一种螺栓扭矩系数测试装置及方法与流程

【技术领域】

本发明属于输电线路测量仪器设备技术领域，具体涉及一种螺栓扭矩系数测试装置及方法。

背景技术：

输电铁塔节点多采用连接板通过普通镀锌螺栓连接而成，在安装过程中，绝大多数螺栓都必须施加预紧力。由于直接控制预紧力比较困难，一般通过控制紧固力矩来间接地控制预紧力。紧固力矩过小会导致结构偏不安全，紧固力矩过大会导致密封垫片被压死而失去弹性、引起螺杆的断裂。因而确定紧固力矩与预紧力之间的关系(即扭矩系数)，对结构的安全运行和可靠使用具有重要的实际意义。

目前，对扭矩系数的测试主要通过对螺栓粘贴电阻应变片或是采用轴力计的方式。前者需要对每一套被测螺栓粘贴应变片，操作麻烦，试验准备周期较长；后者需要一系列配套的试验装置进行测试。试验成本很高，操作繁琐，特别对于非专业的紧固件测试单位很难拥有这些专用设备，这就对扭矩系数的测定带来极大的不便。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种螺栓扭矩系数测试装置及方法，采用该装置在万能试验机上即可进行操作，并且精度高、速度快，简单方便、安全可靠，尤为适合批量螺栓扭矩系数的测试。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种螺栓扭矩系数测试装置，包括夹具、压力环、扭矩扳手和电阻应变仪，压力环套设在待测螺栓的螺杆上，待测螺栓的螺杆上螺纹连接有紧固螺母，压力环、紧固螺母与待测螺栓紧固为一个整体；压力环与电阻应变仪连接；夹具固定设置并用于夹紧紧固螺母；扭矩扳手上连接有与待测螺栓的头部适配的套筒，套筒套设在待测螺栓的头部。

所述待测螺栓在压力环的两侧分别套设有第一垫片和第二垫片。

所述第一垫片和第二垫片的表面均设置有防滑结构。

所述待测螺栓的螺杆上还套设有滑动套筒，滑动套筒与待测螺栓的螺杆之间为间隙配合，压力环套设于滑动套筒的外圈，压力环与滑动套筒之间为间隙配合，滑动套筒的长度小于压力环的厚度。

压力环的内表面沿轴向开设有滑槽，滑动套筒的外表面与滑槽相对应的位置设有与滑槽相适配的凸槽。

滑槽沿压力环的上表面向下开设，且长度小于压力环的厚度；凸槽沿滑动套筒的上表面自上而下设置，凸槽的长度小于滑槽的长度。

所述夹具包括左夹具和右夹具，左夹具和右夹具在它们的交界处均开设有用于夹持紧固螺母的凹槽。

所述凹槽为v形槽。

所述夹具固定设置在基座上。

一种螺栓扭矩系数测试方法，通过上述装置进行，包括如下步骤：

步骤一，将待测螺栓、压力环和紧固螺母连接在一起形成待测螺栓连接副，压力环与电阻应变仪连接，调整电阻应变仪的示数进行归零；

步骤二，通过万能试验机对步骤一的待测螺栓连接副施加压力荷载，对待测螺栓的预紧力和应变进行标定，得到两者的线性关系；

步骤三，再通过夹具夹紧紧固螺母，并将夹具固定；根据待测螺栓头部的尺寸选择合适的套筒，将套筒下端的六角形凹槽与待测螺栓的头部紧密相连，套筒的上端与扭矩扳手相连；

步骤四，当需要测试时，对扭矩扳手平稳均衡地施加拟定的扭矩，当施加到拟定扭矩时，扭矩扳手发出警报声，此时在电阻应变仪的显示器上读出应变示数；

步骤五，通过第二步标定待测螺栓的预紧力和应变的线性关系以及步骤四的拟定的扭矩，得出待测螺栓的扭矩系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的螺栓扭矩系数测试装置通过扭矩扳手和套筒给待测螺栓施加已定的扭矩，通过压力环测量螺杆的预紧力并通过电阻应变仪显示出轴向应变，通过所测轴向应变及拟定的扭矩计算得到扭矩系数k，本发明的所有操作在万能试验机上即可完成，并且方便简单，安全可靠，成本很低，适合批量螺栓扭矩系数的测试，使得人工作业的效率得到很大程度地提高。

