螺栓拧紧新策略-超声预紧力扳手

螺栓连接结构

螺栓连接结构

螺栓连接结构连接通常包含螺栓、被连接件和螺母(如果螺纹孔不是通孔，那就没有螺母)等部件。

螺栓连接的目的是让原本两个分离的被连接件按照工艺的要求装配到一起(不发生相对位移，从此变成好基友，形影不离)。

扭矩只是手段，预紧力才是目的！

因为在螺栓旋转过程中，螺帽/螺母会逐渐与工件贴合。贴合后再旋转螺栓，螺栓就会被拉伸，同时被夹紧的工件(图中的被连接件)就会产生和拉伸方向相反的反作用力-夹紧力（等同为螺栓预紧力或者螺栓轴向力），而夹紧力才是能直接衡量连接状态的变量(其实吧这原理和橡皮筋一样一样的)。

夹紧力（预紧力）是螺栓拧紧的目标、目标、目标(重要的事情说三遍)!

而螺栓在被旋进的过程中，通常能够直接被拧紧工具测量的变量是扭矩。这也就解释了:为什么明明夹紧力（预紧力）是直接衡量连接质量的变量，但往往我们在拧紧过程中得到的却是扭矩。

螺栓连接影响因素——摩擦力，同样的连接、同样的扭矩，会因为摩擦力的不同而导致夹紧力（预紧力）的不同。下图很简单的阐述了摩擦力在螺栓连接中的影响。

传统扭矩法拧紧，输入的扭矩大部分都耗散在螺栓端面以及螺纹副之间的摩擦消耗，最终作用在轴力方向的预紧力仅占10%左右，由于各接触面摩擦系数的差异，输入相同的扭矩值最终获得的预紧力差异也会较大。

所以在螺栓连接中，拧紧的最终目的是预紧力，扭矩只是我们获得夹紧力过程中不可或缺的一个变量。

预紧力是拧紧的目标，合适的预紧力可以提高螺栓连接的可靠性。预紧力过高或者过低都会导致连接失败。

那如何测量预紧力呢?

部分预紧力测量方式：

直接测量1-测力螺栓:

采用电阻应变计测量应力的方法，把螺栓直接作为测力元件的传感器，以最直接的方式将作用在螺栓上的力测量出来，结构简单，测量准确。

测力螺栓

这种方式优点很明显，测量预紧力很精确。缺点是:测力螺栓因为加装传感器的原因，内部结构(传感器往往被安置于螺栓内部)会和实际生产过程中的螺栓不一样造成测量得到的数据和实际有一定的误差。且无法大规模生产，价格昂贵。

直接测量2-环形压力传感器:

环形压力传感器也是同样采用电阻应变片的方式，环形压力传感器放在连接件中间或仅使用环形压力传感器，在显示器上可以直接读出环形压力传感器所受的夹紧力。

环形压力传感器

所以环形压力传感器使用简单。但是螺栓和环形压力传感器之间的摩擦系数和螺栓与工件的摩擦系数会不同，同时使用了环形压力传感器，连接的特性也会发生改变，这就造成了夹紧力和扭矩之间的对应关系会有偏差。

间接测量-超声波:

超声波测量预紧力是利用螺栓被拧紧后会有伸长，而螺栓长度的变化对应了螺栓产生的预紧力。超声波测量有不改变连接直接测试预紧力的优点。

利用超声波测量技术，我们可以像给螺栓做B超一样，实时监测螺栓的伸长量。基于声弹性理论，通过计算超声波在螺栓中传播的时间变化，直接反推螺栓内部的轴向预紧力。

螺栓安装方法

在之前的文章《螺栓连接装配方法分类》中我们提到螺栓安装的几种方法对比，采用预紧力控制和轴向力控制可以使螺栓安装获得更低的预紧力分散性。

轴向力控制法多为拉伸法螺栓安装，如何实现预紧力控制安装方法呢？

结合前文中提到的预紧力测量方法，我们推出超声预紧力扳手，将超声探头集成到扳手上，可以在拧紧过程中实时感知螺栓轴力，采用预紧力控制法拧紧螺栓。

昊宇睿联推出系列预紧力控制法拧紧工具，手动、电动、液压预紧力拧紧工具满足不同规格螺栓拧紧!

• 手动安装工具集成轴向力测量功能、扭矩测量功能、声光提示功能；
  

• 电动工具集成轴向力测控功能、扭矩测控功能；
  

• 超声液压扳手通过超声传感器实时测取螺栓轴向预紧力，并反馈给电液伺服系统控制扳手施拧。
  

超声预紧力扳手可实现安装过程数据和结果数据传输，配备专用软件，实现安装数据可视化功能。

超声预紧力手动扳手

• 多种工作模式

• 扭矩精度±2%

• 预紧力精度±5%

• 声光报警

• 蓝牙BLE 5.2模块(选配)和Type-C有线通信接口

• 专用数据管理软件

超声预紧力手动扳手

超声预紧力电动扳手

• 多种工作模式
  

• 扭矩精度±3%

• 角度精度±2%

• 预紧力精度±5%

• 声光报警蓝牙BLE 5.2模块(选配)

• 专用数据管理软件

超声预紧力电动扳手

超声预紧力液压扳手

• 输出载荷：≤2000kN

• 适用螺栓规格：≤M64

• 测量精度：3%F.S

• 轴力测量效率：（100-1000）次/s

• 工作温度：-20-60℃

超声预紧力液压扳手

不同安装方法螺栓预紧力分散性对比

基于预紧力控制的拧紧工具，可以实时监测安装过程的轴向力，降低人员干扰，保证装配的预紧力均匀性，实现高质量的安装，提高紧固连接可靠性，目前超声预紧力扳手的预紧力精度可达±5%。

超声预紧力扳手功能：

• 拧紧过程监测
  

• 拧紧数据记录
  

• 拧紧状态反馈
  

• 拧紧质量控制

超声预紧力扳手价值：

• 从“经验装配”走向“精准智能控制”，降低对人员的依赖
  

• 可适配任意状态的螺栓、螺母与被连接件，提升紧固件复用率
  

• 提升安装精度与连接可靠性
  

• 拧紧过程全周期监控与管理
  

• 降低全生命周期成本
  

预紧力法螺栓安装在航空航天、轨道交通及风电领域已经得到应用，在工程或装备中的关键连接点，推荐优先采用预紧力法，以实现数据驱动的精准装配，保证连接性能满足设备服役条件。