[发明专利]一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于紧固件设计技术领域，具体涉及一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法。

背景技术

螺栓广泛应用于船舶、机械、建筑、桥梁等国民经济各个环节，被称为“工业之米”；其具有通用性强、安装成本较低、可重复拆装等优点。

为保证连接结构的刚度、可靠性、密封、防松及提高螺栓疲劳强度等应用要求，大部分螺栓在安装过程中均需进行预紧处理：即在装配时对螺栓施加一定的预紧应力；大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接件的寿命都是有益的，特别是对有密封要求的连接更为必要；为防止螺栓预紧过载或预紧不足，对螺栓的预紧应力需进行精确控制。

文献《紧固件连接设计手册》中，对于受拉螺栓连接，σp（预紧应力）的取值通常如下：

在一般机械，σp=（0.5～0.7）σ_S；

航空航天机械，σp≈0.35σ_S；

在特殊连接如高强度螺栓摩擦连接σp≈0.75σ_S；

为保证预紧力加载的精度，人们在生产实践中采取了众多的控制措施控制螺栓预紧应力；如：拧紧力矩法、长度测量法、扭转角度控制法、应变片测量法、液压拉伸法和加热预伸长法。

目前控制螺栓预紧力方法简述如下：

（1）力矩法：采用扭力扳手：通过控制拧紧力矩来实现控制预紧力，力矩法是国内外长期普遍采用的方法，其优点是较简单、易于实施、不需要复杂的仪器设备、费用少，但测得的预紧力值误差大而且分散，一般误差±25%。这主要是由于连接件和被连接件的表面质量（包括粗糙度、螺纹精度、润滑、镀层等）和拧紧速度的差别所造成的。

（2）测量螺栓伸长法：螺栓原始长度为Ls（mm），设计规定的预紧力为Qp（N）时,拧紧后需要的螺栓长度L’s为：

式中Cb——螺栓的刚度，N/mm。

由于螺栓的剖面面积沿螺栓长度有变化，由公式计算出的结果不十分准确，可以材料拉伸试验机绘制“载荷—伸长”标定曲线；安装时根据测得的伸长量可得出预紧力，误差为±（3～5）%；为保证测量的精确，螺栓两端应精加工，且仅适用于安装结构有足够测量空间的场合；一般仅用于特殊需要场合。

（3）扭角法：其原理与测量螺栓伸长法相同，只是将伸长量改为螺母从原始拧紧位置（所有被连接件紧贴）再旋拧的角度θ。

式中 P—螺栓螺纹螺距，mm

Cb—螺栓的刚度，N/mm

Qp—螺栓的预紧力，N

为确定原始拧紧位置和旋拧角度，需要进行必要的测试试验，测得的预紧力值误差±15%，对于弹性连接副及连接副表面不平整的情况将会产生极大的误差。

（4）应变片法：将特制的电阻应变片作为敏感元件，粘贴在被测螺栓的光杆上，拧紧螺栓时，螺栓受预紧力变形，导致电阻应变计的电阻变化，在一定范围内电阻变化与螺栓应变成线性比例关系，由此即可推算出螺栓中的预紧力。这种方法精度高，测得的预紧力值误差一般为±1%；但工艺复杂，费用较高。且需要一定的测量空间。

（5）液压拉伸法：液压拉伸法为采用液压缸在螺栓和被连接工件间预拉所需加载的预紧力，然后旋合螺母至表面贴合，贴合后卸除液压缸加载的预拉力。这种方法具有装配快捷、预紧精度高等优点。但预拉端必须留有足够长的预拉螺纹和液压设备空间，对于大规格螺栓复杂构件的装配通常难以实现。

（6）加热预伸长法：加热预伸长法利用材料的热胀冷缩原理，在装配前将螺栓加热至一定的温度后装配，利用冷却收缩产生预紧力。该方法适用于大截面、长规格及预紧力要求不高的场合。

然而船用桨叶螺栓用于固定螺旋桨和桨毂，安装有严格的预紧力控制要求；受产品结构及流体力学线型控制要求的限制，安装空间狭小，无法采用比较精确的应变计法、液压拉伸法和传统测量螺栓伸长法；目前只能采用力矩法或扭角法进行预紧应力控制，但采用力矩法或扭角法进行预紧应力控制的精度不高。

发明内容

为了克服现有螺栓预紧应力测量方法繁琐，控制精度较低的不足，本发明的目的在于提出一种可测预紧伸长量的螺栓及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：