（机械工程专业论文）定扭矩螺栓自动调定装置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页捅斐螺纹联接是目前机械工业中应用最为广泛的联接方式，因其具有一系列的优点：螺纹调整时能产生很大的轴向力；能方便地实现自锁；外形尺寸小；制造简单，能保持较高的精度；通过标准化可以大批量生产，因而成本低，且具有互换性。为了增加螺纹联接的刚性、紧密性、防松能力以及防止受横向载荷螺栓联接的滑动，多数螺纹联接在装配时都要预紧。一般通过调整力矩来控制螺栓的预紧力，但是这种方法误差较大，不能实现精确控制。随着科学技术的发展，对螺栓预紧力的控制要求也越来越高，由此产生了许多新型螺栓，定扭矩螺栓就是其中一种，它具有松动监视功能，可以实现对额定扭矩的精确控制。本文主要设计了一套定扭矩螺栓自动调定装置，通过它对定扭矩螺栓进行安装，并且能够精确控制螺栓的预紧力，保证相对误差在5 以内。本文主要包括以下内容：( 1 )确定定扭矩螺栓调定装置各个部分包括螺栓拉伸部分、驱动部分、控制部分以及调整机构的方案，并据此确定总体方案。( 2 ) 对定扭矩螺栓调定装置的各个部分进行计算选型，并确定各部分的结构，最终给出总体结构。( 3 ) 设计出控制和驱动部分的电路图，并利用编程软件s t e p7m i c r o w i n 3 2 编写出相应的控制程序。( 4 ) 利用a m e s i m 以及m a t l a b对影响定扭矩螺栓自动调定装置的控制精度的各个因素进行仿真分析，并采取相应措施使得相对误差不超过5 。关键词：定扭矩螺栓；预紧力；控制精度；a m e s i m ；m a t l a b西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页a b s t r a c tt h r e a dc o n n e c t i o ni st h em o s tw i d e l yu s e dc o n n e c t i o nm o d ei nm a c h i n e r yi n d u s t r y ,b e c a u s ei th a san u m b e ro fa d v a n t a g e s ：w h e nt i g h t e nt h es c r e wi tc a np r o d u c el a r g ea x i a lf o r c e ；i tc a l le a s i l ya c h i e v es e l f - l o c k i n g ；s m a l ls i z e ；i tc a l lb ee a s i l ym a n u f a c t u r e da n dm a i n t a i nh i g ha c c u r a c y ；,i tc a nb em a s s - p r o d u c e dt h r o u g hs t a n d a r d i z a t i o n , t h u s ，c o s tl o wa n dh a si n t e r c h a n g e a b l e i no r d e rt oi n c r e a s et h er i 垂d i t y , c o m p a c t n e s sa n dc a p a c i t yo ft h et h r e a dc o n n e c t i o n , a n dp r e v e n tt h eb o l tf r o ms l i d i n g ，w h i c hi sa f f e c t e db yl a t e r a ll o a d s ，m o s to ft h r e a dc o n n e c t i o nw i l lb et i g h t e n i n gi nt h ea s s e m b l y g e n e r a l l yt h r o u g ht i g h t e n i n gt o r q u et oc o n t r o lt h ep r e l o a do fb o i t , b u tt h i sm e t h o dp r o d u c e sl a r g ee r r o r , a n dc a nn o tb ep r e c i s ec o n t r o l l e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fb o l tp r e l o a dh a v eb e c o m em o lea n dm o r es o p h i s t i c a t e d , w h i c hg e n e r a t e dal o to fn e wb o l t s ，f i x e dt o r q u eb o l ti st h eo n ea m o n gt h e m , i th a st h ef u n c t i o no fl o o s em o n i t o r i n g ，a n dr a t e dt o r q u ec a nb ea c h i e v e dp r e c i s ec o n t r 0 1 t h i sp a p e rm a i n l yd e s i g n sas e to fa u t o m a t i ca d j u s t m e n td e v i c ef