本发明公开了一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，旨在解决现有技术中容易出现力矩和零部件实际性能不匹配，螺栓连接质量不稳定的技术问题。具体包括如下步骤：获取该连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定该连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数。本发明通过提供一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，应用该发明能够实现螺栓拧紧力矩的精准、有效的确定，提升螺栓连接装配质量和可靠性。
1.一种螺栓拧紧力矩的确定方法，其特征是，包括如下步骤：获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；
依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；
根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定被连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；
根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数；
综合最小预紧力Fk、预紧力的最大限值Fpm和预紧力使用安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围；
依据螺栓连接预紧力Fp的目标范围确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围；
式中：Fkc为被连接件之间不发生分离和滑动所需的最小夹紧力，Fka为附加力；
当螺栓连接受轴向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：fkc＝Fz
当螺栓连接受切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：Fkc＝Fq/μt
当螺栓连接同时受轴向外载荷和切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：Fkc＝max(Fz，Fq/μt)式中：μt为被连接件之间接触面静摩擦系数；
所述预紧力的最大限值Fpm的确定方法如下：依据螺栓的参数信息，计算确定所用螺栓可承受的最大预紧力Ff：式中：σy为螺栓的屈服强度；As为螺纹应力截面积；dAs为螺纹应力截面积对应等效圆形截面的直径；p为螺距；μth为螺纹摩擦系数；d2为螺纹中径；
依据被连接件的机械性能等参数，计算确定被连接件可承受的最大预紧力Fpg：Fpg＝PGAp
式中：PG为被连接件表面不压溃的临界应力；Ap为螺栓或螺母与被连接件表面接触面积；
对比Ff和Fpg，取两者中的小值为该部位螺栓连接预紧力最大限值Fpm，即：Fpm＝min(Ff，Fpg)。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩的确定方法，其特征是，所述螺栓连接预紧力Fp的目标范围为：ηxFk＜Fp＜ηsFpm
式中：ηx为预紧力下限安全系数；ηs为预紧力上限安全系数。
3.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩的确定方法，其特征是，所述拧紧扭矩T范围为；
式中：μkmax为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最大值，μkmin为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最小值；Dk为螺栓和被连接件接触端面的有效直径；Fpmax为预紧力Fp的最大值；Fpmin为预紧力Fp的最小值；p为螺距；μthmax为螺纹摩擦系数μth的最大值，μthmin为螺纹摩擦系数μth的最小值。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓拧紧力矩的确定方法，其特征是，通过建立连接部位的有限元分析模型获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq。
5.一种螺栓拧紧力矩的确定装置，其特征是，所述装置包括：外载荷获取模块，用于获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；
最小预紧力确定模块，用于依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；
预紧力最大限值确定模块，用于根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定被连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；
预紧力使用安全系数确定模块，用于根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数；
预紧力目标范围确定模块，用于综合最小预紧力Fk、预紧力的最大限值Fpm和预紧力使用安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围；
拧紧扭矩范围确定模块，用于依据螺栓连接预紧力Fp的目标范围确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围；
其中，所述最小预紧力Fk的计算公式为：Fk＝Fkc+Fka
式中：Fkc为被连接件之间不发生分离和滑动所需的最小夹紧力，Fka为附加力；
当螺栓连接受轴向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：Fkc＝Fz
当螺栓连接受切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：Fkc＝Fq/μt
当螺栓连接同时受轴向外载荷和切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：Fkc＝max(Fz，Fq/μt)式中：μt为被连接件之间接触面静摩擦系数；
所述预紧力的最大限值Fpm的确定方法如下：依据螺栓的参数信息，计算确定所用螺栓可承受的最大预紧力Ff：式中：σy为螺栓的屈服强度；As为螺纹应力截面积；dAs为螺纹应力截面积对应等效圆形截面的直径；p为螺距；μth为螺纹摩擦系数；d2为螺纹中径；
依据被连接件的机械性能等参数，计算确定被连接件可承受的最大预紧力Fpg：Fpg＝PGAp
式中：PG为被连接件表面不压溃的临界应力；Ap为螺栓或螺母与被连接件表面接触面积；
对比Ff和Fpg，取两者中的小值为该部位螺栓连接预紧力最大限值Fpm，即：Fpm＝min(Ff，Fpg)。
6.一种螺栓拧紧力矩的确定装置，其特征是，包括处理器及存储介质；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～4任一项所述方法的步骤。
7.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现权利要求1～4任一项所述方法的步骤。
一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，属于螺栓连接领域。
