一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓论文和设计-田文广

全文摘要

本专利公开了一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，是一种能在装配过程中指示预紧力并在安装使用后对预紧力衰减示警的力致发光型智能螺栓。所述智能螺栓包括普通螺栓和力致发光型材料涂层；将力致发光型材料固化在螺栓头表面并且为圆环状，在安装过程中，当预紧力达到目标值时，涂层外环便发光提示；安装后的使用过程中，随着预紧力的衰减涂层发光圆环半径逐渐减小，当接近涂层内环或者发光圆环消失时则需重新拧紧，从而完成预紧力安装指示和衰减示警两项功能。本专利的智能螺栓便于批量生产和保证一致性，现场实用性强且无需破坏螺栓内部结构，具有无损、精度高等有益效果。

主设计要求

1.一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，包括螺栓(1)，其特征在于还包括力致发光型材料涂层(2)；所述的力致发光型材料涂层(2)在受到挤压、拉伸和摩擦外力时便会产生亮光，外力变小或消失时亮光熄灭，并且，所述的力致发光型材料涂层(2)产生亮光时所需外力值要不大于安装预紧力目标值；所述的力致发光型材料涂层(2)固化在螺栓(1)的螺栓头表面。

设计方案

2.根据权利要求1所述的智能螺栓，其特征在于：固化在螺栓头表面的力致发光型材料涂层(2)为圆环形状，包括涂层内环(2-1)和涂层外环(2-2)，其中涂层内环(2-1)对应预紧力最小报警值，而涂层外环(2-2)对应安装预紧力目标值。

3.根据权利要求1或2所述的智能螺栓，其特征在于：所述力致发光型材料涂层(2)通过涂覆或薄膜的方式固化于螺栓(1)的螺栓头表面。

4.根据权利要求1所述的智能螺栓，其特征在于：所述力致发光型材料涂层(2)的形状根据具体使用需求设计。

5.根据权利要求4所述的智能螺栓，其特征在于：所述力致发光型材料涂层(2)的形状为圆环形、缺口的圆环形、圆形、长方形、中空的长方形、正方形、中空的正方形、六边形、中空的六边形。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的智能螺栓，其特征在于所述力致发光型材料涂层(2)为以稀土铝酸盐、钛酸盐为体系的力致发光型材料。

7.根据权利要求3所述的智能螺栓，其特征在于所述力致发光型材料涂层(2)为以稀土铝酸盐、钛酸盐为体系的力致发光型材料。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及土木工程和机械设备等紧固连接领域，特别涉及一种高端紧固件装配过程中安装预紧力指示与安装后预紧力衰减示警。

背景技术

螺栓连接广泛运用于机械、土木、能源和航空航天工程等领域。目前，螺栓现场装配是通过监测拧紧螺栓时的扭矩值来控制螺栓预紧力的大小，在拧紧过程中，输入的能量只有大约10%转化为螺栓的预紧力，而其它约90%的能量被螺纹牙面摩擦和螺母与被连接件的接触端面摩擦损耗，因此，牙面和端面摩擦系数即使有微小的波动，也将导致螺栓拧紧后产生一定的差异，预紧力一致性较差；虽然采用扭矩—转角法能够在一定程度上改善预紧力的一致性，但在拧紧过程中的扭矩段，仍会因端面和牙面摩擦系数的差异性导致实际预紧力与目标预紧力产生一定偏差。综上所述，如何准确控制螺栓拧紧预紧力是现场装配中急需解决的问题。

本发明提出的力致发光型智能螺栓尚未见相关文献。现场实际应用的测试技术主要有以下几种：

（1）CN 104568282B《一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法》、CN 103616118B《螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法》及CN 104075831A《一种高强度螺栓预紧力测量装置》等专利公开了通过应变片测量螺栓预紧力的方法，该方法需要在每一个被测螺栓的螺杆上贴多个应变片，工序繁琐，同时螺栓与被连接件之间要留出足够的空间布置引线。该方法对螺栓有一定的损伤，且无法满足现场批量装配。

（2）CN 1156679C《超声波螺栓紧固力测试装置》、CN 105115652A《一种利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法》等专利公开了依据超声波在不同应力状态的螺栓内部传播速度不同的原理实现螺栓预紧力的测量。该方法需要对螺栓两个端面进行预处理，测量时需要耦合剂并且测量精度受操作者影响较大。