o rf i x e dt o r q u eb o l t , b yw h i c hw ef i xt h e 缸e dt o r q u eb o l t , a c c u r a t e l yc o n t r o lt h ep r e l o a do fb o i t , a n de n s u r et h er e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a n5 砸sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ：( 1 ) d e t e r m i n et h es c h e m eo fe a c hp a r to ft h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n td e v i c ef o r 丘x e dt o r q u eb o l t ，i n c l u d i n gb o l t ss t r e t c h i n gp a r t , d r i v i n gp a r ta n dc o n t r o lp a r t , a n dt h e ns e tt h eo v e r a l ls c h e m e ( 2 )c a l c u l a t i o na n dt y p es e l e c t i n gf o re a c hp a no f t h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n td e v i c ef o r 矗x e dt o r q u eb o i t , a n dd e t e r m i n et h es t r u c t u r eo fe a c hp a na n df i n a l l yg i v eo v e r a l ls t m c t u r e ( 3 ) d e s i g nt h ec o n t r o la n dd r i v ec i r c u i td i a g r a m ，d e s i g nt h ec o n t r o la n dd r i v ec i r c u i td i a g r a m ，a n dc o m p i l ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp r o c e d u r e sb yt h ep r o g r a m m i n gs o f t w a r ew h i c hc a l l e ds t e p7m i c r o w i n 3 2 ( 4 ) s i m u l a t i o na n a l y s i st oe a c hf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ec o n t r o lp r e c i s i o no fa u t o m a t i ca d j u s t m e n td e v i c ef o rf i x e dt o r q u eb o i t , a n da d o p tc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st om a k ear e l a t i v ee r r o rl e s st h a n5 k e yw o r d s ：f i x e dt o r q u eb o l t ；p r e l o a d ；c o n t r o lp r e c i s i o n ；a m e s i m ；m a t l a b西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 课题的研究背景和意义螺纹联接是用螺纹件或被联接件的螺纹部分将被联接件联成一体的可拆联接，它具有一系列的优点：螺纹调整时能产生很大的轴向力；能方便地实现自锁；外形尺寸小；制造简单，能保持较高的精度；通过标准化可以大批量生产，因而成本低，且具有互换性。因此，螺纹联接是目前机械工业中应用最为广泛的联接方式。随着科学技术和机械制造水平的提高，高速大功率、精密以及小型轻量化成为当今机械产品的发展方向，由此也带来了对螺纹联接更高更新的性能要求。这些要求可以归结为以下几点：螺纹联接的预紧力是可以精确控制的；调整后螺母不会松动，同时也要方便拆卸；最后是可以准确预知螺纹紧固件的性能。定扭矩螺栓正是符合上述要求的一种新型螺栓，它具有松动监视功能，可以实现对额定扭矩的精确控制。如图1 - 1 所示，定扭矩螺栓由螺栓本体1 、压垫2 、应力杆3 以及端帽4 组成。l图1 - 1 定扭矩螺栓结构图定扭矩螺栓在未受力的时候，应力杆和压垫之间存在着一定的间隙，我们称之为预留间隙。对定扭矩螺栓施加预紧力后，螺栓本体因受到拉应力而产生应变，在螺栓本体外螺纹部分通过内螺纹使应力杆受力，继而作用于压垫和端帽。当螺栓的调整力矩达到额定扭矩时，应力杆和压垫之间的预留间隙消失，由于摩擦力矩的存在，压垫就被应力杆固定了。由于端帽和压垫是通过直纹压花套成了一体，因而此时端帽也无法转动，这就表明拧紧力矩已经达到要求。此外，一旦螺栓联接发生松动，应力杆和压垫之间又出现了间隙，端帽和压垫可以用手拧动，这就是定扭矩螺栓的松动监视功能，也是它和普通螺栓的本质区别。