阅读说明：本技术 一种预紧力指示垫圈及其使用方法 (A kind of pretightning force instruction washer and its application method ) 是由 柳思成 马艳云 王善岭 肖琪 王立俊 王川 隋会源 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种预紧力指示垫圈,一种预紧力指示垫圈及其使用方法。本发明所述的包括上平垫圈、下平垫圈以及设置在二者之间的预紧力垫圈,所述上平垫圈、下平垫圈以及指示垫圈上均设置有通孔,所述预紧力指示垫圈安装于螺栓与夹层板或螺母与夹层板之间。(The present invention provides a kind of pretightning forces to indicate washer, a kind of pretightning force instruction washer and its application method.Of the present invention includes upper plain washer, lower plain washer and the pretightning force washer being disposed there between, through-hole is provided on the upper plain washer, lower plain washer and instruction washer, the pretightning force instruction washer is installed between bolt and sandwich plate or nut and sandwich plate.)

一种预紧力指示垫圈及其使用方法

技术领域

本发明属于紧固连接件领域，尤其是涉及一种预紧力指示垫圈及其使用方法。

背景技术

预紧力是保证连接结构可靠性的关键因素，最常用的方法是利用扭矩扳手测扳拧力矩，通过扭矩和预紧力之间换算关系间接得到预紧力，但所得预紧力数值会受摩擦力、润滑、材料类型、表面特征等因素影响，据统计，数值偏差达到±25％。在设计或选用紧固件时，一般要求预紧力达到螺栓自身极限抗拉强度的50％，并基于此给出扳拧力矩要求；考虑到通过扳拧力矩换算预紧力存在的约±25％的误差，螺栓实际的预紧力可能低到螺栓抗拉强度的25％，也可能高到螺栓抗拉强度的75％，影响装配可靠性，干扰紧固件设计、选用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种预紧力指示垫圈及其使用方法，以解决现有技术中的通过扳拧力矩换算预紧力误差较大的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种预紧力指示垫圈，包括上平垫圈、下平垫圈以及设置在二者之间的预紧力垫圈，所述上平垫圈、下平垫圈以及指示垫圈上均设置有通孔，所述预紧力指示垫圈安装于螺栓与夹层板或螺母与夹层板之间。

进一步的，所述预紧力垫圈的初始厚度H0的取值范围为0＜H0≤L-L1-P-H2-H3，其中L为螺杆的长度，L1为夹层板的厚度，P为螺杆的螺距，H2上平垫圈的厚度，H3为下平垫圈的厚度；优选地，所述预紧力垫圈的初始厚度H0的取值范围为2*H2≤H0≤L-L1-P-H2-H3。

进一步的，所述上平垫圈和下平垫圈的内径为 与预制安装孔径一致，所述上平垫圈和下平垫圈的外径均为 不小于螺栓或螺母支撑面外圆直径。

进一步的，所述预紧力垫圈的内径与上平垫圈的内径相同均为初始外径为ΦB0，且优选为B0²≤((A²-C²)H1/H0)+C²。

进一步的，当所述预紧力指示垫圈安装于螺栓与夹层板之间时，所述上平垫圈的厚度H2的取值范围为大于0且小于螺母厚度的一半，所述下平垫圈的厚度H3的取值范围为大于0且小于螺母厚度的一半，当所述预紧力指示垫圈安装于螺栓与夹层板之间时，所述上平垫圈的厚度H2的取值范围为大于0且小于螺栓头厚的一半，所述下平垫圈的厚度H3的取值范围为大于0且小于螺栓头厚的一半。

