一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置

摘要

一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置,该检测装置包括预紧力采集系统(A)、螺栓夹紧连接装置系统(B)和加热系统(C)，三者彼此相连。该检测装置搭建费用较低，并且体积较小，方便携带，便于模拟真实环境下的高温蠕变。本发明可以提供高温环境，准确模拟螺栓使用过程的蠕变过程，同时可以实时采集预紧力的数值，并反馈到计算机中。它在工程材料试验仪器及装备技术领域里具有较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置，属 于工程材料试验仪器及装备技术领域。

背景技术

螺栓连接是机械产品上应用最广泛的装配方式，在航空发动机中，某些 重要的螺栓连接对发动机工作的可靠性有着举足轻重的影响。为了保证高速 旋转的转子安全可靠的工作，装配时需要调整螺栓拧紧力矩来施加适当的轴 向预紧力。但是在发动机转子工作过程中，螺栓在预紧力及高温的工作状态 下，会发生蠕变。蠕变是一种不可恢复的塑性变形，发生长时间蠕变后会造 成预紧力退化，对结构的性能会产生较为严重的影响，引起发动机故障。

在研制设计阶段，应当模拟螺栓蠕变过程，找到预紧力退化规律。现有 的测螺栓蠕变的技术都是利用大型的蠕变试验机进行测试，但其价格昂贵， 体积比较庞大，只能放在特定的试验环境，不易携带。无法应用于个人试验、 小型机构或者蠕变试验机应用次数很少的企业。同时，现有的这种技术无法 实时获取螺栓的预紧力退化数据。

发明内容

(1)发明目的

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化 过程实时检测装置。该装置搭建费用较低，并且体积较小，方便携带，便于 模拟真实环境下的高温蠕变。可以提供高温环境，准确模拟螺栓使用过程的 蠕变过程。同时可以实时采集预紧力的数值，并反馈到计算机中。

(2)技术方案

本发明的技术方案是：一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检 测装置,该检测装置包括三个系统单元，分别为预紧力采集系统A、螺栓夹紧 连接装置系统B和加热系统C。三者彼此相连。

该检测装置的预紧力采集系统A包括轮辐式拉压力传感器a1、称重信号 放大送变器b、无纸记录仪c。它们相互之间的关系是：轮辐式拉压力传感 器a1与称重信号放大送变器b相互连接，称重信号放大送变器b与无纸记 录仪c相互连接。该轮辐式拉压力传感器a1的量程可根据实际采集数据选 择，范围在200Kg～30T之间，表面边缘有8个小孔用来固定装置，中心位置 有螺纹孔用来固定所测螺栓n；该称重信号放大送变器b用来对轮辐式拉压 力传感器a1的信号进行放大；该无纸记录仪c最短每隔1s可记录一次预紧 力的数值。

该检测装置的螺栓夹紧连接装置系统B包括连接螺杆d、预紧力采集系 统A中的轮辐式拉压力传感器a1、轮辐式拉压力传感器a2、连接螺栓配套 螺母e、连接螺栓配套垫片f、所测螺栓配套螺母g、所测螺栓配套垫片h。 它们相互之间的关系是：8根连接螺杆d及对应的连接螺栓配套螺母e和连 接螺栓配套垫片f将轮辐式拉压力传感器a1与轮辐式拉压力传感器a2固定 在上下两端，所测螺栓配套螺母g与所测螺栓配套垫片h在轮辐式拉压力传 感器表面用来紧固所测螺栓n。该轮辐式拉压力传感器a1、a2的量程可根据 实际采集数据选择，范围在200Kg～30T之间，表面边缘有8个小孔用来固定 装置，中心位置有螺纹孔用来固定所测螺栓n。两台传感器表面相互平行； 该连接螺杆d、连接螺栓配套螺母e、连接螺栓配套垫片f、所测螺栓配套螺 母g、所测螺栓配套垫片h是按需选购的市购连接件。

该检测装置的加热系统C包括绳式电加热器i、隔热保温棉j、温度控 制器k、热电偶l、接触器m。他们之间的相互关系是：绳式电加热器i由高 温线与接触器连接m连接，接触器m由温度控制器k连接控制。热电偶l由 温度控制器k连接，并由绳式电加热器i紧固在所测螺栓n表面。隔热保温 棉j包裹在绳式电加热器i表面进行隔热保温。该绳式电加热器i根据实际 所测螺杆的加热长度选择输入电压，与绳长；该隔热保温棉j是硅酸铝纤维 毡，隔热保温绝缘，最高使用温度可到1300℃，在使用中需进行剪裁，使其 能够包裹在绳式电加热器i表面，并且包裹厚度使其在8根连接螺杆d之内； 该温度控制器k属于智能型可编程温度控制器，可以设置加热时间，加热速 度，最高温度及控制参数PID值；该热电偶l的型号可根据需要加热的温度 进行选择；该接触器m用来配合温度控制器进行温度控制，型号可根据绳式 电加热器i的输入电压选择具体型号，若其输入电压不是220V交流电压， 则需再配用变压器变压。

