一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于航空发动机装配技术领域，涉及一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置。背景技术：2.在航空发动机的制造过程中，装配工艺是重要的组成部分和核心环节，对整机的稳定性起到至关重要的作用。目前螺纹连接是航空发动机装配中使用最多的装配方式，广泛应用在航空发动机的高压压气机、低压涡轮转子、高压涡轮转子等关键组件的装配。摩擦系数对输入扭矩和预紧力的转换关系具有显著影响，因此摩擦系数的准确测量在高温合金短螺栓连接中至关重要。现有摩擦系数测试装置的夹具为厚度较大的法兰形结构，不适用于短螺栓摩擦系数的测量。基于此，本发明提供一种摩擦系数测试装置，可以实现高温合金短螺栓摩擦系数的准确测量，对保证航空发动机转子连接螺纹的可靠性具有重要意义。技术实现要素：3.为了解决上述问题，本发明提供了一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置。4.本发明的技术方案为：5.一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置，包括电动拧紧轴1、动态扭矩传感器2、螺母拧紧套筒3、螺母4、垫片5、被连接件6、螺栓7、超声探头夹具8、超声预紧力传感器探头9、夹具主体结构10、夹具下结构11、静态扭矩传感器12和传感器采集卡13。6.所述夹具主体结构10为几字形结构，包括夹具上板10-1、支撑立柱10-2和夹具下底板10-3；夹具上板10-1和夹具下底板10-3之间通过支撑立柱10-2和螺栓连接。7.所述夹具下结构11由圆柱壳体和圆盘连接而成；圆柱壳体上开有矩形槽孔，用于安装超声探头夹具8；圆盘下表面与静态扭矩传感器12上表面连接。静态扭矩传感器12下表面安装在夹具下底板10-3上，且位于夹具主体结构10内部。在拧紧的过程中作用在螺栓7上的两个扭矩相互平衡：与螺母4接触的螺纹扭矩和与夹具下结构11连接的反扭矩，由于夹具下结构11的顶部与夹具上板10-1之间的间隙很小，夹具下结构11只为螺纹扭矩提供反扭矩，静态扭矩传感器12的上端和夹具下结构11相连，故静态扭矩传感器12可以独立测量螺纹扭矩。8.所述超声探头夹具8为磁性材料，其一端开有u型槽。所述超声预紧力传感器探头9和螺栓7头部依次安装在u型槽中，超声预紧力传感器探头9的输出端与预紧力传感器连接；超声探头夹具8将超声预紧力传感器探头9和螺栓7紧密相连，并将二者同时吸合固定在夹具下结构11圆柱壳体的上端面，保证预紧力的实时测量。所述超声探头夹具8上u型槽的内型面与螺栓7头部的外型面一致，故超声探头夹具8可以限制螺栓7的水平旋转运动，防止拧紧过程中螺栓发生转动。9.所述螺栓7的螺纹部依次穿过夹具下结构11的圆柱壳体、夹具上板10-1、被连接件6、垫片5与螺母4连接。10.所述螺母拧紧套筒3下端的内型面与螺母4外型面一致，螺母拧紧套筒3下端套接在螺母4上，上端通过柔性联轴器与电动拧紧轴1的输出端连接。所述动态扭矩传感器2安装在电动拧紧轴1与螺母拧紧套筒3之间。11.所述动态扭矩传感器2输出端和静态扭矩传感器12输出端均连接在传感器采集卡13上。12.本发明的有益效果：本发明与传统的螺纹摩擦系数测试装置相比，区别在于本装置可以实现输入扭矩、螺纹扭矩和预紧力的同步测量，并且本发明的夹具主体结构为几字形结构，区别于传统的法兰形结构，几字形结构大大减少了夹具的厚度，故本发明能适应超短高温合金螺栓摩擦系数的测量。附图说明13.图1为高温合金短螺栓摩擦系数测试装置总装图。14.图2为夹具主体结构示意图。15.图3为夹具下结构示意图。16.图4为静态扭矩传感器结构示意图。17.图5为超声探头夹具结构示意图。18.图中：1电动拧紧轴；2动态扭矩传感器；3螺母拧紧套筒；4螺母；5垫片；6被连接件；7螺栓；8超声探头夹具；9超声预紧力传感器探头；10夹具主体结构；10-1夹具上板；10-2支撑立柱；10-3夹具下底板；11夹具下结构；12静态扭矩传感器；13传感器采集卡。具体实施方式19.根据相关准则gb/t 16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》可知：测出输入扭矩、螺纹扭矩和螺纹连接预紧力即可计算出螺纹摩擦系数和端面摩擦系数。