一种螺母和准确控制螺栓预紧力的方法与流程

本发明属于螺栓连接技术领域，涉及的是一种螺母并涉及一种控制螺栓预紧力的方法。

背景技术：

螺栓连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，在一些装配质量要求高的场合，例如石油化工、核电、航空航天等领域，螺栓连接必须具有可靠性，因此就需要精确控制螺栓的轴向预紧力，即轴向拉伸力。为达到这个目的,目前有以下的控制方法：1、直接控制扭矩方法，2、扭矩控制+转角监控法，3、转角控制+扭矩监控法，4、屈服点控制法（斜率控制法或弹性极限法），5、螺栓长度法（伸长量控制法），6、螺栓拉伸器拉伸法。

上述方法1是根据螺旋副的扭矩m与螺栓轴向预紧力f之间的关系：m=k×f×d（d—螺栓直径，k—扭矩系数）来确定并控制施加在螺母上的扭矩。由于k受螺旋副之间的摩擦系数影响，取值变动范围较大，因此f值变动较大，一般为±25%左右,有时可达±40%左右，很难精确控制。

方法2是使用自动拧紧机控制，工作程序为：首先将装配扭矩设置在最终装配扭矩值的70%—80%的范围内，自动拧紧机快速拧紧到这个设定值后，略做停顿，然后以很慢的转速继续旋紧，直到最终装配扭矩值，在第二个动作开始工作时，开始记录旋转的角度，从而可以在达到在装配的同时检查螺旋副质量的目的。该方法与方法1基本相同，控制的是最终扭矩值，所得到的螺栓轴向预紧力精度仍然很低。

方法3是通过自动拧紧机控制系统来控制螺栓拧紧过程中的转角，转角大小反映了螺栓被拉伸量与连接体的压缩量的总合，此方法能在一定程度上排除异常摩擦状况对轴向力的影响，装配可靠性较高，但该方法比较复杂，控制的工艺参数也需经过试验来确定，实施比较困难，而且设备的价格特别高。

方法4是利用螺纹材料的屈服点来控制螺旋副的装配，在使用自动拧紧机控制装配过程中，不但能测试螺旋副的装配扭矩，而且在测试螺旋副扭矩的同时不断地测试转角，从而计算出扭矩与转角的微分商δ，计算微分商公式是：δm/δφ。当螺栓的材料达到屈服点以后，也就是说当拧紧力矩不再增加或增加的很慢而转角却增加的很快，微分商δ趋向于0时，既发出控制信号，切断电源，完成一个工作循环，从而达到控制装配扭矩的目的。该方法的优点就是不受摩擦系数和转角起始点影响，提高了装配精度。其缺点是操作复杂，需要一个控制系统来控制，工艺参数需经试验确定，实施困难，而且设备的价格特别高。

方法5是采用测微仪或超声波测长仪等高精度的动态测量仪测量拧紧过程中的螺栓伸长量，以此来控制螺栓的装配扭矩，这是一种目前控制螺栓预紧力最准确的方法。但这种测量方法及测量装置目前只应用于实验室、产品设计研究和工艺设计阶段，在连续生产过程中实施起来也很困难。

方法6是用螺栓拉伸器先将螺栓在被紧固的工件上拉伸，再将螺母旋紧，然后螺栓拉伸器释放螺栓，利用螺栓的变形将螺母压紧，达到锁紧螺栓的目的。该方法始终存在这样一个状况，即螺母的固定位置与螺栓拉伸器的拉伸螺母之间存在一段间隙a，见图1，在螺栓拉伸器释放螺栓的过程中，螺栓a段的形变能量自由消失了，导致螺栓最终紧固段的预紧力不等于螺栓拉伸器给予整个螺栓的预紧力。由于间隙a的存在，其大小又是随机的，所以目前的螺栓拉伸器都未涉及到螺栓预紧力的控制精度这一指标。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术所存在的缺陷和不足，提出一种螺母以及利用该螺母能够准确控制螺栓预紧力的方法。