其中，所述的所测螺栓n的材料要与实际的研究对象一致，其形状尺寸 可根据对实际对象的分析进行简化。

其中，所述螺栓夹紧连接装置B要根据所测螺栓n的尺寸、性能选择合 适的夹紧装置，使其在试验中的变形远小于所测螺栓n的变形。

其中，所述连接螺杆d、连接螺栓配套螺母e、连接螺栓配套垫片f均 为标准件，也可根据实际情况进行调整。其材料应选用抗变形能力不低于于 所测螺栓n的材料。连接螺杆d的直径应大于所测螺栓n受热部分的直径。 8根该连接螺栓d穿过两台轮辐式传感器表面边缘的8个小孔，用来固定装 置，调节距离。所测螺栓配套螺母g、所测螺栓配套垫片h的材料参考实际 装配中的材料。

使用时，所测螺栓n一端拧入轮辐式拉压力传感器a1中，另一端穿过 轮辐式拉压力传感器a2且保证所测螺栓配套螺母g能够拧至轮辐式拉压力 传感器a2表面并由所测螺栓配套垫片h连接。拧紧所测螺栓配套螺母g之 前，需对无纸记录仪c清零，用力矩扳手拧所测螺栓配套螺母g至所需的力 矩，得到所需的预紧力。将整个试验装置以轮辐式拉压力传感器a1的圆柱 表面为底放置，试验环境温度为25℃。根据所需加热条件设置温度控制器k 的参数，控制绳式电加热器i对所测螺栓n进行恒温加热，并由无纸记录 仪c开始记录所测数据，加热结束后得到预紧力的变化曲线，传入电脑进行 分析。

(3)本发明具有以下优点

①本发明所述的检测装置可以演示螺栓在高温工况下的蠕变情况，实时记 录预紧力的退化数据。

②本发明所述的检测装置组装和拆卸简单，搭建费用较低，并且体积较小。 方便携带。同时各个部件都是较为常见的器件，易于维修更换，试验结束后 可以重复使用。

③本发明所述的检测装置的加热设备可对较短的螺杆进行高温加热，而且可 以根据不同的加热长度进行调整。同时在外侧包裹有一层隔热保温棉，使得 螺栓的温度不会出现波动。

④本发明所述的检测装置安装设定好后，可以自动按照预定的加热曲线运 行，中间无需人为操作，自动记录所需数据。

附图说明

结合附图以及下面的详细描述，可更容易理解本发明的前述特征，其中：

图1示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的示意 图。

图2示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的预紧力 采集系统A原理图。

图3示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的螺栓夹 紧连接装置系统B原理图。

图4示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的加热系 统C原理图。

图5示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的试验所 测样本螺栓的形状尺寸。

图6示出了考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实时检测装置的螺栓预 紧力退化曲线。

图中各标号所代表的的部件说明如下：

a1:轮辐式拉压力传感器；b:称重信号放大送变器；c:无纸记录仪；d:连接 螺杆；a2:轮辐式拉压力传感器；e:连接螺栓配套螺母；f:连接螺栓配套垫 片；g:所测螺栓配套螺母；h:所测螺栓配套垫片；i:绳式电加热器；j:隔热 保温棉；k:温度控制器；l:热电偶；m:接触器；n:试验所测螺栓。

具体实施方式

下面是本发明的具体实例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步描 述，但本发明并不限于以下实例。

发动机转子螺栓在高温工作环境中，由于受到高温蠕变而造成预紧力退 化，其最高工作温度为500℃，初始预紧力设为15kN。现模拟实际工作温度， 实时检测预紧力的退化过程，得到预紧力退化曲线。

本发明采用的技术方案是一种考虑高温蠕变的螺栓预紧力退化过程实 时检测装置，如图1所示。该装置包括三个系统单元，分别为预紧力采集系 统A、螺栓夹紧连接装置系统B和加热系统C。三者彼此相连。

如图2所示，该试验装置的预紧力采集系统A包括轮辐式拉压力传感器 a1、称重信号放大送变器b、无纸记录仪c。它们相互之间的关系是：轮辐 式拉压力传感器a1与称重信号放大送变器b相互连接，称重信号放大送变 器b与无纸记录仪c相互连接。该轮辐式拉压力传感器a1的量程选择为 0～5T，表面边缘有8个的直径为11mm的小孔用来固定装置，中心位置有 M16×1.5的螺纹孔用来固定所测螺栓n；该称重信号放大送变器b用来对轮 辐式拉压力传感器a1的信号进行放大，选用的输出信号是4～20mA；该无纸 记录仪c设置量程为0～5000kg,每1s记录一次预紧力的数值。输入信号为 4～20mA。

