一种可以监测螺栓预紧力的垫圈制造技术

本发明专利技术是一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，该垫圈为可变形垫圈，相比于普通标准垫圈，该垫圈可放大其所受的轴向压力，便于对垫圈结构变形量的检测，然后在垫圈的表面制备四个应变敏感层(4)并连接成惠斯通单臂电桥，测量惠斯通单臂电桥的电压，用惠斯通单臂电桥的电压反映垫圈的变形量，进而得到螺栓预紧力；该种垫圈可以对螺栓预紧力进行实时监测，特别适合于在机工作的螺栓预紧力检测，能够及时发现螺栓预紧力的变化情况，对螺栓的失效进行把控和预测。另外，该种垫圈不会改变垫圈的安装形式和基本特征，同时也不会明显增加结构的整体重量和体积，这种结构与功能一体化的方法具有十分广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种可以监测螺栓预紧力的垫圈
本专利技术是一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，属于机械工程的螺栓连接领域。
技术介绍
预紧螺栓连接是航空发动机多级涡轮中较为常见的连接方案。对涡轮部件进行装配时需要对螺栓施加适当的轴向预紧力，预紧力的施加是通过力矩扳手完成的，预紧力大则动载荷影响小，预紧力小则动载荷影响大。但预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，螺栓在结构工作载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂，进而会因螺栓断裂而发生事故；预紧力过小，被连接部件在工作载荷作用下会产生间隙或松动，使结构不能正常工作。另外，连接螺栓的断裂、松脱将改变结构连接刚度的连续性和一致性，改变结构整体模态，甚至导致结构解体；此外，预紧力控制不均匀，将导致连接螺栓受力不均，个别连接螺栓超过设计载荷，导致连接螺栓组整体强度下降，转子结构连接失效。所以，螺栓预紧力的准确控制关系到发动机的工作性能及寿命，研究预紧力的测试方法意义重大。目前，国内外在连接螺栓预紧力的确定与控制方面做了不少工作，形成了常规螺栓的相关设计规范，有较为完善的确定连接螺栓预紧力的方法。根据设计规范确定的预紧力，从而进行螺栓的安装。但实际使用过程中，由于航空发动机的工作环境复杂多变，螺栓受到的外界载荷也不断发生变化，导致预紧力也会发生变化，这样螺栓发生屈服、松脱和断裂的几率增大。螺纹连接的失效则会给发动机和飞机的飞行安全造成严重威胁，因此有必要对螺纹连接的预紧力进行实时监测，从而保证航空发动机安全稳定地运行。目前对于螺栓预紧力的控制及测量，主要有两种方法，一种是通过力矩扳手进行保证，另一种是采用超声波技术对螺栓的轴向拉伸性能进行检测。目前这两种方法都存在一些缺陷。使用力矩扳手，即使在给定扭矩下预紧，但由于螺栓与连接件间的摩擦系数差别很大，故拉伸预紧也有很大的出入。而且力矩扳手适用于长螺栓，对于长度在200mm以下的预紧精度会显著降低。超声波检测技术是通过施加超声波信号给螺栓，通过检测超声波频率或螺栓长度来检测拉伸性能。这种方法需知道无应力时螺栓的长度或频率，这对于工程上已紧固好的螺栓很难办到。而且超声波检测都是假定应力时均匀分布的单轴应力，但实际中由于螺栓结构的限制或外载荷的原因，不能保证单轴应力，这就需要一个的修正手段。而且，对于一些受弯扭力的螺栓，其精度不是想象那么高。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其目的是通过垫圈监测螺栓预紧力，而垫圈不会增加螺栓连接结构的整体重量，不会影响螺栓的正常装配。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其特征在于：该垫圈的结构为以下两种之一：第一种：垫圈的侧壁中间形成一个环状、中空的外凸1，该外凸1沿径向的截面呈“U”形，当垫圈受到轴向压力时，该“U”形外凸1的最外端处的变形较大；第二种：在垫圈外侧壁的上部加工一个外环形槽2，在垫圈内侧壁的下部加工一个内环形槽3，当垫圈受到轴向压力时，垫圈的侧壁中间处的变形较大；在上述垫圈的第一种结构和第一种结构中变形较大的位置制备一个应变敏感层4，应变敏感层4与垫圈绝缘，应变敏感层4的电阻值能够随应变发生变化，在上述垫圈的第一种结构和第二种结构的外表面上再制备三个相同的与垫圈绝缘的应变敏感层4，将所述四个应变敏感层4连接成一个惠斯通单臂电桥，测量惠斯通单臂电桥的电压，用惠斯通单臂电桥的电压反映垫圈的变形量，进而得到螺栓预紧力；所述应变敏感层4材料为金属合金，该金属合金材料的应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K。进一步，垫圈的第一种结构中，垫圈外凸1的径向最大直径为垫圈内孔直径的1.5～3倍。进一步，垫圈的第二种结构中，所述外环形槽2和内环形槽3的深度为垫圈侧壁厚度的1/3～2/3。进一步，制备应变敏感层4的方法为表面镀膜，所述表面镀膜工艺为离子注入、电子束蒸发、离子束辅助沉积、磁控溅射、喷涂。进一步，应变敏感层4的材料制备成薄膜后铺贴在垫圈的外表面上。进一步，应变敏感层4与垫圈间的绝缘电阻值大于1MΩ。进一步，应变敏感层4所用金属合金材料为镍硅、康铜、铂铑、钯铬、铁铬。本专利技术的特点和有益效果为：1.本专利技术设计了两种可变形垫圈结构，相比于普通标准垫圈，该垫圈可放大其所受的轴向压力，便于对垫圈结构变形量的检测；2.