实现上述目的的技术方案是：

一种螺母，其特征在于，它是一套组合螺母，由内螺母套和外螺母组成，内螺母套上有内螺纹和外螺纹，外螺母有内螺纹，内螺母套上的内螺纹与螺栓形成螺纹副，内螺母套上的外螺纹与其内螺纹相反，外螺母与内螺母套形成螺纹副。

进一步，所述内螺母套上的外螺纹为细牙螺纹。

又进一步，所述内螺母套与外螺母等高。

再进一步，所述组合螺母的刚性系数是螺栓刚性系数的5～10倍。

一种准确控制螺栓预紧力的方法，其特征是按下述步骤依次操作完成，

（1）在被连接的工件上，将所述组合螺母旋装在螺栓上，用螺栓拉伸器按设定的预紧力将螺栓拉伸，

（2）旋拧组合螺母，使内螺母套的上端紧抵在螺栓拉伸器的拉伸螺母下端面，使外螺母的下端面紧抵工件的表面，

（3）螺栓拉伸器卸载，拉伸螺母与螺栓脱离。

本发明的方法原理是：当所述步骤（2）完成后，组合螺母消除了它与拉伸螺母之间的间隙，在完成步骤（3）的过程中直至步骤（3）完成后，螺栓的形变能量全部由组合螺母承接并施加在了工件上。因此，紧固后螺栓的轴向预紧力与螺栓拉伸器给予整个螺栓的拉伸力几乎相等。所以，通过精准控制螺栓拉伸器的拉伸力就能够准确控制螺栓的预紧力。

本发明中的组合螺母构造简单，在使用中它替换了普通螺母。本发明方法能够完成螺栓预紧力的准确控制，操作步骤少，工艺很简单。

附图说明

图1是现有技术中螺栓拉伸器在使用状态的轴向剖视图。

图2是本发明组合螺母的轴向剖视放大图。

图3是外螺母轴向剖视图。

图4是外螺母的俯视图。

图5是内螺母套的轴向剖视图。

图6是本发明组合螺母使用状态一的轴向剖视图。

图7是本发明组合螺母使用状态二的轴向剖视图。

图8是图7中a-a线的剖视图。

图中：1.螺栓拉伸器，101.螺栓拉伸器支架，102.拉伸螺母，2.组合螺母，201.内螺母套，202.外螺母，3.螺栓，4.工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

如图2至图6所示，本发明所述的组合螺母2由内螺母套201和外螺母202组成，内螺母套201上有内螺纹和外螺纹，外螺母202有内螺纹，内螺母套201上的内螺纹与螺栓3上的螺纹参数相同，通常为右旋螺纹，内螺母套201与螺栓3形成螺纹副；内螺母套201上的外螺纹与其内螺纹相反，通常为左旋螺纹；外螺母202上的内螺纹参数与内螺母套201上的外螺纹参数相同，外螺母202与内螺母套201形成螺纹副。

为了提高组合螺母2的承载能力，内螺母套201上的外螺纹可以设计为细牙螺纹，外螺母202上的内螺纹自然也是与其配套的细牙螺纹。

通常情况下，内螺母套201与外螺母202等高。不等高的内螺母套201和外螺母202也可以达到相同的效果。

外螺母202的端面外形为正多边形，正多边形的数目视其断面面积而定，图4示出的是一个正八边形，这样的结构便于人工旋拧。

如图6至图8所示，本发明所述的准确控制螺栓预紧力的方法是按下述步骤依次操作完成：

（1）在被连接的工件4上，先将组合螺母2旋装在螺栓3上，旋拧组合螺母2，使内螺母套201抵触在工件4上，然后安装螺栓拉伸器1（螺栓拉伸器可以是任何一种），将螺栓拉伸器1上的的拉伸螺母102旋拧在螺栓3头部，并使螺栓拉伸器1的支架101紧压在工件4上。然后启动螺栓拉伸器1的油泵，按设定预紧力fy将螺栓3拉伸，拉伸力fl等于设定预紧力fy。拉伸后，螺栓3会在其弹性范围内伸长，伸长量为δl，fl与δl的关系式为：fl＝cδl,（式中c是螺栓的刚性系数），此时，拉伸螺母102与组合螺母2之间会一个间隙b存在（如图6所示）,保持油泵的油压值不变，进行下一步操作。