如图3所示，该试验装置的螺栓夹紧连接装置系统B包括连接螺杆d、 预紧力采集系统A中的轮辐式拉压力传感器a1、轮辐式拉压力传感器a2、 连接螺栓配套螺母e、连接螺栓配套垫片f、所测螺栓配套螺母g、所测螺栓 配套垫片h。它们相互之间的关系是：8根连接螺杆d及对应的连接螺栓配 套螺母e和连接螺栓配套垫片f将轮辐式拉压力传感器a1与轮辐式拉压力 传感器a2固定在上下两端，所测螺栓配套螺母g与所测螺栓配套垫片h在 轮辐式拉压力传感器表面用来紧固所测螺栓n。该检测装置的螺栓夹紧连接 装置系统B包括连接螺杆d、预紧力采集系统A中的轮辐式拉压力传感器a1、 轮辐式拉压力传感器a2、连接螺栓配套螺母e、连接螺栓配套垫片f、所测 螺栓配套螺母g、所测螺栓配套垫片h。它们相互之间的关系是：8根连接螺 杆d及对应的连接螺栓配套螺母e和连接螺栓配套垫片f将轮辐式拉压力传 感器a1与轮辐式拉压力传感器a2固定在上下两端，所测螺栓配套螺母g与 所测螺栓配套垫片h在轮辐式拉压力传感器表面用来紧固所测螺栓n。该轮 辐式拉压力传感器a1、a2的量程均选择为0～5T，表面边缘有8个的直径为 11mm的小孔用来固定装置，中心位置有M16×1.5的螺纹孔用来固定所测螺 栓n。两台传感器表面相互平行；该连接螺杆d、连接螺栓配套螺母e、连接 螺栓配套垫片f、所测螺栓配套螺母g、所测螺栓配套垫片h是按需选购的 市购连接件。

如图4所示，该试验装置的加热系统C包括绳式电加热器i、隔热保温 棉j、温度控制器k、热电偶l、接触器m。他们之间的相互关系是：绳式电 加热器i由高温线与接触器连接m连接，接触器m由温度控制器k连接控制。 热电偶l由温度控制器k连接，并由绳式电加热器i紧固在所测螺栓n表面。 隔热保温棉j包裹在绳式电加热器i表面进行隔热保温。该绳式电加热器i 根据实际所测螺杆的加热长度选择输入电压为24V，绳长为1.5米；该隔热 保温棉j是硅酸铝纤维毡，隔热保温绝缘，最高使用温度可到1300℃，在使 用中需进行剪裁，使其能够包裹在绳式电加热器i表面，并且其厚度选为15 毫米；该温度控制器k是XMT63X系列智能型可编程温度控制器，设置恒温 加热时间为1000h，控制参数PID值分别为P＝5，I＝300，D＝13；该热电偶l 的型号可根据实际的最高工作温度500℃选为K型热电偶；该接触器m用来 配合温度控制器进行温度控制，由于绳式电加热器的输入电压为24V，则需 要220V转24V的变压器进行变压。

其中，所测螺栓n的形状尺寸如图5所示进行加工，材料选用实际发动 机转子螺栓材料1Cr11Ni2W2MoV。

其中，所述连接螺杆d、连接螺栓配套螺母e、连接螺栓配套垫片f均 为标准件。连接螺杆d的材料选用1Cr11Ni2W2MoV，其直径为10mm，8根该 连接螺栓d穿过两台轮辐式传感器表面边缘的8个小孔，用来固定装置，调 节距离。所测螺栓配套螺母g为铍青铜材料，所测螺栓配套垫片h为不锈钢 材料。

使用时，所测螺栓n端面较大的一头拧入轮辐式拉压力传感器a1中， 另一头穿过轮辐式拉压力传感器a2且保证所测螺栓配套螺母g能够拧至轮 辐式拉压力传感器a2表面并由所测螺栓配套垫片h连接。拧紧所测螺栓配 套螺母g之前，需对无纸记录仪c清零，用力矩扳手拧所测螺栓配套螺母g 至到无纸记录仪上显示示数为15kN。将整个试验装置以轮辐式拉压力传感器 a1的圆柱表面为底放置，试验环境温度为室温25℃。设置温度控制器k的 参数，控制绳式电加热器i对所测螺栓n进行恒温加热，并由无纸记录仪c 开始记录所测数据。如图6所示，为加热结束后得到预紧力的退化曲线。