一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及方法，包括基座以及自上而下依次套设在被测螺栓上的螺栓套筒、连接件以及轴承支撑装置；基座上固定有试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被测螺栓上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。本发明可以单独检测螺栓头支撑面的摩擦系数，能够针对不同工程直径、不同等级、不同接触表面形貌、不同材料特性及不同预紧力等参数对螺栓头支撑面摩擦系数进行测量。为工程技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据支持，降低螺栓预紧力的离散度，保障螺栓连接性能满足工程需求。

说明书

技术领域

本发明属于摩擦系数检测试验装置领域，具体涉及一种用于检测螺栓头支 撑面摩擦系数的试验装置及方法。

背景技术

螺纹连接（螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接等）由于其便于装拆与维 护保养，已成为复杂机械系统装配中应用最普遍、最广泛的连接方式。目前， 常见的螺纹拧紧方法主要有：扭矩法、扭矩/转角法、屈服点控制法和螺栓伸 长量控制法等，其中扭矩法因其加载方便且易于控制，被广泛应用于工程实际 当中。

大量文献表明，扭矩法在连接过程中，受到润滑方式、加工表面粗糙度、 零件的材料（强度、硬度）、螺纹配合、零件形位误差等因素的影响，其连接 性能参数表现出明显的不确定性，其中预紧力的误差范围在±5%～±35%，最差 情况还达到±50%。目前，为了解决预紧力的离散度问题，大量学者提出通过 理论方法构建拧紧扭矩与预紧力之间的关联模型，以期通过该模型以最终预紧 力为目标准确设计拧紧扭矩量值，其中螺栓头支撑面摩擦系数是该模型中必不 可少的参数。然而，在利用该理论模型计算拧紧扭矩时，通常凭借设计手册或 者技术人员经验来确定螺栓头支撑面的摩擦系数，这在一定程度上影响了模型 计算精度，而现有螺栓连接检测装置尚且不能独立测试螺栓头支撑面摩擦系 数。因此，有必要提出一种能够检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，为工 程技术人员在保障目标预紧力条件下准确设计拧紧扭矩提供基础数据依据，从 而提高拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标预紧力的离散度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置及 方法，该试验装置能够改善拧紧扭矩与预紧力理论模型的计算精度，降低目标 预紧力的离散度，同时为其他螺纹连接结构摩擦系数的检测提供方法参照。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，包括基座以及自上而下 依次套设在被测螺栓上的螺栓套筒、连接件以及轴承支撑装置；基座上固定有 试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被测螺栓上还套设有测量装置 以及用于给被测螺栓施加预紧力的加载装置。

所述的基座包括固定在底面上的铸铁平台和圆盘底座，铸铁平台的上表面 开设有用于固定圆盘底座的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座上。

所述的试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架，三个L型支撑架以 短边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座上；连接件安装在三个L型支撑架的 内侧，且连接件与L型支撑架的内侧接触面为圆弧面。

所述的连接件包括上连接件和下连接件，测量装置设置在上连接件与下连 接件之间，上连接件的上表面开设有用于放置螺栓套筒的矩形槽，中间沿轴向 开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；下连接件的下表面开设有用于安装轴承支 撑装置的圆形凹槽，中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓穿过的通孔；上连接 件与下连接件的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连 接件和下连接件的螺纹孔。

所述的轴承支撑装置包括套设在被测螺栓上的推力圆柱滚子轴承和轴承 套筒，推力圆柱滚子轴承的轴圈设置在下连接件下表面的圆形凹槽内，推力圆 柱滚子轴承的座圈安装在轴承套筒上。

所述的加载装置包括设置在被测螺栓的螺栓头部的拧紧轴以及设置在被 测螺栓底部的用于和拧紧轴相配合的螺母；拧紧轴上连接有用于控制拧紧轴的 控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反馈 信号的数据处理模块。

所述的测量装置包括用于实时监测被测螺栓拧紧过程中轴向预紧力变化 信号的垫圈式力传感器以及分别设置在垫圈式力传感器上表面和下表面上的 力传感器上垫片和力传感器下垫片；垫圈式力传感器套装在被测螺栓上，并固 定在上连接件和下连接件之间；垫圈式力传感器还连接有电荷放大器，垫圈式 力传感器通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。