定扭矩螺栓早在1 9 8 3 年就在国外诞生了，发展到今天已经非常成熟，但是在国内未能大规模的使用定扭矩螺栓，究其原因，是因为缺乏一套能够精确调定定扭矩螺栓的装置。随着科学技术的发展，机械行业对于螺纹紧固件的要求也是越来越高，越来越多的工作场合需要用到定扭矩螺栓，如果能够研究出一套成本低、控制精度高的定扭矩螺栓西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页童量量舅置曼皇曼曼量舅量寡m ui i 皇量| 量罾量皇置| 一自动调定装置，不仅可以促进定扭矩螺栓的大规模使用，而且由于其预紧力控制精度较高，可以应用到各个场合，尤其是一些需要严格保证预紧力的螺纹联接，从而确保运行设备的安全，带来巨大的经济效益和社会效益。1 2 螺纹联接的预紧与防松1 2 1 螺纹联接的预紧为了增加螺纹联接的刚性、紧密型、防松能力以及防止受横向载荷螺栓联接的滑动，多数螺纹联接在装配时都要预紧。通常螺栓联接时，若预紧力不足，连接件在工作中易于松动，而预紧力过大，又易于损坏螺栓。所以，对于重要的螺栓联接，装配时应该严格控制预紧力，预紧力的大小根据螺栓组受力的大小以及连接的工作要求决定。通常螺栓联接的预紧是靠操作者的经验来控制的，对于重要螺栓联接预紧力的控制，则可以使用测力矩扳手或定力矩扳手来进行。测力矩扳手利用弹性件的变形量正比于调整力矩的原理，借助手柄上的指针指示刻度扳上调整力矩值，以控制预紧力。当调整力矩超过规定值时，定力矩扳手的弹簧压缩，卡盘与圆柱销之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘不再回转，调整力矩的大小可用螺钉调整弹簧压力来加以控制。1 2 2 螺纹联接的防松螺纹联接的防松就是防止螺纹的相对转动，螺纹紧固件一般都具有自锁性，在静载荷下，螺栓不会自动脱落，但是在冲击、振动、交变载荷作用下或者工作温度变化很大时，则会使得联接松动，这不仅会影响机器的正常工作，甚至会造成安全事故。常用的防松方法有很多，常见的有摩擦防松、机械防松和永久止动。摩擦防松是应用最广的一种方法，这种方法是通过轴向压紧螺纹副以在其间产生正压力，从而产生可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力。一般可以采用双螺母、弹性垫圈、自锁螺母和双头螺柱等。这种防松方式的优点在于螺母的拆卸比较方便，缺点是在冲击、振动和变载荷的条件下，螺栓开始会因松弛导致预紧力下降，随着振动次数的增加，预紧力的损失逐渐地增多，最终导致螺母脱落、螺纹联接失效。机械防松是用止动件来直接限制螺纹副之间的相对转动。一般采用开口销、止动垫圈和串连钢丝等。该种方法的缺点是不方便拆卸。永久防松是在调整螺母后采用焊接、冲点、黏结等方法，使螺纹副失去运动副特性而成为不可拆连接j 该种方法的缺点是螺栓杆只能使用一次，且拆卸的时候必须破坏螺栓副方可进行，十分困难，而且拆卸之后螺纹零件不能再使用。以上几种传统的方法都存在着一些无法克服的缺陷，比如拆卸不方便、只能防松西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页一次、不能在恶劣的工作条件例如高温低温以及冲击载荷下正常使用。随着科学技术的发展和相关研究人员的努力，也出现了结构防松、耐螺扣螺丝防松、施必牢螺纹防松等新型的螺纹联接的防松方法，克服了这些缺陷。结构防松没有依靠第三者力而是依靠其自身结构来进行防松。结构防松方式又叫唐氏螺纹防松方式，也是目前最先进和效果最好的防松方式。如图1 2 所示，唐氏螺纹在同一螺纹段上复合了左旋和右旋两种螺旋线，因而综合了左旋和右旋螺纹的特点，既能和左旋螺纹配合，又能和右旋螺纹配合。图l - 2 唐氏螺纹结构图在进行联接时需要使用左旋和右旋两种螺母。工作支承面上的螺母叫做紧固螺母，非支承面上的螺母叫做锁紧螺母。使用时先对紧固螺母进行预紧，再对锁紧螺母进行预紧。当联结受到振动、冲击载荷的时候，紧固螺母会有松动的趋势，但是，由于紧固螺母的松动方向恰好是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧就阻止了紧固螺母的松动，使得紧固螺母无法发生松动。唐氏螺纹紧固件利用两种旋向螺纹的矛盾，以调整制约松动，起到了非常好的效果。耐螺扣螺丝是美国n y l o k 公司率先在世界上开发成功的产品，它是以特殊技术使工程树脂材料永久粘附在螺牙上，由于工程树脂材料具有反弹性，螺栓和螺母在拧紧过程中会挤压工程树脂材料，从而产生强大的摩擦力，达到对冲击载荷及震动的绝对阻力，从根本上解决了螺丝的松动问题。螺纹部位经过耐螺扣处理后会产生全齿节接触，从而不再会有自旋以及松懈状态的发生，而且它还具有反复使用性，即在反复使用次数越多的地方，越能发挥其防松效力。由于树脂材料的特性，耐螺扣技术不适宜在高温低温及化学腐蚀条件下使用。施必牢螺纹是在它的牙根上采用了一种独特的3 0 度楔形斜面的结构，这种斜面结构是用特别的施必牢工具制作完成的，如图1 3 所示。当装配施必牢螺母的时候，外螺纹的牙顶就紧紧地项在施必牢螺纹3 0 度的楔形斜面上，这样，就可以防止相对于母螺纹产生的任何螺纹的横向移动。我们知道，横向移动是导致螺纹联接发生松动的主要原因，施必牢螺纹联接很好地抑制了横向振动，因而具有良好的防松效果。西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页图l - 3 施必牢螺纹结构图1 3 定扭矩螺栓的国内外研究现状2定扭矩螺栓作为一种新型螺栓，关于它的设计以及应用国外进行的比较早，而国内研究较少，对它的应用也不多。