基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制；针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧。本发明专利技术能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。

A Method of Controlling Bolt Pre-tightening Force Based on Axis Force and Elongation

The invention relates to a method for controlling bolt pre-tightening force based on axial force and elongation. The method includes: when bolt is first tightened, the sound time difference of bolt free state and tightening state is measured by ultrasonic wave, the bolt elongation is calculated based on the sound time difference, and the bolt pre-tightening force is obtained according to the elongation, so as to accurately control the bolt pre-tightening force; The linear relationship between the propagation time of ultrasonic shear wave and longitudinal wave in bolt and the axial stress of bolt is obtained, and the residual pre-tightening force of bolt is obtained to determine whether it is necessary to double-twist the bolt in service. The invention can accurately measure the pre-tightening force of the bolt during the first tightening and the residual pre-tightening force of the in-service bolt, so as to accurately control the pre-tightening force of the bolt.

【技术实现步骤摘要】
基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法
本专利技术属于风电
，尤其涉及一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法。
技术介绍
螺栓法兰联接是风力发电、压力容器、石油化工设备及管道中应用极为广泛的一种可拆式静密封联接结构。法兰螺栓连接系统的主要失效形式是泄漏，而螺栓预紧是保证连接面不发生泄漏的重要环节之一。在螺栓联接中，螺栓在安装的时候都必须拧紧，即在联接承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力称为预紧力，预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。所以，在法兰螺栓联接中，准确的预紧力值，良好的控制精度对控制接合面的泄漏有重要的作用。高强度螺栓进行连接，由于受机件或装备螺栓质量和安装方面的影响，设备事故常有发生。其中，螺栓预紧力不足，造成螺栓松动，机件或装备运行振动过大，螺栓在长期服役下，剪切断裂，最终造成重大事故的比例较大。究其原因，首先，是螺栓本身质量不过关，设计制造过程中出现问题；其次，就是在安装及维护过程中螺栓预紧力不足，运行过程中振动造成的。排除螺栓的质量问题，螺栓失效的焦点就落在了安装施工和调试检修方面。在安装过程中，如果螺栓预载荷超过了范围上限，螺栓会发生塑性变形，甚至被拉断；如果螺栓预载荷小于范围下限，两连接部件中间会产生缝隙，在运行过程中，特别是恶劣工况时，机件的应力比正常时增加约95％，造成螺栓发生脆性断裂。螺栓的紧固程度，直接关系着机件或装备的使用寿命。因此，必须对已安装的螺栓进行轴力检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，通过精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。本专利技术提供了一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于声时差计算螺栓的伸长量，根据伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制；针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧。进一步地，在螺栓首次紧固时，通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器，制成压电传感式螺栓，由一体式便携超声螺栓预紧力测量装置与压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力。进一步地，复合层传感器由上及下依次为金属电极层、保护层及压电层。进一步地，一体式便携超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。进一步地，在螺栓首次紧固时，通过将压电式套筒与超声螺栓预紧力测量装置组成便携式超声螺栓预紧力测量装置，对螺栓的预紧力进行实时测量。进一步地，压电式套筒包括用于与螺栓上旋拧的螺母相配合的套筒部，以及设于套筒部内部用于与螺栓头部接触连接的压电传感部，压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁、连接板、硅胶阻尼层、压电陶瓷层及保护层，保护层用于在推拉式电磁铁的推力作用下与螺栓头部接触连接，推拉式电磁铁通过滑环及走线与超声螺栓预紧力测量装置连接，套筒部还设有用于将耦合剂注入至保护层与螺栓头之间的耦合剂注入通路。进一步地，套筒部底部开口与螺母顶面的接触面设有密封垫片。进一步地，套筒部顶部还设有用于与力矩型紧固工具配合的力矩拧紧接口。进一步地，超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。进一步地，针对在役螺栓，通过螺栓实时监控与诊断系统进行实时监控与诊断，根据螺栓的残余预紧力，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测；实时监控与诊断系统包括用于与螺栓头部接触连接的超声换能器，以及信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；所述分析处理装置包括计算模块、诊断模块及显示模块。借由上述方案，通过基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本专利技术螺栓在拧紧过程中被拉长的示意图。图2为本专利技术超声波信号的传播时间与螺栓预紧力的关系图；图3为本专利技术压电传感式螺栓的结构示意图；图4为本专利技术压电式套筒的结构示意图；图5为本专利技术螺栓实时监控与诊断系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本实施例提供了一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于声时差计算螺栓的伸长量，根据伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制；针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧。通过该基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到了精确控制螺栓预紧力的目的。参图3所示，在螺栓首次紧固时，通过在螺栓头部(螺栓基体34)粘接一层压电陶瓷或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器，制成压电传感式螺栓，由一体式便携超声螺栓预紧力测量装置与压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力。在本实施例中，复合层传感器由上及下依次为金属电极层31、保护层32及压电层33。在本实施例中，一体式便携超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。在本实施例中，在螺栓首次紧固时，通过将压电式套筒与超声螺栓预紧力测量装置组成便携式超声螺栓预紧力测量装置，对螺栓的预紧力进行实时测量。参图4所示，压电式套筒包括用于与螺栓1上旋拧的螺母2相配合的套筒部3，以及设于套筒部3内部用于与螺栓1头部接触连接的压电传感部，压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁4、连接板5、硅胶阻尼层6、压电陶瓷层7及保护层8，保护层8用于在推拉式电磁铁4的推力作用下与螺栓1头部接触连接，推拉式电磁铁4通过滑环及走线9与超声螺栓预紧力测量装置连接，套筒部3还设有用于将耦合剂注入至保护层与螺栓头之间的耦合剂注入通路10。在本实施例中，套筒部3底部开口与螺母2顶面的接触面设有密封垫片11。在本实施例中，套筒部3顶部还设有用于与力矩型紧固工具配合的力矩拧紧接口12。在本实施例中，超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。在本实施例中，针对在役螺栓，通过螺栓实时监控与诊断系统进行实时监控与诊断，根据螺栓的残余预紧力，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测；实时监控与诊断系统包括用于与螺栓头部接触连接的超声换能器，以及信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；所述分析处理装置包括计算模块、诊断模块及显示模块。下面对本专利技术作进一步详细说明。(一)螺栓首次紧固时预紧力测量要保证螺纹件联接能克服被联接件所受的各种静态或动态外力，对螺纹件联接的拧紧要求是螺纹件对零件产生一个一定的预紧力。要实现预紧力的拧紧控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制；针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧。

【技术特征摘要】
1.一种基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，包括：在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制；针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧。2.根据权利要求1所述的基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，在螺栓首次紧固时，通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器，制成压电传感式螺栓，由一体式便携超声螺栓预紧力测量装置与所述压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力。3.根据权利要求2所述的基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述复合层传感器由上及下依次为金属电极层、保护层及压电层。4.根据权利要求2或3所述的基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，所述一体式便携超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。5.根据权利要求1所述的基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，其特征在于，在螺栓首次紧固时，通过将压电式套筒与超声螺栓预紧力测量装置组成便携式超声螺栓预紧力测量装置，对螺栓的预紧力进行实时测量。6.根据权利要求5所述的基于轴力和伸长量控制螺栓预紧力的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智泉，张新，刘蕴华，吴春，冯强，孙涛，杨佳霖，
申请(专利权)人：中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11