进一步的，本发明通过第一垫片和第二垫片既能使压力环所受压强减小，不易损坏，同时还能够均衡压力环表面所受的压力，使压力环具有较好的轴向受力条件，产生准确的轴向应变，使得测试所得数据更加准确，保证待测螺栓扭矩系数的可靠性。

进一步的，本发明通过第一垫片和第二垫片表面的防滑结构能够防止紧固螺母与夹具之间发生打滑；第一垫片和压力环之间以及第二垫片和压力环之间发生打滑。

进一步的，本发明通过在待测螺栓的螺杆上套设套筒，滑动套筒与待测螺栓的螺杆之间为间隙配合，压力环套设于滑动套筒的外圈，压力环与滑动套筒之间为间隙配合，保证了待测螺栓处于压力环孔洞的中心位置，从而消除了因压力环间隙导致待测螺栓螺杆在压力环孔洞内活动而产生的误差，同时，在需要测量不同规格的螺栓时，只需更换与待测螺栓格相匹配的滑动套筒即可满足不同规格螺栓的测试，从而大大降低了试验成本。

【附图说明】

图1为本发明的螺栓扭矩系数测试装置的整体示意图；

图2为本发明的夹具的结构示意图；

图3为本发明的待测螺栓连接副与套筒以及扭矩扳手的装配前的位置示意图；

图4为本发明的压力环的结构示意图；

图5为本发明的滑动套筒的结构示意图。

其中，1为基座、2为夹具、2-1为凹槽、2-2为右夹具、2-3为左夹具、3为压力环、3-1为滑槽、3-2为第一孔洞、4为套筒、5为扭矩扳手、6为连接线、7为电阻应变仪、8为待测螺栓、8-1为第一垫片、8-2为第二垫片、9为紧固螺母、10为滑动套筒、10-1为凸槽、10-2第二孔洞。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，本发明的螺栓扭矩系数测试装置，包括夹具2、压力环3、扭矩扳手5和电阻应变仪7，压力环3套设在待测螺栓8的螺杆上，待测螺栓8在压力环3的两侧分别套设有第一垫片8-1和第二垫片8-2，第一垫片8-1和第二垫片8-2的表面均设置有防滑结构，待测螺栓8的螺杆上螺纹连接有紧固螺母9，压力环3、紧固螺母9、第一垫片8-1、第二垫片8-2与待测螺栓8紧固为一个整体；压力环3与电阻应变仪7通过连接线6连接；夹具2可拆卸固定设置在基座1上，用于夹紧紧固螺母9，夹具2包括左夹具2-3和右夹具2-2，左夹具2-3和右夹具2-2在它们的交界处均开设有用于夹持紧固螺母9的凹槽2-1，凹槽2-1为v形槽；扭矩扳手5上连接有与待测螺栓8的头部适配的套筒4，套筒4套设在待测螺栓8的头部。

结合图3-图5，本发明的待测螺栓8的螺杆上还套设有滑动套筒10，滑动套筒10与待测螺栓8的螺杆之间为间隙配合，压力环3套设于滑动套筒10的外圈，压力环3与滑动套筒10之间为间隙配合，滑动套筒10的长度小于压力环3的长度。如图4和图5所示，压力环3的中心处开设第一孔洞3-2，第一孔洞3-2的表面沿轴向开设有两个对称的滑槽3-1，滑动套筒10的中心处开设有第二孔洞10-2，外表面与滑槽3-1相对应的位置设有与滑槽3-1相适配的两个对称的凸槽10-1；滑槽3-1沿压力环3的上表面向下开设(如图4)，且长度小于压力环3的厚度；凸槽10-1沿滑动套筒10的上表面自上而下设置(如图5)，凸槽10-1的长度小于滑槽3-1的长度，滑动套筒10和压力环3通过第一孔洞3-2和凸槽10-1进行滑动固定。