目前市场上比较先进和权威的定扭矩螺栓产品是由英国j a m e sw a l k e r 公司生产的专利产品r o t a b o l t 定扭矩螺栓。j a m e sw a l k e r 是世界上最大的密封件及附属产品的生厂厂家之一，在国际工程界，j a m e sw a l k e r 是高性能密封技术的代名词。r o t a b o l t 定扭矩螺栓从发明至今已有超过2 5 年的历史，已发展成为一个非常成熟的产品系列，有着卓越的性能。1 。3 1r o t a b oit 定扭矩螺栓的发展状况螺栓联结整体依靠三个因素：联结的设计、螺栓质量以及对预紧力的控制，其中对预紧力的控制是螺栓联结可靠性和安全性的一个重要因素。传统的方法是测量扭矩或者液压压力，但却没有测量预紧力。在这方面r o t a b o l t 定扭矩螺栓的优势可以说是独一无二的，它对预紧力的控制贯穿了螺栓联结的安装和使用过程，并给出了一种简单、精确而又持续的测量。市场上没有其他任何同类产品能够提供这种对螺栓联结整体非常重要的有保证的预紧力控制。7r o t a b o l t 的结构和一般的定扭矩螺栓没有区别，也是由螺栓本体、压垫、应力杆和端帽这四个部分组成，工作原理也类似，只是r o t a b o l t 在控制精度和其他方面有着更为优越的性能。例如，实际操作中，我们通过调整力矩来控制预紧力。一般来说，通过调整力矩来控制预紧力，其误差约为2 5 ，r o t a b o l t 通过扭矩控制预紧力的误差只有5 ，另外，它还存在着如下几个优点：不需维护的螺栓联接；降低了安装成本和操作成本；提高了设计性能；降低了开发成本。r o t a b o l t 定扭矩螺栓的特别之处在于在整个螺栓联结过程中增加了螺栓预紧力的控制系统，这一点是其他同类产品所无法比拟的。从第一代r o t a b o l t 发明到今天，r o t a b o l t 定扭矩螺栓已经发展成为一个系列的产品，应用在各个行业，目前主要有：r o t a b o l t1 、r o t a b o l tv i s i o n 、r o t a b o l t2 、b r e a k b o l t西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页以及i n d i e a t o r b o l t 这几种产品，它们的特点和工作原理如下：( 1 ) r o t a b o l t1最初的r o t a b o l t 的设计综合了内在的空气间隙技术和1 0 0 载荷测试校验技术。标准的螺栓内部插入了r o t a b o l t 指示仪。r o t a b o l t1 的工作原理如下：在螺栓安装之前，端帽可以自由地旋转，一旦螺栓被固定，螺栓将弹性伸长，当螺栓所受预紧力达到预设的预紧力的值的时候，端帽将会自动锁紧。一旦预紧力减小，端帽将立即自由旋转，以明确表示螺栓预紧力的减小。( 2 ) r o t a b o l tv i s i o nr o t a b o l tv i s i o n 定扭矩螺栓是世界上第一种在在螺栓联结中能够对预紧力的减小给出一个清楚的视觉指示的安全螺栓。和最初的r o t a b o l t 样，r o t a b o l tv i s i o n 同样利用了内在的空气间隙技术，但是没有使用触觉的指尖传感器，取而代之的是一个专门开发的指示器，看上去就像是横穿过螺栓头部的一条连续不间断的黄线。r o t a b o l tv i s i o n 的工作原理如下：一旦螺栓上有任何的预紧力损失，指示器将会立即旋转9 0 。，在黄线上显示一个明显的直角变化。这种变化在2 5 m 远的地方可以看得很清晰，即使更远一点的距离也能用望远镜轻易地检查出来。r o t a b o l tv i s i o n 定扭矩螺栓理想状态下适用于有条件限制和不能近距离检查的工作场所。( 3 ) r o t a b o l t2与前面两种产品相比，r o t a b o l t2 在一个单独的传感器里面设置了两档的预紧力值，这样在安装固定和检查的时候能够提供更广范围下的预紧力控制。r o t a b o l t2 的工作原理如下：r o t a b o l t2 的特点是有一个双重载荷指示器端帽，外部端帽适用于较高的预紧力值的工作环境，而内部端帽适用于较低的预紧力值的工作环境。这样可以给出可以操作的预紧力的范围，不管是过载还是维持控制。( 4 )b r e a k b o l t b r e a k b o l t 是一个预紧力监控螺栓，是专门设计以用来在达到预定的预紧力的值的时候就会自动失效的螺栓。根据安全优先的特点，b r e a k b o l t 定扭矩螺栓成功地实现了一个精确地分离机构并且被专门使用在深海环境下。( 5 ) i n d i c a t o r b o l ti n d i c a t o r b o l t 是由以上技术延伸而来的，它是一种在美国机械工程师协会认证的指示杆螺栓基础上研发的专门的系统。通过综合了先进的r o t a b o l t 技术和1 0 0 载荷测试校验标准，传统的直接延伸的测量方法得到了显著地提升。1 3 2 国内定扭矩螺栓的研究状况定扭矩螺栓的研究国内进行的比较少，辽宁工程技术大学李建辉的基于反求工西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页奠曩量喜鼍量曼量量曼罾量詈量量曼曼皇曼曼量量量鲁量暑皇|量i111,1曼寰置量曼量璺量毫程的定扭矩螺栓联接功能分析与研究一文对定扭矩螺栓的功能原理、结构以及材料性能等进行了反求分析，提出了定扭矩螺栓的强度设计方法然后通过静力以及动力学计算验证了分析的结果，并利用a n s y s 有限元软件对定扭矩螺栓的工作过程进行了仿真。