（2）旋拧组合螺母2，使内螺母套201的上端紧抵在拉伸螺母102的下端面，使外螺母202的下端面紧抵工件4的表面，这样就完全消除了间隙b（如图7所示）。

（3）螺栓拉伸器1卸载，拉伸螺母102与螺栓3脱离。

完成上述三个步骤后，螺栓连接工作结束，此时，由螺栓3的形变能量转换成的螺栓预紧力全部由组合螺母2承接并施加在了工件4上。因此，紧固后螺栓3的实际预紧力f1与螺栓拉伸器1给予整个螺栓3的拉伸力fl几乎相等。

上述“几乎相等”说明还存在误差。该误差是由于组合螺母2不是完全的刚性体所造成，当组合螺母2承接fl压在工件4上之后，组合螺母2发生了一定的压缩形变，其形变量为δ。因此，螺栓拉伸器1卸载后螺栓3的实际伸长量为δl-δ，螺栓3连接后，它的实际预紧力f1＝c（δl-δ），式中的c为螺栓的刚性系数，f1略小于fl。不过，该误差属于精度误差，可调、可控。

因此，加大组合螺母2的刚性系数即可减小变形量δ，也就能够提高螺栓3预紧力的精度。从理论上讲，有必要将组合螺母2的刚性系数提升至螺栓3刚性系数的10倍甚至20倍。假设为20倍，组合螺母2的变形量δ就仅是螺栓3伸长量δl的1/20，即δ=δl/20，在螺栓3连接结束后，螺栓3的实际预紧力f1＝c（δl-δ）＝cδl(1-1/20)＝0.95cδl＝0.95f。这就意味着，通过本发明方法并将组合螺母2的刚性系数提升至螺栓3刚性系数的20倍，依据精度计算式：(f1-f)/f，就能够把螺栓3实际预紧力f1的精度提高并可控制到±5%范围内。

在满足上述假设的情况下，如果螺栓3拉伸时再将拉伸力fl提高5%，则螺栓获得的拉伸力fl＝1.05f，螺栓3形变量就成为1.05δl。按照本发明操作方法，将1.05f的拉伸力释放在组合螺母2上，它的压缩形变量δ＝1.05δl/20。这样，螺栓最终获得的实际预紧力f2＝c（1.05δl-δ）＝1.05c(1-1/20)δl＝0.9975cδl＝0.9975f。这就意味着，通过本发明和上述改变，依据精度计算式：(f1-f)/f，就能够把螺栓3实际预紧力的精度提高并可控制到±0.25%范围内。

上面是一种理论上的分析计算，实践中要达到±0.25%精度这一指标，需要螺栓拉伸器达到±0.25%精度输出，其中，需要螺栓拉伸器所配置的压力表的精度高于±0.1%、压力控制阀的精度也要达到±0.1%，而现有技术还达不到这种要求。另外，要把组合螺母2的刚性系数提升至螺栓3刚性系数的20倍，必然要大幅度增大组合螺母2的体积，这也是不实际的。

能够实施的做法是将组合螺母2的刚性系数做到5～10倍于螺栓3的刚性系数，并在进行螺栓拉伸时将拉伸力f提高10%，同样可以达到精确控制螺栓轴向力目的，计算结果如下：

当拉螺栓伸器的拉伸力提高10%，螺栓3在拉伸过程中获得的拉力为fl＝1.1f，螺栓3的形变量为1.1δl，由于组合螺母2的刚性系数为螺栓刚性系数的10倍，当螺栓拉伸器释放后，fl释放在组合螺母2上，此时组合螺母2压缩形变量δ＝1.1δl/10，则螺栓3最终产生的实际预紧力f3＝c（1.1δl-δ）＝1.1cδl(1-1/10)＝0.99cδl＝0.99f。依据精度计算式：(f3-f)/f，最终螺栓3实际预紧力f3的精度能够控制到±1%。这个结果已经达到了很高的精度控制，现有螺栓拉伸器的压力表和稳压控制阀的精度已在0.2%以上，能够满足需要。所以在实际运用中，本发明能够将螺栓3的预紧力精度控制在±5%～±2%以内。