进一步的，所述上平垫圈与下平垫圈的厚度相同，且上平垫圈的厚度不小于1mm。

进一步的，所述上平垫圈、下平垫圈、预紧力垫圈的形状为圆柱形、三棱柱、四棱柱、六棱柱中任一或几种的组合。

进一步的，所述上平垫圈和下平垫圈的强度高于配套螺栓、螺母的材料的强度。

进一步的，所述预紧力垫圈的材质为合金钢、不锈钢、高温合金、有色金属或树脂；优选地，所述预紧力垫圈的材质为合金钢。

一种上述预紧力指示垫圈的使用方法包括如下步骤：

(1)对指示垫圈进行压缩性能试验，绘制压缩力-位移曲线，并根据预紧力要求确定压缩位移范围值；

(2)将预紧力指示垫圈安装于螺栓与夹层板或螺母与夹层板之间；

(3)扳拧螺栓上的螺母，并适时测试预紧力垫圈的压缩量；

(4)当预紧力垫圈的位移量达到预设的压缩位移范围值后停止拧入即完成装配。

相对于现有技术，本发明所述的预紧力指示垫圈及其使用方法具有以下优势：

(1)本发明所述的预紧力垫圈在预紧力作用下，紧固连接件的结构会受到轴向挤压变形，而挤压变形量与预紧力间存在一定的变化关系，如果选择某一材料，其压应力与位移间存在较好的对应关系，将其制成压缩垫圈并保证所受压应力与预紧力同向、等值，则可以通过对该材料垫圈的压缩位移的测量达到检测结构预紧力的效果。

(2)本发明所述的预紧力指示垫圈及其使用方法原理简单、加工成本低、无需传感器等复杂部件、安装工艺简单、对装配空间及环境要求不高，但相比传统力矩法测量预紧力，大大提升了测量精度，利用该垫圈和方法可将误差缩小至±25％。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的预紧力指示垫圈正常状态下的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的预紧力指示垫圈使用状态下的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的预紧力指示垫圈的装配图；

图4为实施例1中的压缩力-位移曲线；

图5为实施例2中的压缩力-位移曲线；

图6为实施例3中的压缩力-位移曲线。

附图标记说明：

1、上平垫圈；2、下平垫圈；3、预紧力垫圈；4、螺栓；5、螺母；6、夹层板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所述的预紧力指示垫圈由上、下两个平垫圈和中间的预紧力垫圈组成，可安装于螺栓或螺母与夹层板之间，垫圈组件可为圆柱形、三棱柱、四棱柱、六棱柱等的任意一组或其组合，优选为圆柱形，见图1。

上、下平垫圈为硬度或强度高于配套螺栓、螺母的任一材料，优选金属材料；上、下平垫圈厚度分别为H2、H3，当所述预紧力预紧力垫圈安装于螺栓与夹层板之间时，所述上平垫圈的厚度H2的取值范围为大于0且小于螺母厚度的一半，所述下平垫圈的厚度H3的取值范围为大于0且小于螺母厚度的一半，当所述预紧力预紧力垫圈安装于螺栓与夹层板之间时，所述上平垫圈的厚度H2的取值范围为大于0且小于螺栓头厚的一半，所述下平垫圈的厚度H3的取值范围为大于0且小于螺栓头厚的一半。优选地H2＝H3，且H2≥1mm。

上、下平垫圈的内径与预制安装孔径一致，上、下平垫圈的外径 或螺母支撑面外圆直径。

另外，当安装在螺栓头下时，为保证平垫圈能避开螺栓圆角并与螺栓支撑面完全接触，需对与螺栓支撑面接触的平垫圈的内径进行倒角处理，倒角量以确保让开螺栓圆角部位为准。

安装于上、下平垫圈之间的预紧力垫圈由合金钢或不锈钢或高温合金等金属材料制造，也可由铝合金等有色金属或树脂等非金属材料制造，优选为合金钢材料。

如图1所示，所述预紧力垫圈的初始厚度为H0，H0的取值范围为0＜H0≤L-L1-P-H2-H3，其中L为螺杆的长度，L1为夹层板的厚度，P为螺杆的螺距，H2上平垫圈的厚度，H3为下平垫圈的厚度；优选地，所述预紧力垫圈的初始厚度H0的取值范围为2*H2≤H0≤L-L1-P-H2-H3。

如图2所示，预紧力垫圈的内径与预制安装孔径一致也为初始外径为ΦB0，且优选为B0²≤((A²-C²)H1/H0)+C²，即保证当预紧力垫圈压缩至要求高度H1后，预紧力垫圈的外径预紧力垫圈承载载荷达到设定预紧力值时，预紧力垫圈厚度为H1、外径为如图2所示.