最后提出定扭矩螺栓的加工工艺，进行了定扭矩螺栓的试制过程【。李贵轩教授的定扭矩螺栓动力学及疲劳强度分析一文则是重点对定扭矩螺栓的动力学及疲劳强度进行了分析，并提出改善疲劳强度的措施，不仅可以促进定扭矩螺栓的国产化，还可以扩大其使用范围，确保联结设备的可靠性【2 】。上述两篇论文都没有对定扭矩螺栓的预紧力控制精度做进一步的研究，这也是束缚定扭矩螺栓在国内大规模使用的一个重要原因。1 3 3 新型变色螺栓目前世界上出现了一种新型的智能感应螺栓( s m a r t b o l t ) ，见图1 _ 4 【3 】。在应螺栓的螺栓头部一个感应盘，螺栓拧得越紧它的颜色越深。当负载达最大的时候感应盘就变为黑色，它还有一个更精确的版本：当力度达到百分之九十时由黄色变为绿色，达到百分之百之后就是黑色的了，见图1 - 5 孤，因此这种新型智能螺栓又被称为变色螺栓。变色螺栓作为问世不久的新型螺栓，其最大特点是不需要任何电子装置而完全是视觉上的效果，就可以用来检测螺栓松动与否。由此无需扭矩扳手，每周检查、每月检查、每年检查都方便了，只需观察颜色就知道螺栓的松紧状态。显然，变色螺栓的成本较之扭矩扳手要低，若能对其内部结构和工作原理有所研究，必能实现大规模生产，带来巨大的经济效益和社会效益。本节中将对其工作原理进行讨论。变色螺栓中没有用到任何电子装置，而感应盘会随着调整力的大小变化而改变颜色，因而推测变色与感应盘内的材料有关，且这种材料需要具备这样的物理性能：一旦受到力的作用，就会发生变色现象，且受到的作用力越大，显示的颜色越深。据此，结合图1 5 作出如下推测：感应盘的结构为内部装有一层薄的石英玻璃，在石英玻璃内部填充有液晶。当开始调整螺栓后，螺栓受力后长度变化，开始挤压液晶，使液晶片受力，液晶由于其独特的物理性能开始产生颜色变化，使得感应盘能够随调整力的大小发生变化。需要进一步确认的是如何确定各个变色点的阈值，即实现这样一种功能：调整力达到规定大小的时候能够使液晶显示相应的颜色。例如当调整力达到预紧力的9 0 时候，液晶能够由黄色变为绿色。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页豢，。77 j jj掣v 趣蟛图1 4 新型变色螺栓图1 - 5 新型变色螺栓( 精确版)另外，变色螺栓还需要解决以下问题：( 1 ) 变色螺栓的工作过程是否具有可逆性?即当调整力开始减小即螺栓开始松动时，感应盘的颜色能否由深变浅，即显示为原来的颜色。若是不具有可逆性，那变色螺栓只能起一次作用，其经济性将大大降低。( 2 ) 各个变色点的阈值是否具有精确性和重复性?所谓变色点的阈值即是指变色点对应的调整力的大小，阈值的精确性将直接影响对螺栓预紧力控制的精度；而阈值的重复性将决定变色螺栓的使用寿命，若是重复性不佳，则变色螺栓的使用次数和工作寿命将会大大减小。只有解决了上述问题，才能使得变色螺栓的工作精度和使用性能达到最佳，才能真正意义上得到推广使用。目前市场上一套变色螺栓售价高达2 4 美元，成本较高，若是能大力推广变色螺栓技术，则可以大大降低成本，有着重要的经济意义。1 4 本课题的研究内容与目标由于无法直接测量预紧力，装配螺栓时一般都是通过拧紧力矩来控制预紧力的大小，预紧力和拧紧力矩之间的关系如下：m = 删x 1 0 3( 1 - 1 )式中m 调整力矩，n m ；，预紧力，n ；露溪蓉霪鬻霪。镒疆涟西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页足拧紧力矩系数，无量纲；d 螺栓的公称直径，m i l l 。由此可得尸= 生( 1 2 )k d x l o 拧紧力矩系数k 与螺纹表面的光洁度、联接的润滑状况以及调整速度等诸多因素有关，通常取值为0 1 o 3 。由式( 1 2 ) 可以看出，k 值较小的变化将导致预紧力，的值发生较大的变化。由于k 值的不确定性，在一定的拧紧力矩下，预紧力的值将会呈现较大的离散性，因此，通过调整力矩来控制螺栓预紧力的控制精度较低，其误差为2 5 一4 0 。由此可见，通过拧紧力矩控制预紧力的误差较大，这对螺栓联结的预紧是十分不利的。为了解决这一问题，本课题研究出一种定扭矩螺栓自动调定装置，以期能够对螺栓的预紧力的控制达到较高的精度，使得相对误差控制在5 以内，研究内容主要有以下几个方面：( 1 ) 确定定扭矩螺栓调定装置各个部分包括螺栓拉伸部分、驱动部分、控制部分以及调整机构的方案，并据此确定总体方案。( 2 ) 对定扭矩螺栓调定装置的各个部分进行计算选型，并确定各部分的结构，最终给出总体结构。( 3 ) 设计出控制和驱动部分的电路图，并编写出相应的控制程序o( 4 ) 对影响定扭矩螺栓自动调定装置的误差的各个因素进行分析，并采取相应措施使得总误差不超过5 。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页第2 章总体方案设计定扭矩螺栓自动调定装置能够对定扭矩螺栓的预紧力进行标定，标定的精度与调定装置所采用的方案密切相关，为了达到最高的控制精度，需要对装置的方案进行筛选并确定最佳方案。2 1 螺栓预紧力控制的方法螺栓预紧力的控制方法很多，不同的控制方法所采用的装置也不一样，要确定调定装置的组成部分和方案，首先要确定螺栓预紧力的控制方法。1 通过拧紧力矩控制预紧力扭矩拧紧法是是最常用的一种方法，通过测得调整过程中的扭矩来控制预紧力，操作非常简单直观，调整力矩和预紧力的关系如下式所示：m = q f d x l 0 。