螺紋預(yù)緊扭矩系數(shù)測(cè)量裝置研制

徐小兵,柴華雄 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

官 強(qiáng) (中國(guó)石化江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠,湖北荊州434024)

螺紋連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,拆裝方便,類型多樣,是機(jī)械裝配中應(yīng)用最廣泛連接方式。在機(jī)械產(chǎn)品裝配中,螺紋緊固件裝配質(zhì)量是保證機(jī)械質(zhì)量及正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。目前在裝配工藝上最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是通過(guò)控制扭矩來(lái)間接實(shí)現(xiàn)軸向預(yù)緊力的控制,也叫做力矩控制法。但力矩控制法通常是通過(guò)在一定條件下(如鋼制普通粗牙、無(wú)潤(rùn)滑)給出一個(gè)扭矩系數(shù)平均值來(lái)估算預(yù)緊力,因而精度不高,在需要嚴(yán)格控制預(yù)緊力的場(chǎng)合難以滿足要求。

為滿足通過(guò)控制預(yù)緊力矩精確控制預(yù)緊力的要求,筆者研制了一種測(cè)量裝置,它能夠測(cè)量不同直徑、長(zhǎng)度的螺栓的預(yù)緊力、預(yù)緊扭矩和扭矩系數(shù)。

1 工作原理

運(yùn)用力矩控制法,螺紋擰緊扭矩的作用主要就是克服旋合螺紋之間的摩擦力矩和螺母與被連接件支撐面間的摩擦力矩,并使連接產(chǎn)生預(yù)緊力F0,螺紋預(yù)緊扭矩T和預(yù)緊力F0的關(guān)系[1]為:

式中,K為預(yù)緊扭矩系數(shù);T為預(yù)緊扭矩,10-3N·m;F0為預(yù)緊力,N;d為螺紋公稱直徑,mm。

由此可見,只需測(cè)量出預(yù)緊扭矩和預(yù)緊力,即可計(jì)算得到扭矩系數(shù)。該測(cè)試裝置的工作原理就是對(duì)于不同公稱直徑、不同長(zhǎng)度的螺栓在預(yù)緊過(guò)程中,通過(guò)傳感器采集預(yù)緊力和預(yù)緊扭矩,應(yīng)用數(shù)據(jù)處理模塊得到扭矩系數(shù),并且在顯示器上顯示預(yù)緊力、預(yù)緊扭矩、扭矩系數(shù)的值。

2 測(cè)試裝置

2.1 測(cè)試裝置示意圖

如圖1所示為螺栓連接扭矩系數(shù)測(cè)試裝置的示意圖。測(cè)試方法如下:先裝入被測(cè)試螺栓,然后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母使被測(cè)試螺栓達(dá)到工作位置;把套筒套在螺母上,轉(zhuǎn)動(dòng)扳手,扭力就施加到與被測(cè)試螺栓同軸設(shè)置的動(dòng)態(tài)扭力傳感器的扭力接收端,并通過(guò)該動(dòng)態(tài)扭力傳感器施加于套筒上,此時(shí)螺母在套筒的作用下旋轉(zhuǎn),對(duì)螺栓連接進(jìn)行預(yù)緊,在預(yù)緊過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向拉力,這個(gè)拉力通過(guò)拉力傳感器傳遞到數(shù)據(jù)處理器,同時(shí)套筒和扳手之間的扭矩傳感器把扭矩值信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)處理器,通過(guò)數(shù)據(jù)處理器的處理在顯示器上顯示出實(shí)時(shí)預(yù)緊扭矩值、預(yù)緊力值和扭矩系數(shù)之值。

該測(cè)試裝置可分為軸力測(cè)試裝置、扭矩測(cè)試裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3個(gè)部分。

圖1 測(cè)試裝置整體示意圖

2.2 軸力測(cè)試裝置

測(cè)試軸力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要解決以下2個(gè)問(wèn)題:①如何保證該裝置能夠夾持不同直徑的螺栓;②該裝置能夠保證測(cè)試不同長(zhǎng)度的螺栓。

在用扳手預(yù)緊螺栓時(shí),會(huì)在螺栓上施加一個(gè)扭矩,此時(shí)必須用一個(gè)夾持裝置來(lái)平衡這個(gè)扭矩,不讓螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒2的作用就是夾持螺栓頭,使螺栓固定,并在預(yù)緊過(guò)程中把軸向力傳遞到承力塊上。套筒2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是內(nèi)六方,和螺栓頭配合起到夾持螺栓頭的作用。為了適應(yīng)不同直徑的螺栓,套筒2是可以更換的,以適應(yīng)不同的直徑的螺栓。同時(shí),在置換套筒2時(shí),套筒1也必須同時(shí)換成相應(yīng)大小的套筒,套筒1的作用是支撐螺母墊片。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,一改以前的試驗(yàn)臺(tái)架上的復(fù)雜的夾持結(jié)構(gòu),可靠性增加,更換也更加的方便。

圖2 軸力計(jì)裝置

為適應(yīng)不同長(zhǎng)度的測(cè)試螺栓,通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母,調(diào)節(jié)螺栓帶動(dòng)承力塊運(yùn)動(dòng),改變承力塊的行程,從而達(dá)到被測(cè)試螺栓所需要的工作長(zhǎng)度。當(dāng)在預(yù)緊的過(guò)程中,螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊軸向力通過(guò)螺栓頭傳遞到套筒2上,套筒2的臺(tái)肩把力傳遞到承力塊上,產(chǎn)生承力塊在滑動(dòng)槽中的輕微滑動(dòng),通過(guò)拉力傳感器測(cè)出軸向力。

為保證承力塊的穩(wěn)定工作,并且能夠把軸向力準(zhǔn)確的傳遞到拉力傳感器上,在其上下左右4個(gè)面上均安裝有一個(gè)導(dǎo)向滾動(dòng)軸承,使其能在對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)的4個(gè)側(cè)面殼體上的凹槽內(nèi)滑動(dòng),這種設(shè)計(jì)的好處就是可以減少承力塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力,使測(cè)出的軸向力的傳遞更加準(zhǔn)確。

2.3 扭矩測(cè)試裝置

扭矩測(cè)試裝置包括扭矩的施加與采集,如圖1所示,動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的一端與套筒連接,另一端接扭矩輸入裝置,當(dāng)輸入端施加扭矩后,扭矩從扭矩傳感器的輸出端傳遞給套筒,帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn),預(yù)緊螺栓,同時(shí)扭矩傳感器采集信號(hào)并傳遞給數(shù)據(jù)處理器。施加扭矩的動(dòng)力端可以是扳手手動(dòng)驅(qū)動(dòng),也可以是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選取。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)和結(jié)果的處理流程圖如圖3所示,當(dāng)用扳手施加扭矩后,產(chǎn)生預(yù)緊力和預(yù)緊扭矩,通過(guò)拉力傳感器和扭矩傳感器每0.5s采集一次數(shù)據(jù),采集的數(shù)據(jù)通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理,通過(guò)編程,單片機(jī)利用公式K=T/(dF0)運(yùn)算得到扭矩系數(shù),并顯示在微機(jī)顯示器上。

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