一种上述预紧力指示垫圈的使用方法包括如下步骤：

(1)对预紧力垫圈进行压缩性能试验，绘制压缩力-位移曲线，并根据预紧力要求确定压缩位移范围值；

(2)将预紧力预紧力垫圈安装于螺栓与夹层板或螺母与夹层板之间(如图3所示)；

(3)扳拧螺栓上的螺母，并适时测试预紧力垫圈的压缩量；

(4)当预紧力垫圈的位移量达到预设的压缩位移范围值后停止拧入即完成装配。

实际装配时使用扳手或风扳机扳拧螺母，预紧力垫圈压缩量可通过游标卡尺或通过其他光学或电子检测设备进行自动数值读取。本实施例在实际使用时，可以根据需要，在使用过程中可配置临界状态报警装置，通过对位移量的实时监控，当位移量超过临界值时，实施现场或远程的声、光、点等等型式的报警。

实施例1

涉及的预紧力垫圈用于M27规格900MPa级六角头抗拉型螺栓和六角头自锁螺母的组合，垫圈安装于螺母与夹层板之间，对连接件的预紧力要求为292kN-357kN。因螺栓、螺母选材为合金钢材料，为减少接触腐蚀，垫圈选材也为合金钢材质，具体为：上、下平垫圈为65Mn材料，硬度要求38-44HRC；预紧力垫圈为20CrNiMo材料，硬度要求24-30HRC。装配前的具体尺寸：H0＝7.0mm、H2＝H3＝2.8mm。对预紧力垫圈进行压缩性能试验，绘制压缩力-位移曲线，并根据预紧力要求确定压缩位移(垫圈的压缩载荷与安装预紧力相等)，见图4。表明，为获得指定预紧力，需对垫圈进行压缩量为0.75mm至1.25mm的压缩变形。将螺栓安装到连接夹层板上，依次装配好垫圈的各个部件，用扳手或风扳机扳拧已旋入螺栓引导牙的自锁螺母，并适时测试预紧力垫圈的压缩量H1(上、下平垫圈硬度较高，不会产品压缩变形)，当H1达到6.25mm-5.75mm范围内的任意值时，即可停止拧入，此时连接装置的预紧力即达到设计要求，处于292kN-357kN的预紧力范围。

实施例2

涉及的预紧力垫圈用于M24规格1500MPa级花键法兰盘螺栓和花键法兰盘自锁螺母的组合，垫圈安装于螺母与夹层板之间，对连接件的预紧力要求为392kN-479kN。螺栓、螺母选材为PH13-8Mo不锈钢，垫圈选材为合金钢材质，具体为：上、下平垫圈为40CrNiMo材料，硬度要求38-44HRC；预紧力垫圈为4130材料，硬度要求27-33HRC。装配前的具体尺寸：H0＝6.3mm、H2＝H3＝2.5mm。对预紧力垫圈进行压缩性能试验，绘制压缩力-位移曲线，并根据预紧力要求确定压缩位移(垫圈的压缩载荷与安装预紧力相等)，见图5。表明，为获得指定预紧力，需对垫圈进行压缩量为0.75mm至1.25mm的压缩变形。将螺栓安装到连接夹层板上，依次装配好垫圈的各个部件，用扳手或风扳机扳拧已旋入螺栓引导牙的自锁螺母，并适时测试预紧力垫圈的压缩量H1(上、下平垫圈硬度较高，不会产品压缩变形)，当H1达到5.05mm-5.55mm范围内的任意值时，即可停止拧入，此时连接装置的预紧力即达到设计要求，处于392kN-479kN的预紧力范围。

实施例3

涉及的预紧力垫圈用于M16规格1100MPa级十二角头螺栓和六角头自锁螺母的组合，垫圈安装于螺母与夹层板之间，对连接件的预紧力要求为165kN-198kN。螺栓、螺母选材为A286高温合金材料，平垫圈选材为40CrNiMo材料，指示垫圈选材为A286高温合金材料，硬度要求：上、下平垫圈为38-44HRC；预紧力垫圈21-27HRC。装配前的具体尺寸：H0＝5.1mm、H2＝H3＝2.0mm。对预紧力垫圈进行压缩性能试验，绘制压缩力-位移曲线，并根据预紧力要求确定压缩位移(垫圈的压缩载荷与安装预紧力相等)，见图6。表明，为获得指定预紧力，需对垫圈进行压缩量为0.75mm至1.25mm的压缩变形。将螺栓安装到连接夹层板上，依次装配好垫圈的各个部件，用扳手或风扳机扳拧已旋入螺栓引导牙的自锁螺母，并适时测试预紧力垫圈的压缩量H1(上、下平垫圈硬度较高，不会产品压缩变形)，当H1达到3.85mm-4.35mm范围内的任意值时，即可停止拧入，此时连接装置的预紧力即达到设计要求，处于165kN-198kN的预紧力范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。