（3）CN 103323170B《一种螺栓组连接的预紧力测量系统及方法》、CN 204286667U《一种螺栓预紧力测量装置》等公开了在螺栓与被连接件间安装压力传感器直接测量螺栓预紧力，但是该方法适合检测、实验验证，不适于实际装配，因为安装压力传感器将影响被连接件的刚度，同时也影响结合面压力分布及使用过程的可靠性。

此外，也可用千分表测长仪和激光传感器直接测量螺栓伸长量，但在实际应用中都存在限制。

然而对于安装后在使用过程中的螺栓预紧力衰减问题，也有部分通过超声波测量、环形压电陶瓷检测等方法解决，但是在施工和安装存在一定的局限性。

实用新型内容

鉴于现有技术在现场螺栓装配应用中预紧力实时检测方面存在的不足，以及安装后的使用过程中预紧力衰减很难准确测量等问题,本专利提供一种能在装配过程中指示预紧力并在安装使用后对预紧力衰减示警的智能螺栓，即一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓。

本实用新型采用如下的技术方案：

一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，包括螺栓和力致发光型材料涂层；所述的力致发光型材料涂层在受到挤压、拉伸和摩擦等外力时便会产生持续亮光，当外力变小或消失时亮光熄灭，并且，所述的力致发光型材料涂层产生亮光时所需外力值要不大于安装预紧力目标值；所述的力致发光型材料涂层固化在普通螺栓的螺栓头表面。

进一步的，固化在螺栓头表面的力致发光型稀土涂层为圆环形状，包括预紧力衰减示警用的涂层内环和指示安装预紧力用的涂层外环，涂层内环对应预紧力最小报警值，而涂层外环对应安装预紧力目标值。

进一步的，所述力致发光型材料涂层通过涂覆或薄膜的方式固化于螺栓的螺栓头表面。

进一步的，所述力致发光型材料涂层的形状根据具体使用需求设计。

再进一步的，所述力致发光型稀土涂层的形状为圆环形、缺口的圆环形、圆形、长方形、中空的长方形、正方形、中空的正方形、六边形、中空的六边形、其它等边或中空的等边形状。

进一步的，所述力致发光型材料涂层是以稀土铝酸盐、钛酸盐为体系的力致发光型材料。

与超声波、应变片及千分尺测长仪等预紧力测量方法相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明的智能螺栓便于批量生产和保证一致性，现场实用性强；不需借助任何测量装置和方法，甚至不需要力矩扳手；在狭窄黑暗的空间安装更能发挥其优势。

（2）本发明的智能螺栓集安装预紧力指示和使用过程中预紧力衰减示警两项功能于一体，且对不需要对现有安装工况和结构做任何改变，具有普适性。

（3）无需破坏螺栓内部结构，具有无损、精度高等特点。

附图说明

图1为螺栓头表面固化圆环形力致发光型材料涂层的螺栓结构俯视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为螺栓头表面应力分布曲线。

图4为螺栓头表面固化圆形力致发光型材料涂层的螺栓。

图5为螺栓头表面固化圆环形力致发光型材料涂层的螺栓。

图1-5中：1、螺栓，2、力致发光型材料涂层，2-1、涂层内环，2-2、涂层外环。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做更进一步的解释。

如图1所示。本专利的力致发光型智能螺栓，包括普通螺栓1和力致发光型材料涂层2。利用力致发光型材料涂层受力会发光这一特性，将力致发光型材料通过表面处理涂覆或薄膜等工艺固化在螺栓头表面并且为圆环状，当对螺栓施加预紧力时，螺栓头会发生变形，呈现如图2所示的“碗状”，螺栓头中心凹陷变形较大，相应的应力值也较大，而螺栓头边缘变形较小，应力值也相对小，其应力值分布趋势如图3所示。螺栓头的变形会对涂覆在表面的力致发光型材料涂层2产生挤压等作用力，进而使力致发光型材料涂层2产生亮光。

实施例1

一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，如图4所示，包括螺栓1和力致发光型材料涂层2；所述的力致发光型材料涂层2在受到挤压、拉伸和摩擦等外力时便会产生亮光，外力变小或消失时亮光熄灭，所述的力致发光型材料涂层2产生亮光时所需外力值不大于安装预紧力目标值；所述的力致发光型材料涂层2涂覆在螺栓1的螺栓头表面，且所述力致发光型材料涂层2为圆形，其中，所述力致发光型材料涂层2是以稀土铝酸盐、钛酸盐为体系的力致发光材料，如MgAl_{11<\/sub>O_{19<\/sub>:Ce^{3+<\/sup>,Tb^3+<\/sup>。}}}