3( 2 一1 )式中膨一调整力矩，n m ；卜预紧力，n ；酶一调整力矩系数，无量纲；卜螺栓的公称直径，m i l l 。由于调整力矩系数与螺纹表面的光洁度、联接的润滑状况等诸多因素有关，通常在0 1 0 3 之间变化，这也导致调整力矩的变化范围比较大，因而这种方法的控制精度不高，误差大约为- + 2 5 ，最大可达n - + 4 0 。2 通过螺母转角控制预紧力根据胡克定律，螺栓伸长量和预紧力的关系为：a d = 旦( 2 - 2 )e a ,即，：a ，s v _ a 。( 2 3 )式中，预紧力，n ；址螺栓的变形长度，l l l m ；卜一螺栓的长度，m m ；e 弹性模量，m p a ；彳。螺栓的应力截面积，删f 。又因为在弹性区域内出正比于螺栓的转角0 ，即世= k o ，可得西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页f-x|eea,(2-4)f h 式( 2 _ 4 ) 可知只要准确控制螺栓回转角度，便可准确控制预紧力。这就是螺母转角法控制预紧力。由于k 值比较难确定，以及测量螺母转角时会有测量误差，通过螺母转角控制预紧力会有一定的误差。一般说来，误差大约在- 4 - 1 5 。3 使用螺栓拉伸装置控制预紧力对于一般联接用的钢制螺栓联接预紧力，其计算公式如下：碳素钢螺栓：f - - ( o 6 o 7 ) 瓯4( 2 5 )合金钢螺栓：f = ( 0 5 o 6 ) 吼4( 2 6 )式中瓯螺栓材料的屈服极限， v i p a ；彳。螺栓应力截面积，彳。= n - ( a 一0 9 3 8 2 p ) 2 4 ；( 2 7 )p 螺纹螺距，m i l l 。当得出了螺栓的预紧力之后，使用螺栓拉伸装置给螺栓施加轴向拉力，使螺栓伸长，然后轻轻旋紧螺母，撤去拉力，这时螺栓收缩，就会在联接中产生和拉力相等的预紧力。由于螺栓的旋合螺纹、法兰支承面以及垫圈均是在撤去拉力后首次承受载荷，所以采用该方法的螺栓联接松弛量较大，因此也存在着一定的误差。4 通过螺栓伸长量控制预紧力根据式( 2 3 ) ，预紧力和螺栓的伸长量成正比，因此，若是能够测出螺栓的伸长量，也就能够控制螺栓的预紧力了。由于螺栓联接中无法直接测量螺栓的伸长量，常用的方法是从螺柱端部沿其轴线打一长孔，然后在孔中插入一根细杆，并使杆与螺柱的端部持平。预紧后，通过测得细杆的变形量得到螺栓伸长量。因为螺栓的伸长量只与其所受应力有关，可以排除接触变形、摩擦系数以及润滑条件等可变因素的影响，所以该方法可以获得最高的控制精度，若测量正确，其预紧力控制的误差约为士5 。5 预紧力控制方法的确定本设计中定扭矩螺栓自动调定装置对螺栓的控制精度要求比较高，而通过拧紧力矩和螺母转角来控制预紧力这两种方法的误差都比较大，最小也有- 4 - 1 5 ，显然不能采用。利用螺栓拉伸装置控制预紧力的方法比较精确，但是却有着一个致命的缺陷：调整的螺栓法兰连接有较大的松弛量，这对螺栓的防松非常不利。，第四种方法即通过螺栓伸长量控制预紧力，它的误差是最小的，控制精度最高，但是螺栓联接中螺栓的伸长量无法直接测量，只能通过对插入沿轴线方向的小孔的细杆的变形量的间接测量来获得结果，但是这种方法对定扭矩螺栓却行不通，因为定扭矩螺栓西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页中应力杆的存在使得无法再插入细杆进行测量，应力杆的形变也不能直接测量，而是转化为对应力杆和压垫之间的预留间隙量的确定。由分析可知这四种方法都不能采用，为此可以把方法一和方法三综合，即先根据式( 2 5 ) 或( 2 6 ) 计算出螺栓联接预紧力，当得出了螺栓的预紧力之后，使用螺栓拉伸装置给螺栓施加与预紧力相等的轴向拉力，使之伸长，然后利用调整机构轻轻拧紧应力杆，消除应力杆和压垫之间的间隙。通过以上分析，定扭矩螺栓自动调定装置分为上方的调定装置和下方的螺栓拉伸装置，先使用螺栓拉伸装置对螺栓进行拉伸，然后利用调定装置来调整应力杆。调定装置由调整机构、控制器和驱动器组成。调整机构带动应力杆旋转，控制器发出控制指令，驱动器接受控制指令并驱动调整机构的运动。在调整机构上还装有扭矩传感器，用来检测应力杆的调整力矩。2 2 螺栓拉伸装置方案螺栓拉伸装置对定扭矩螺栓施加与预紧力相等的拉力，达到预紧的目的。拉伸装置按动力源可以分为手动、电动、气动和液压这几种形式。手动拉伸器由人力来对螺栓进行拉伸，操作简单，成本很低，但是不利于控制，因为我们需要将螺栓拉伸至其计算预紧力的值，使用手动螺栓拉伸器则难有较高的控制精度，因此不宜采用。采用电动形式能够对螺栓进行快速地拉伸，其拉伸力也能达到较大的值，但是螺栓拉伸的过程不宜太快，否则可能造成螺栓的塑性变形或者断裂，因此不是最佳选择。气动螺栓拉伸器采用气压传动系统，以压缩空气为介质来输出动力，对螺栓进行拉伸。具有动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁等优点，但是同时由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性较差；因工作压力低，又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1 0 - 4 0 k n ：此外还存在着工作噪声较大等问题。显然，本设计中不适合选用气动螺栓拉伸器。