一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验方法，包括以下步骤：

1）依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集 系统的信号转换比率；

2）选取与被测螺栓内径相匹配的螺栓套筒，将被测螺栓套筒安装在上连 接件上表面的矩形槽中，再将上连接件固定在L型支撑架上；

3）依次安装被测螺栓、垫圈式力传感器、下连接件、推力圆柱滚子轴承、 轴承套筒和螺母，通过螺母预紧被测螺栓，约束下连接件周向转动；

4）通过内六方套筒固定被测螺栓的螺栓头部，拧紧螺母，通过数据采集 系统记录垫圈式力传感器的读数，待其示值稳定后，记录此值F；

5）通过拧紧轴旋转被测螺栓的螺栓头部，记录拧紧控制系统中扭矩随时 间的变化曲线，提取数据处理模块中扭矩稳定值T_b；

6）通过测量的数据F和T_b推算螺栓头支撑面的摩擦系数，公式如下：

${\mu }_b=\frac{T_b}{F\times r_{\mathrm{mb}}}$

上式中，T_b为螺栓头拧紧扭矩，F为螺栓预紧力，r_mb为螺栓头有效接触半 径，μ_b为螺栓头与上被连接件的摩擦系数；

7）重复步骤2）～6），对不同螺栓预紧力下螺栓头支撑面摩擦系数进行测 试，并对各组试验测试结果求均值，得到被测螺栓的螺栓头支撑面摩擦系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置，由于将螺栓通过螺栓 套筒安装在连接件上，同时将连接件固定在试验台支撑件上，并且在螺栓上设 置测量装置以及用于给螺栓施加预紧力的加载装置，因此可以单独检测螺栓头 支撑面的摩擦系数，能够针对不同工程直径、不同等级、不同接触表面形貌、 不同材料特性及不同预紧力等参数对螺栓头支撑面摩擦系数进行测量。为工程 技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据支持，降低螺栓预紧力的离散度， 保障螺栓连接性能满足工程需求。

本发明用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验方法，通过垫圈式力传感器 采集螺栓预紧力，通过控制系统记录拧紧轴扭矩随时间的变化曲线，提取数据 处理模块中扭矩稳定值，推算出螺栓头支撑面的摩擦系数，再对不同螺栓预紧 力下螺栓头支撑面摩擦系数进行测试，并对各组试验测试结果求均值，得到被 测螺栓的螺栓头支撑面摩擦系数；该试验方法操作简便，原理简单，容易实现， 在试验装置的配合下，能够为工程技术人员设计螺栓拧紧扭矩提供基本的数据 支持。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明圆盘底座的俯视图；

图3为本发明三个L型支撑架的等轴侧视图；

图4为本发明上连接件的等轴侧视图；

图5为本发明下连接件的等轴侧视图；

图6为本发明螺栓套筒的等轴侧视图；

图7为本发明轴承套筒的等轴侧视图。

其中，1为铸铁平台；2为圆盘底座；3为L型支撑架；4为下连接件；5 为上连接件；6为螺栓套筒；7为被测螺栓；8为拧紧轴；9为力传感器上垫片； 10为垫圈式力传感器；11为力传感器下垫片；12为推力圆柱滚子轴承；13为 轴承套筒；14为螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图7，本发明一种用于检测螺栓头支撑面摩擦系数的试验装置， 包括基座以及自上而下依次套设在被测螺栓7上的螺栓套筒6、连接件以及轴 承支撑装置；基座包括固定在底面上的铸铁平台1和圆盘底座2，铸铁平台的 上表面开设有用于固定圆盘底座2的T型槽，试验台支撑件固定在圆盘底座2 上，试验台支撑件包括三个结构相同的L型支撑架3，三个L型支撑架3以短 边为底面，均匀布置并固定在圆盘底座2上；连接件安装在三个L型支撑架3 的内侧，且连接件与L型支撑架3的内侧接触面为圆弧面，连接件包括上连接 件5和下连接件4，测量装置设置在上连接件5与下连接件4之间，上连接件 5的上表面开设有用于放置螺栓套筒6的矩形槽，中间沿轴向开设有能够使被 测螺栓7穿过的通孔，测量装置包括用于实时监测螺栓拧紧过程中轴向预紧力 变化信号的垫圈式力传感器10以及分别设置在垫圈式力传感器10上表面和下 表面上的力传感器上垫片9和力传感器下垫片11；垫圈式力传感器10套装在 被测螺栓7上，并固定在上连接件5和下连接件4之间；垫圈式力传感器10 还连接有电荷放大器，垫圈式力传感器10通过电荷放大器与数据采集和数据 处理模块相连；下连接件4的下表面开设有用于安装轴承支撑装置的圆形凹槽， 中间沿轴向也开设有能够使被测螺栓7穿过的通孔；上连接件5与下连接件4 的侧面沿轴向均匀开设有与试验台支撑件相配合用于固定上连接件5和下连接 件4的螺纹孔；基座上固定有试验台支撑件，被测螺栓7上自上而下依次套设 有螺栓套筒6、连接件以及轴承支撑装置，轴承支撑装置包括套设在被测螺栓 7上的推力圆柱滚子轴承12和轴承套筒13，推力圆柱滚子轴承12的轴圈设置 在下连接件4下表面的圆形凹槽内，推力圆柱滚子轴承12的座圈安装在轴承 套筒13上；基座上固定有试验台支撑件，连接件固定在试验台支撑件上，被 测螺栓7上还套设有测量装置以及用于给被测螺栓7施加预紧力的加载装置， 加载装置包括设置在被测螺栓7的螺栓头部的拧紧轴8以及设置在被测螺栓7 底部的用于和拧紧轴8相配合的螺母14；拧紧轴8上连接有用于控制拧紧轴8 的控制系统，控制系统上还连接有用于采集、存储以及分析拧紧轴输出扭矩反 馈信号的数据处理模块。