本专利技术所述的垫圈不会改变垫圈的安装形式和基本特征，同时也不会明显增加结构的整体重量和体积，这种结构与功能一体化的方法具有十分广阔的应用前景；3.本专利技术所述垫圈可以对螺栓预紧力进行实时监测，特别适合于在机工作的螺栓预紧力检测，能够及时发现螺栓预紧力的变化情况，对螺栓的失效进行把控和预测。4.本专利技术中，所述的应变敏感层4与垫圈间结合力大于20MPa拉伸法。5.本专利技术的可以监测螺栓预紧力的垫圈，可以监测螺栓预紧力大小为10000N～100000N。附图说明图1为本专利技术所述垫圈的第一种结构的示意图图2为本专利技术所述垫圈的第二种结构的示意图图3为本专利技术所述垫圈的第一种结构上的应变敏感层的位置及连接示意图图4为图3中应变敏感层连接成的惠斯通单臂电桥的示意图具体实施方式以下将通过附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述：实施例一制备该种可以监测螺栓预紧力的垫圈的步骤如下：步骤一、参见附图1所示，加工与M6螺栓配合的垫圈，材料为45#钢，该垫圈的侧壁中间形成一个环状、中空的外凸1，该外凸1沿径向的截面呈“U”形，当垫圈受到轴向压力时，该“U”形外凸1的最外端处的变形较大，垫圈外凸1的径向最大直径为垫圈内孔直径的1.5～3倍；步骤二、在上述垫圈外表面使用等离子喷涂技术制备氧化铝涂层作为绝缘层，氧化铝的厚度为50μm，电阻值为1MΩ；步骤三、在上述制备完绝缘涂层的垫圈的变形较大位置，采用离子束辅助沉积技术制备一个应变敏感层4，该应变敏感层4材料为康铜，其应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K；步骤四、在上述垫圈的外表面上再制备三个相同的与垫圈绝缘的应变敏感层4，如图3所示；步骤五、将所述四个应变敏感层4通过材料为铜薄膜导线连接成一个惠斯通单臂电桥；如图4所示；步骤六、采用激光融覆手段连接引线5，引出惠斯通单臂电桥的电压值；步骤七、把M6螺栓和该垫圈安装于结构件上并加载预紧力，使用超声波检测方法来确定当前螺栓的预紧力，绘制所测预紧力与惠斯通单臂电桥电压的关系曲线，以对该垫圈进行标定；步骤八、根据步骤六的标定曲线，就可用惠斯通单臂电桥的电压反映螺栓预紧力，预紧力监测范围为1000～2500N。实施例二制备该种可以监测螺栓预紧力的垫圈的步骤如下：步骤一、参见附图2所示，加工与M10螺栓配合的垫圈，材料为GH128钢，在该垫圈外侧壁的上部加工一个外环形槽2，在该垫圈内侧壁的下部加工一个内环形槽3，当垫圈受到轴向压力时，垫圈的侧壁中间处的变形较大；步骤二、在上述垫圈外表面使用磁控溅射技术制备Al2O3/AlN多层膜作为绝缘层5，其厚度为10μm，电阻值为2MΩ；步骤三、在上述制备完绝缘涂层的垫圈的变形较大位置，采用电子束蒸发技术制备一个应变敏感层4，该应变敏感层4材料为镍硅，其应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K；步骤四、在上述垫圈的外表面上再制备三个相同的与垫圈绝缘的应变敏感层4；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其特征在于：该垫圈的结构为以下两种之一：第一种：垫圈的侧壁中间形成一个环状、中空的外凸(1)，该外凸(1)沿径向的截面呈“U”形，当垫圈受到轴向压力时，该“U”形外凸(1)的最外端处的变形较大；第二种：在垫圈外侧壁的上部加工一个外环形槽(2)，在垫圈内侧壁的下部加工一个内环形槽(3)，当垫圈受到轴向压力时，垫圈的侧壁中间处的变形较大；在上述垫圈的第一种结构和第一种结构中变形较大的位置制备一个应变敏感层(4)，应变敏感层(4)与垫圈绝缘，应变敏感层(4)的电阻值能够随应变发生变化，在上述垫圈的第一种结构和第二种结构的外表面上再制备三个相同的与垫圈绝缘的应变敏感层(4)，将所述四个应变敏感层(4)连接成一个惠斯通单臂电桥，测量惠斯通单臂电桥的电压；所述应变敏感层(4)材料为金属合金，该金属合金材料的应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K。

【技术特征摘要】
1.一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其特征在于：该垫圈的结构为以下两种之一：第一种：垫圈的侧壁中间形成一个环状、中空的外凸(1)，该外凸(1)沿径向的截面呈“U”形，当垫圈受到轴向压力时，该“U”形外凸(1)的最外端处的变形较大；第二种：在垫圈外侧壁的上部加工一个外环形槽(2)，在垫圈内侧壁的下部加工一个内环形槽(3)，当垫圈受到轴向压力时，垫圈的侧壁中间处的变形较大；在上述垫圈的第一种结构和第一种结构中变形较大的位置制备一个应变敏感层(4)，应变敏感层(4)与垫圈绝缘，应变敏感层(4)的电阻值能够随应变发生变化，在上述垫圈的第一种结构和第二种结构的外表面上再制备三个相同的与垫圈绝缘的应变敏感层(4)，将所述四个应变敏感层(4)连接成一个惠斯通单臂电桥，测量惠斯通单臂电桥的电压；所述应变敏感层(4)材料为金属合金，该金属合金材料的应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星亮，徐昌语，李迪，张彬，郭蒙，荀尚伟，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11