图2 - i液压拉伸器的工作过稃西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页液压螺栓拉伸器采用了液压传动系统，也是现在应用最广泛的一类螺栓拉伸器，技术比较成熟，有着如下优点：螺栓预紧精度高；拉力值较大，最大可以达到上百千牛；适用范围广，可以拉伸从m 1 6 - m 2 2 0 的螺栓。通过对比分析，选用液压螺栓拉伸器，其工作过程见图2 1 【4 】。2 3 调定装置方案2 3 1 调整机构方案调整机构的作用是用来调整应力杆，也可以说是一种广义上的“扳手。调整机构所采用的传动形式有液压传动和电传动两种，两者各有优劣。1 液压传动形式调整机构采用液压传动，就是利用液压动力来实现扭矩的输出。液压扭矩扳手具体的工作原理如图2 2 所示，即由液压泵来提供动力源，再通过超高压软管和快速接头等组成液压循环系统，进而给液压缸提供动力，推动活塞运动，又通过铰链带动驱动机构运动，驱动机构通过偏心轮与棘轮机构连接，将驱动机构的直线运动转化为棘轮和驱动轴的旋转运动，并使套在应力杆上的套筒一起转动，从而调整应力杆。软管铰链、偏心轮、液压动力源液压推力缸驱动机构棘轮机构图2 - 2 液压传动调整机构不惫图( 1 ) 液压动力源液压动力源的主要作用是向系统提供动力，它是液压系统相关产品的重要组成部分，在对液压动力源进行设计时，动力源性能的优劣很大程度上决定了动力执行机构的性能。根据液压扳手适用场合的不同，可以把液压动力源分为电动和手动两种。电动液压源由电动增压泵、充油泵、微调阀、回检阀、控制系统等组成，一般应用在需要频繁拆装、不断更换零部件的工作场合，如大型机修车间和拆装公司等。，手动液压源由加压泵、调压阀、微调阀、回检阀和输出接口等组成，一般应用在液压扳手使用不是很频繁的场合，例如在车间偶尔的拆卸和安装就可以用手动液压源作为备用工具；又或者在没有电源的地方、高层施工的地方以及电动泵无法就位的地方，例如当工程车甚至私家车在行驶途中出现故障而又无法取得外界支援时，无需电源的手动液压源就能发挥作用。由于定扭矩螺栓的调整过程中需要对调整力矩实现精确的控制，若是使用手动液压源，则难以达到这一点，因此可以考虑采用电动液压源结合可编程控制器( p 【c ) 的方西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页式。( 2 ) 液压推力缸液压推力缸一般由缸体、活塞、活塞杆、进出油接口、密封装置等组成，它的主要作用就是将液体的液压能转化为活塞和活塞杆的直线运动。在对液压推力缸进行设计的时候，首先需要考虑的是液压缸的推力大小，这也是液压缸的主要参数，其次还要考虑活塞的行程以及液压缸的密封等问题。液压缸推力的大小与两个参数有关，是调整应力杆时所需的力矩值，二是液压推力缸活塞杆在棘轮上的作用点和棘轮中心点的距离。如图2 3 所示，液压缸的活塞杆在棘轮上的作用点为p ，棘轮中心点为o ，则由力矩公式可得：m = 等j 2 p x r( 2 8 )4式中 卜液压扳手的输出力矩，n m ；咖_ 液压缸活塞的直径，m ；矿撤压源的输出压力，p a ；肛_ 液压缸推力的力臂值，m 。棘轮液压缸图2 - 3 液压推力缸的工作原理图由式( 2 8 ) 可以看出，调整机构的输出力矩与液压缸活塞的直径、液压源的输出压力以及力臂成正比，但调整机构受工作环境的限制，外形尺寸应该尽量小，因而液压缸的直径和力臂的值都不能太大，因此，要想获得较大的输出力矩，只有提高液压源的输出压力。液压缸的工作行程就是指液压缸中活塞杆的动作长度，它的计算公式如下所示：s ：2 删渤型+ & ( 2 - 9 )2 z式中争液压缸的有效工作行程，m ；西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页i i i _ 皇舅曼皇曼曼薯圹i 液压推力缸每一工作行程所拨动的棘轮齿数；肛q 压缸推力的力臂值，m ；卜棘轮齿数；研圆整值，通常取研= 1 2 m m 。由式( 2 9 ) 可以看出，当棘轮的齿数和液压缸的力臂等参数确定之后，液压缸的工作行程也随之确定了。( 3 ) 驱动连接机构驱动连接机构安装在液压缸和棘轮机构之间，它的主要作用是把液压缸中活塞杆的直线运动转化为棘轮机构的旋转运动。对于这种运动转换，可使用曲轴连杆机构、杠杆机构以及偏心轮机构等连接机构。对杠杆机构来说，其结构简单，成本较低，但工作节点多，外形尺寸也偏大，与调整机构尺寸尽量小的原则相悖；曲轴连杆机构适用于连续旋转运动，但机构庞大，且工作时容易出现死点，不仅增大了尺寸，而且对工作过程不利。在设计的时候可以考虑使用偏心轮的工作方式，兼有上述几种工作方式的优点，传动平稳，工作可靠，机构简单，因而也容易实现。( 4 ) 棘轮机构棘轮机构，是由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。在液压传动形式的调整机构的设计中主要考虑棘轮的齿数以及液压推力缸每一工作行程所拨动的棘轮齿数，以得到合适的液压缸工作行程，同时注意，棘轮的尺寸不能过大。若调整机构采用液压传动的形式，则液压源应选用电动液压源以方便对输出扭矩的精确控制，液压缸设计时主要注意输出压力和工作行程等，驱动机构可以采用偏心轮的连接机构。2 电传动形式调整机构采用电传动形式，即直接使用电动机带动套简来调整应力杆。由于调整应力杆时的转速非常小，而电机的转速较大，因此在电机和调整机构中间还需要加上减速机构，使调整机构的输出转速很小。电传动形式的调整机构的组成如图2 4 所示：i 电机h 减速齿轮h 套筒l图2 4电传动调整机构示意图( 1 ) 电机目前在工业控制系统中应用的最多的电机有两种：步进电机和伺服电机。两者在控制方式上类似，但是使用性能、应用场合以及控制精度等方面差异较大。