本发明的原理：

如图1所示，本发明是一种能够检测螺栓头支承面摩擦系数的试验装置， 包括：基座、被连接件支承装置、被测试件、轴承支承装置、被连接件、加载 装置和测量装置。

如图2所示，基座包括铸铁平台1和圆盘底座2，铸铁平台1通过地脚螺 栓固定于地面，铸铁平台上表面开T型槽；圆盘底座2上开设有与试验台支撑 件相配合的支撑件连接螺纹孔2-1以及与法兰相配合的法兰螺母连接通孔2-2， 圆盘底座2通过法兰螺栓固定在铸铁平台1上表面。

如图3所示，试验台支撑件由三个结构相同的L型支撑架3组成，L型支 撑架3侧壁开有与上连接件5相配合的通孔3-2和与下连接件4相配合的腰型 孔3-1，底面开有与圆盘底座2相配合的通孔3-3。底面沿周向均布固定在圆盘 底座2上，内侧面沿周向均布分别与下连接件4和上连接件5连接，接触面为 圆弧面。

如图4所示，连接件包括下连接件4和上连接件5，上连接件5上表面开 有矩形槽，中间轴向开使被测螺栓7通过的螺栓通孔5-2，周向均布开三个定 位螺纹孔5-3；如图5所示，下连接件4下表面开有圆形凹槽4-1，中间轴向开 螺栓通孔4-3，周向均布开三个定位螺纹孔4-2。

如图6所示，被测试件为被测螺栓7，被测螺栓7通过螺栓套筒6支撑， 螺栓套筒6的内径大小可根据测试螺栓的直径进行选配，螺母14通过轴承套 筒13支撑，通过拧紧螺母14对被测螺栓7进行加载。

如图7所示，轴承支撑装置包括推力圆柱滚子轴承12和轴承套筒13，推 力圆柱滚子轴承12轴圈安装在下被连接件4上，推力圆柱滚子轴承12座圈安 装在轴承套筒13上。

加载装置包括螺母14、拧紧轴8、控制系统和数据处理模块。通过拧紧螺 母14为被测螺栓7施加预紧力，通过拧紧轴8拧紧被测螺栓7的螺栓头部， 检测被测螺栓拧紧扭矩。控制系统可精确设定拧紧轴的最大输出扭矩和扭矩递 增曲线，可实时反馈拧紧轴输出扭矩的变化信号，反馈信号被数据处理模块采 集、存储和分析。

测量装置包括垫圈式力传感器10、上下力传感器垫片9和11、电荷放大 器、数据采集和数据处理模块。垫圈式力传感器10固定在上连接件5和下连 接件4之间，实时监测被测螺栓拧紧过程中的轴向预紧力变化信号。力传感器 将收到的动态力实时转换为与其成正比的电荷信号，通过低阻绝缘连接电缆传 送到电荷放大器中进行调理放大，转换为成比例可被数据采集系统采集、存储 的模拟电压信号。将模拟电信号输入到数据分析处理系统中进行处理，观察被 测螺栓预紧力的变化。

采用本发明进行螺栓头支撑面摩擦系数的测量时，具体实施过程包括下列 步骤：

1）依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集 系统的信号转换比率。

2）选取与被测试螺栓内径相匹配（中等装配精度）的螺栓套筒6，将螺栓 套筒6安装在上被连接件5的矩形槽5-1中，通过L型支撑架上的通孔3-2相 配合的螺钉将上连接件5固定。

3）依次安装被测螺栓7、垫圈式力传感器10、下连接件4、推力圆柱滚子 轴承12、轴承套筒13和螺母14，通过螺母14轻度预紧被测螺栓7，轻度预紧 L型支撑架上的腰型孔3-1相匹配的螺钉，约束下连接件4周向转动。

4）通过内六方套筒固定被测螺栓7的螺栓头部，拧紧螺母14，通过数据 采集系统记录垫圈式力传感器10的读数，待其示值稳定后，记录此值F。

5）通过拧紧轴8旋转被测螺栓7的螺栓头部，记录拧紧控制系统中扭矩 随时间的变化曲线，利用拧紧系统数据处理软件提取扭矩稳定值T_b。

6）通过测量的数据F和T_b推算螺栓头支撑面的摩擦系数，公式如下：

${\mu }_b=\frac{F_b}{F\times r_{\mathrm{mb}}}$

上式中，T_b为螺栓头拧紧扭矩，F为螺栓预紧力，r_mb为螺栓头有效接触半 径，μ_b为螺栓头与上被连接件的摩擦系数。

7）重复2）-6）的步骤，对不同螺栓预紧力下螺栓头支撑面摩擦系数进行 测试，并对各组试验测试结果求均值，得到被测螺栓的螺栓头支撑面摩擦系数。

一种型号的被测螺栓做完后，重复上述步骤，更换被测螺栓7、螺母14、 螺栓套筒6和轴承套筒13，如此，可得到不同类型的螺栓头支承面摩擦系数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。