连接，满足桥路平衡，实现了线路补偿、温度补偿的功能，具有反应灵敏、精度高等优势；芯体与主体螺栓连接后，应变一致，通过截面积、材料特性等计算轴向力，具有计算简单、精度高、标定方便等优点；本发明采用了插头与主体螺栓直接相连，且插头和主体螺栓之间采用了密封设计，可在高湿度、水下、高低气压等环境中使用；电缆可以直接与插头相连，插拔方便。

附图说明

图1测力螺栓结构图

图2芯体结构图

图3螺栓主视图

图4芯体右视图

图5芯体左视图

图6测试流程图

1芯体；1a芯体线孔；1b应变片安装面；1c芯体安装槽；1d芯体螺纹；1e芯体安装面；2螺栓；2a螺栓头；2b螺杆；2c螺栓头端螺纹；2d螺栓内孔；2e螺栓内螺纹；3应变片；4应变测试线；5密封圈；6应变测试单元；7力测试单元8电缆；9插头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，

如图1至图5所示，本发明提供一种测力螺栓，所述螺栓2包括螺栓头2a和螺杆2b螺栓头2a上开设内孔2d，并向螺杆2b部位沿伸，螺栓内孔内固定有芯体1，所述芯体1粘贴有应变片3，芯体1一端固定在螺栓杆2b内，另一端固定在螺栓头2a内，应变片3通过应变测试线4与应变测试单元6连接。

芯体1一端设有芯体螺纹1d，在螺杆2b内部位置设有相应的螺栓内螺纹2e，芯体1与螺杆2b通过螺纹拧紧固定。

芯体1另一端面设有芯体安装面1e，芯体安装面上设置芯体安装槽1c，通过芯体安装槽1c拧紧芯体螺纹，将芯体1与螺杆固定，安装后芯体安装面1e端处于螺栓头2a内部位置，安装面上设置芯体线孔1a，芯体线孔1a沿芯体1的轴线圆周布置，芯体线孔1a的个数为4个或6个或8个。应变测试线4穿过芯体线孔1a与应变测试单元6连接，芯体安装槽1c为一字或十字。

芯体1上粘贴的应变片3使用平衡桥路连接，应变片9组成的桥路满足温度补偿、线路补偿功能。

在螺栓头端设有螺栓头端螺纹2c，插头9拧入螺栓头端螺纹2c与应变测试线4连接，通过电缆8与应变测试单元6连接，插头9上设置有密封圈5，保证螺栓2内密封，使本发明在潮湿、水下等环境中仍能安全使用。插头9可以为常用的航空插头、电连接器、插座。

如图3所示，本发明中螺栓为通用标准螺栓，其外形尺寸及螺纹均与现有通用产品一致。螺栓的中心位置从螺栓头端依次开设螺栓头端螺纹2c、螺栓内孔2d、螺栓内螺纹2e。螺栓头端螺纹2c用于连接插头9，螺栓头端螺纹形成的空间用于芯体的旋紧。螺栓头端螺纹的深度低于螺栓头的高度，以保证芯体的旋紧端与螺栓的螺杆变形一致。

如图6所示，一种轴向力测试方法，

测试方法具体步骤如下：

(1)零位调整：首先将应变片3粘结在芯体1上，仅连接芯体1、插头9、电缆8、应变测试单元7及力测试单元6。启动力测试单元6及应变测试单元7后，即可测得零位的应变及力值。此时，芯体1未受力，因此需要将测得的力值及应变值清零。

(2)芯体安装：将芯体与插头拆分，清洗螺栓内部的安装空间，以防止在芯体安装过程中影响芯体的初始状态。将芯体缓慢旋紧至螺栓内部，芯体1一端与螺栓内螺纹2e连接，在芯体1逐渐旋紧的过程中，芯体1最终将具有初始应变，也即处于拉伸状态。为防止体芯体1与螺栓2的相对运动而影响力值的测试精度，在螺栓2内部的安装空间内，灌入环氧胶。此外，环氧胶将芯体1的应变片3与外界空间隔离，起到防水防潮的作用。连接插头9及应变测试线4，将插头9与螺栓2连接，并保证连线在螺栓2内部平顺，并在插头9及螺栓2 之间设置密封圈5。

(3)初始力测试，首先连接插头9、电缆8、应变测试单元7及力测试单元6。启动力测试单元6及应变测试单元7因为芯体1具有初始应变，所以应变测试单元7及力测试单元6均有数值，此时力值记为F0。

(4)安装过程实时监测，安装连接件，旋紧螺栓，螺栓在承力作用下产生应变，而芯体(1)与螺栓固定连接，因此也将产生应变。通过应变测试单元7及力测试单元6可以直接测试出具体数值，记为F1。将F1-F0，即为螺栓的实时轴力。

(5)状态实时监测，指螺栓达到轴力要求后，实施测试轴力数据F1-F0，并与目标轴力对比。

上面结合附图和实施例对本发明进行了详细描述，本发明并不限于上述实施例，其变化形式和其他实施例都应在权利要求的保护范围内，其效果也是本领域技术人员预见的。