螺纹预紧扭矩系数测量装置研制

2010-04-21徐小兵柴华雄长江大学机械工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2010年7期

徐小兵,柴华雄 (长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)

官强 (中国石化江汉石油管理局第四石油机械厂,湖北荆州434024)

螺纹连接结构简单,拆装方便,类型多样,是机械装配中应用最广泛连接方式。在机械产品装配中,螺纹紧固件装配质量是保证机械质量及正常运转的基础。目前在装配工艺上最经济实用的方法是通过控制扭矩来间接实现轴向预紧力的控制,也叫做力矩控制法。但力矩控制法通常是通过在一定条件下(如钢制普通粗牙、无润滑)给出一个扭矩系数平均值来估算预紧力,因而精度不高,在需要严格控制预紧力的场合难以满足要求。

为满足通过控制预紧力矩精确控制预紧力的要求,笔者研制了一种测量装置,它能够测量不同直径、长度的螺栓的预紧力、预紧扭矩和扭矩系数。

1 工作原理

运用力矩控制法,螺纹拧紧扭矩的作用主要就是克服旋合螺纹之间的摩擦力矩和螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩,并使连接产生预紧力F0,螺纹预紧扭矩T和预紧力F0的关系[1]为:

式中,K为预紧扭矩系数;T为预紧扭矩,10-3N·m;F0为预紧力,N;d为螺纹公称直径,mm。

由此可见,只需测量出预紧扭矩和预紧力,即可计算得到扭矩系数。该测试装置的工作原理就是对于不同公称直径、不同长度的螺栓在预紧过程中,通过传感器采集预紧力和预紧扭矩,应用数据处理模块得到扭矩系数,并且在显示器上显示预紧力、预紧扭矩、扭矩系数的值。

2 测试装置

2.1 测试装置示意图

如图1所示为螺栓连接扭矩系数测试装置的示意图。测试方法如下:先装入被测试螺栓,然后通过转动调节螺母使被测试螺栓达到工作位置;把套筒套在螺母上,转动扳手,扭力就施加到与被测试螺栓同轴设置的动态扭力传感器的扭力接收端,并通过该动态扭力传感器施加于套筒上,此时螺母在套筒的作用下旋转,对螺栓连接进行预紧,在预紧过程中,会产生一个轴向拉力,这个拉力通过拉力传感器传递到数据处理器,同时套筒和扳手之间的扭矩传感器把扭矩值信号传递到数据处理器,通过数据处理器的处理在显示器上显示出实时预紧扭矩值、预紧力值和扭矩系数之值。

该测试装置可分为轴力测试装置、扭矩测试装置和数据处理系统3个部分。

图1 测试装置整体示意图

2.2 轴力测试装置

测试轴力测试装置的结构如图2所示。在设计过程中,要解决以下2个问题:①如何保证该装置能够夹持不同直径的螺栓;②该装置能够保证测试不同长度的螺栓。

在用扳手预紧螺栓时,会在螺栓上施加一个扭矩,此时必须用一个夹持装置来平衡这个扭矩,不让螺栓转动。套筒2的作用就是夹持螺栓头,使螺栓固定,并在预紧过程中把轴向力传递到承力块上。套筒2的内部结构是内六方,和螺栓头配合起到夹持螺栓头的作用。为了适应不同直径的螺栓,套筒2是可以更换的,以适应不同的直径的螺栓。同时,在置换套筒2时,套筒1也必须同时换成相应大小的套筒,套筒1的作用是支撑螺母垫片。这种结构设计简单,一改以前的试验台架上的复杂的夹持结构,可靠性增加,更换也更加的方便。