20.下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。21.如图1所示，一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置，由电动拧紧轴1、动态扭矩传感器2、螺母拧紧套筒3、螺母4、垫片5、被连接件6、螺栓7、超声探头夹具8、超声预紧力传感器探头9、夹具主体结构10、夹具下结构11、静态扭矩传感器12和传感器采集卡13组成。22.如图2所示，所述夹具主体结构10包括夹具上板10-1、支撑立柱10-2和夹具下底板10-3。其中，夹具上板10-1和夹具下底板10-3之间通过支撑立柱10-2和8颗m8螺栓连接；夹具上板10-1的中心开有直径50mm、深10mm的试件槽和两侧10mm深的平键槽，以及中心直径12mm的螺栓孔；夹具下底板10-3包含功能结构：连接250mm槽距的t型槽平台地脚螺栓孔，连接75mm光学平台的地脚螺栓孔，连接静态扭矩传感器的8个螺栓孔，在底部设有安装螺母的跨梁空间。23.如图3所示，所述夹具下结构11由圆柱壳体和圆盘连接而成；其中，圆柱壳体侧面开有用于安装超声探头夹具8的矩形槽孔，同时圆柱壳体上端面的中心开有直径12mm的螺栓孔；并且圆盘上沿周向均布8个螺栓通孔。24.如图4所示，所述静态扭矩传感器12的上端和下端沿周向分别均布8个螺栓通孔，分别与夹具下结构11和夹具下底板10-3连接。25.如图5所示，所述超声探头夹具8为磁性材料，其一端开有两个u形槽。超声预紧力传感器探头9和螺栓7头部依次安装在一u型槽中，超声预紧力传感器探头9的输出端从另一u型槽引出并与预紧力传感器连接；超声探头夹具8将超声预紧力传感器探头9和螺栓7紧密相连，并将二者同时吸合固定在夹具下结构11圆柱壳体的上端面，保证预紧力的实时测量。26.所述螺栓7的螺纹部依次穿过夹具下结构11圆柱壳体上的螺栓孔、夹具上板10-1中心的螺栓孔、被连接件6、垫片5与螺母4连接。27.所述螺母拧紧套筒3下端的内型面与螺母4外型面一致，螺母拧紧套筒3下端套接在螺母4上，上端通过柔性联轴器与电动拧紧轴1的输出端连接。所述动态扭矩传感器2安装在电动拧紧轴1与螺母拧紧套筒3之间。所述动态扭矩传感器2输出端和静态扭矩传感器12输出端均连接在传感器采集卡13上。28.采用上述测试装置进行高温合金短螺栓摩擦系数测试的方法，包括以下步骤：29.步骤1：安装测试装置30.首先将静态扭矩传感器12和夹具下结构11连接，由于螺栓孔定位公差要求比较高，应先使用对角螺栓装入定位，再安装其它螺栓；然后将静态扭矩传感器12和夹具下结构11一同安装到夹具下底板10-3上；最后使用螺栓将支撑立柱10-2和夹具上板10-1安装到夹具下底板10-3上。31.步骤2：连接扭矩测量系统32.将静态扭矩传感器12和动态扭矩传感器2连接到传感器采集卡13，然后基于compact-daq和labview的集成虚拟仪器系统处理收集到的信号。33.步骤3：预拧紧螺纹紧固件34.在每次测试需要更换被连接件6或者螺栓7时，应按照以下顺序安装：被连接件6→垫片5→螺栓7→螺母4，然后通过手动拧紧对螺母进行预拧紧。35.步骤4：连接超声预紧力测量系统36.首先启动超声预紧力控制软件，然后使用超声探头夹具8将超声预紧力传感器探头9和螺栓7连接在一起，最后进行超声扫波、测量和记录螺纹连接预紧力。37.步骤5：螺纹紧固件的拧紧测量38.控制系统驱动电动拧紧轴1以不同的拧紧速度施加扭矩多次来拧紧螺纹紧固件，探究不同的拧紧速度下拧紧次数对螺栓摩擦系数的影响。39.步骤6：计算摩擦系数40.根据输入扭矩、螺纹扭矩和螺纹连接预紧力的测试结果即可计算出不同拧紧次数下的螺纹摩擦系数和端面摩擦系数。41.采用上述技术方案的一种高温合金短螺栓摩擦系数测试装置，可实现输入扭矩、螺纹扭矩和预紧力的同步测量，从而获取螺纹摩擦系数和端面摩擦系数，使得螺栓的预紧力得到精确控制，致使航空发动机转子系统连接高温合金短螺栓的可靠性得以改善。42.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。









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