本发明的第一垫片8-1和待测螺栓8属于同一批次，第一垫片8-1和第二垫片8-2的表面均设置有防滑结构，目的是增大第二垫片8-2与夹具2之间的接触表面、与压力环3之间的接触面、以及第一垫片8-1与压力环3之间的接触面的摩擦力，防止螺栓8在施拧过程中出现打滑而影响数据的准确性。

通过本发明的螺栓扭矩系数测试装置测试待测螺栓的扭矩系数时，通过如下步骤：

步骤一，将待测螺栓8穿入滑动套筒10的内孔中，再将压力环3套在滑动套筒10的外圈，再把第一垫片8-1放置在压力环3和滑动套筒10的上端，把第二垫片8-2放置在压力环3和滑动套筒10的下端，将紧固螺母9与待测螺栓8的螺杆连接，拧紧紧固螺母9，使待测螺栓8、滑动套筒10、压力环3、第一垫片8-1、第二垫片8-2和紧固螺母9连接为一个整体，并作为待测螺栓连接副，压力环3与电阻应变仪7连接，调整电阻应变仪7的示数进行归零；

步骤二，通过万能试验机对步骤一的待测螺栓连接副施加压力荷载，对待测螺栓8的预紧力和应变进行标定，得到两者的线性关系；

步骤三，通过夹具2的凹槽2-1夹住紧固螺母9，并将夹具2固定在万能试验机的基座1上，操作万能试验机使夹具2的凹槽2-1夹紧紧固螺母9，需要注意的是，在操作万能试验机的夹具在夹紧待测螺栓连接副的紧固螺母时，应避免夹持住第二垫片，确保第二垫片位于夹具的上表面；然后，根据待测螺栓8头部的尺寸选择合适的套筒4，将套筒4下端的六角形凹槽与待测螺栓8的头部紧密相连，套筒4的上端与扭矩扳手5相连；

步骤四，当需要测试时，首先对扭矩扳手5平稳均衡地施加拟定的扭矩，由于在一定扭矩的作用下，待测螺栓的螺杆处产生了预紧力，预紧力通过压力环3进行测量并将测量信号转换给电阻应变仪7，当施加到拟定扭矩时，扭矩扳手5发出警报声，此时在电阻应变仪7的显示器上读出应变示数。

通过步骤二标定待测螺栓的预紧力和应变的线性关系算出预紧力p，由于拟定的扭矩已知，按照《钢结构工程施工质量验收规范》(gb50205-2001)规定的公式k＝t/(dp)得出扭矩系数，取八套螺栓作为一个测试样本并计算扭矩系数的算术平均值与标准差。为说明本装置的测试效果，选取一组试验数据为例进行说明。

螺栓规格为m20，等级为8.8级普通螺栓，防腐措施分为未镀锌(俗称黑件)和热浸镀锌(俗称白件)，根据第二步标定试验所得的预紧力-应变的线性公式为：预紧力＝0.1352×应变-2.017，以黑件序号1所测得的应变687为例进行计算，预紧力＝0.1352×687-2.017＝90.87kn，根据公式k＝280/(20×90.87)＝0.154得到单套螺栓扭矩系数，依次进行计算得到扭矩系数的平均值和标准差。如表1所示，表1为扭矩系数测试结果：

表1

通过表1的结果可得出以下结论：

(1)对于相同等级和规格的螺栓，热浸镀锌螺栓(镀锌后)的扭矩系数和扭矩系数标准差(离散性)都要高于黑件(镀锌前)；

(2)gb/t1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》规定了高强螺栓的扭矩系数平均值为0.110～0.150，扭矩系数标准差不应大于0.010。相较于高强螺栓，普通螺栓的扭矩系数平均值和标准差(离散性)都高于规范所规定的高强螺栓扭矩系数平均值和标准差(离散性)。