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在没有超载时，电机的转速以及停止的位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，与负载变化无西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页关。步进电机通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到定位的目的：也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。- 伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换为电动机轴的角位移或角速度。伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1 个脉冲，就会旋转相应的角度，实现位移，同时伺服电机本身也能发射脉冲，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出相应的脉冲，和接受的脉冲形成闭环，从而实现精确定位，精度可以达n o 0 0 1 r a m 。虽然步进电机和伺服电机在控制方式上相似，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。控制精度不同：两相混合式步进电机步距角一般为3 6 0 、1 8 0 ，五相混合式步进电机步距角一般为0 7 2o 、0 3 6 0 。交流伺服电机的控制精度则是由旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，编码器为标准2 5 0 0 线，由于采用了四倍频技术，可知脉冲当量为3 6 0 0 10 0 0 0 = 0 0 3 6 0 。显然，伺服电机的控制精度更高。低频特性不同：步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。交流伺服电机的运转则非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。矩频特性不同：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在3 0 0 - - , 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内，都能输出额定扭矩，高于额定转速则为恒功率输出。过载能力不同：步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和扭矩过载能力。其最大扭矩为额定扭矩的- n 三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，构成位置环和速度环，因而一般不会出现丢步或过冲的现象，控制性能更为可4 罪。响应速度不同：步进电机从静止加速到工作转速需要2 0 0 - - 4 0 0 毫秒。交流伺服系统从静止加速到其额定转速仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。通过上述对比，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。本设计中利用电机带动调整机构来调整应力杆时，要对其调整力矩实现精确控制，因而执行电机的控制精西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页度也要比较高，控制性能也要较为可靠，同时当调整螺母的过程中一旦力矩达到预设值时，需要电机立即停止，即需要很快的响应速度。显然，在这些方面，交流伺服电机比步进电机更适合做执行电机。( 2 ) 减速机构由于伺服电机的转速较大，一般范围在1 5 0 0 3 0 0 0 r p m ，而调整机构转动应力杆的时候转速非常小，需要在伺服电机后接减速器以输出很低的转速。因为比比较大，若是使用直尺圆柱齿轮，则需要分多级传动，这样不仅使机构变得复杂了，而且会增加伺服电机经减速后的负载惯量，可能导致传动不平稳，因此可以考虑采用行星齿轮减速机构，即在伺服电机后接一个行星减速器。伺服锈墅图2 - 5行星减速机构3 。调整机构方案的确定现将两种方案作比较，方案一是采用电动液压源的调整机构，方案二是采用交流伺服电机带动套筒来调整应力杆。方案一操作简单，使用方便，经济安全，对调整力矩的控制也能达到一定的精度，但是采用液压系统也存在着如下几个问题：( 1 ) 液压系统结构复杂，液压元件制造精度要求高，使加工制造比较困难，尤其是用于控制的液压阀，为防止油液的泄漏，对零件的加工精度要求非常严格，因而成本比较高。( 2 ) 为防止泄漏对工作效率及工作平衡性的影响，对密封要求较为严格，即便如此，泄漏也难以避免。( 3 ) 油液的黏度随温度的变化而变化，会直接影响传动机构的工作性能，因此在低温及高温条件下采用液压传动较为困难，这就限制了调整机构的工作条件。( 4 ) 液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。通过分析对比，调整机构采用交流伺服电机作为执行电机，电机输出轴经过减速器之后带动调整机构轻轻拧紧应力杆，在调整机构上还设置了扭矩传感器以测量应力杆的扭矩值。调整机构的最终方案如图2 - 6 ：西南交通大学硕士研究生学位论文第1