在安装过程中，随着预紧力的不断增加，螺栓头变形逐渐增大，当预紧力达到一定值时，即力致发光型材料涂层2的预紧力发光值，力致发光型材料涂层2产生亮光，随着预紧力进一步增加，亮光半径会不断增大，直至安装预紧力达到安装预紧力目标值。

在安装后的使用过程中，由于振动、温度等因素致使螺栓预紧力会不断降低，此时力致发光型稀土涂层2的亮光半径会逐渐变小，直至衰减至设定的最低值，最低值可以设置为亮光消失时的预紧力值，也可以是光亮半径减弱到一定程度时的预紧力值，此时需要对螺栓1进行检查和重新拧紧。

实施例2

一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，如图1、5所示，包括螺栓1和力致发光型材料涂层2；涂覆在螺栓头表面的力致发光型材料涂层2为圆环形状，如图1、5所示，包括涂层内环2-1和涂层外环2-2，其中涂层内环2-1对应预紧力最小报警值，而涂层外环2-2对应安装预紧力目标值；

所述涂层内环2-1和涂层外环2-2在受到挤压、拉伸和摩擦外力时便会产生亮光，外力消失时亮光熄灭；其中，所述力致发光型稀土涂层2为稀土铝酸盐、钛酸盐为体系力致发光材料，MgAl_{11<\/sub>O_{19<\/sub>:Ce^{3+<\/sup>,Tb^3+<\/sup>。}}}

在安装过程中，随着螺栓预紧力的不断增加，螺栓头变形逐渐增大，由于不同的半径对应不同的预紧力，当预紧力达到一定值时，涂层内环2-1便会产生一圈亮光，随着预紧力进一步增加，亮光圆圈半径会不断增大，当达到螺栓预紧力目标值时，涂层外环2-2处恰好产生一圈亮光，如果安装预紧力超过目标预紧力值，则亮光圆圈半径会超过涂层外环2-2的半径从而导致亮光消失。

在安装后的使用过程中，由于振动、温度等因素致使螺栓预紧力会不断降低，此时亮光圆圈会从涂层外环2-2逐渐向涂层内环2-1收缩，当预紧力衰减至设定的最低值以下，则亮光圆圈便从涂层内环2-1消失，此时需要对螺栓1进行检查和重新拧紧。

实施例3

一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓，与实施例1相同，区别在于所述力致发光型稀土涂层2的形状不同；

所述力致发光型材料涂层2为缺口的圆环状或长方形或中心中空的长方形或中心中空的六边形。

在安装过程与使用过程也与实施例1相同，随着预紧力的不断增加，螺栓头变形逐渐增大至所述力致发光型材料涂层2的预紧力发光值，力致发光型材料涂层2产生亮光，随着预紧力进一步增加亮光不断增强，直至安装预紧力达到安装预紧力目标值。

在安装后的使用过程中，随着螺栓预紧力会不断降低，力致发光型材料涂层2的亮光圆环会逐渐内缩，直至衰减至设定的最低值时，即亮光圆环消失，则需要对螺栓1进行检查和重新拧紧。

本发明旨在解决目前行业内螺栓装配预紧力实时检测困难且安装预紧力一致性差的问题，也为螺栓自动化装配提供一种低成本、高效率的解决方案，能够取代目前扭矩法、转角法等间接控制螺栓预紧力的拧紧工艺。

尤其是实施例2的方案，由于涂层内环2-1对应预紧力最小报警值和涂层外环2-2对应安装预紧力目标值的设计，使得螺栓能在装配过程中指示预紧力并在安装使用后对预紧力衰减示警，在安装过程中，当预紧力达到目标值时，涂层外环2-2便发光提示；安装后的使用过程中，随着预紧力的衰减涂层发光圆环半径逐渐减小，当接近涂层内环2-1或者发光圆环消失时则需重新拧紧，从而完成预紧力安装指示和衰减示警两项功能。

因此相比现有的结构和方法，本发明现场实用性强，工况适应性强且具有无损、高精度等优点。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如涂层的形状、圆环的直径大小等，这些改进和润饰也应视为本实用新型专利的保护范围。

设计图

一种带预紧力指示的力致发光型智能螺栓论文和设计

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