背景技术
[0002] 螺栓连接具有价格低廉、互换性强、拆装方便等特点，是工程机械产品最常用的连接方式之一。控制拧紧力矩是工程机械螺栓装配最常用的手段。拧紧扭矩选择合适与否对螺栓连接至关重要，将直接影响螺栓连接的质量和可靠性。
[0003] 目前，在工程机械行业内，螺栓装配所用的拧紧力矩主要基于国标或行标的确定，无论何种产品、哪个部位、零件性能如何，螺栓等级和规格相同时，拧紧力矩都一样。这种方法没有考虑螺栓和零部件性能、质量状态、工况载荷等因素的影响，容易出现力矩和零部件实际性能不匹配，螺栓连接质量不稳定等问题。为了更加有效的进行螺栓连接的预紧，提升装配过程质量和螺栓连接的可靠性，降低螺栓连接失效发生的可能性，我们提出一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法解决上述问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，解决现有技术中容易出现力矩和零部件实际性能不匹配，螺栓连接质量不稳定等技术问题。
[0005] 为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
[0006] 第一方面，本发明提供了一种螺栓拧紧力矩的确定方法，包括如下步骤：
[0007] 获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；
[0008] 依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；
[0009] 根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定被连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；
[0010] 根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数；
[0011] 综合最小预紧力Fk、预紧力的最大限值Fpm和预紧力使用安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围；
[0012] 依据螺栓连接预紧力Fp的目标范围确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围。
[0013] 进一步的，所述最小预紧力Fk的计算公式为：
[0014] Fk＝Fkc+Fka
[0015] 式中：Fkc为被连接件之间不发生分离和滑动所需的最小夹紧力，Fka为附加力。
[0016] 进一步的，当螺栓连接受轴向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：
[0017] Fkc＝Fz
[0018] 当螺栓连接受切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：
[0019] Fkc＝Fq/μt
[0020] 当螺栓连接同时受轴向外载荷和切向外载荷的作用时，所述最小夹紧力Fkc为：
[0021] Fkc＝max(Fz，Fq/μt)
[0022] 式中：μt为被连接件之间接触面静摩擦系数；
[0023] 所述附加力Fka的计算公式为：
[0024]
[0025] 式中：kl为螺栓的刚度；kb为被连接件的刚度。
[0026] 进一步的，所述预紧力的最大限值Fpm的确定方法如下：
[0027] 依据螺栓的参数信息，计算确定所用螺栓可承受的最大预紧力Ff：
[0028]
[0029] 式中：σy为螺栓的屈服强度；As为螺纹应力截面积；dAs为螺纹应力截面积对应等效圆形截面的直径；p为螺距；μth为螺纹摩擦系数；d2为螺纹中径；
[0030] 依据被连接件的机械性能等参数，计算确定被连接件可承受的最大预紧力Fpg：
[0031] Fpg＝PGAp
[0032] 式中：PG为被连接件表面不压溃的临界应力；Ap为螺栓或螺母与被连接件表面接触面积；
[0033] 对比Ff和Fpg，取两者中的小值为该部位螺栓连接预紧力最大限值Fpm，即：
[0034] Fpm＝min(Ff，Fpg)。
[0035] 进一步的，所述螺栓连接预紧力Fp的目标范围为：
[0036] ηxFk＜Fp＜ηsFpm
[0037] 式中：ηx为预紧力下限安全系数；ηs为预紧力上限安全系数。
[0038] 进一步的，所述拧紧扭矩T范围为；
[0039]
[0040]
[0041] 式中：μkmax为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最大值，μkmin为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最小值；Dk为螺栓和被连接件接触端面的有效直径；Fpmax为预紧力Fp的最大值；Fpmin为预紧力Fp的最小值；p为螺距；μthmax为螺纹摩擦系数μth的最大值，μthmin为螺纹摩擦系数μth的最小值。
[0042] 进一步的，通过建立连接部位的有限元分析模型获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq。
[0043] 第二方面，本发明提供了一种螺栓拧紧力矩的确定装置，所述装置包括：
[0044] 外载荷获取模块，用于获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；
[0045] 最小预紧力确定模块，用于依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；
[0046] 预紧力最大限值确定模块，用于根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定被连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；
[0047] 预紧力使用安全系数确定模块，用于根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数；
[0048] 预紧力目标范围确定模块，用于综合最小预紧力Fk、预紧力的最大限值Fpm和预紧力使用安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围；
[0049] 拧紧扭矩范围确定模块，用于依据螺栓连接预紧力Fp的目标范围确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围。
[0050] 第三方面，本发明提供了一种螺栓拧紧力矩的确定装置，包括处理器及存储介质；
[0051] 所述存储介质用于存储指令；
[0052] 所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
[0053] 第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0054] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过提供一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，应用该发明能够实现螺栓拧紧力矩的精准、有效的确定，提升螺栓连接装配质量和可靠性，且综合考虑了载荷，螺栓和被连接件性能和质量等因素对拧紧力矩的影响，的确定的拧紧力矩与零部件实际性能的匹配度更高，更加精准可靠，不易出现松动失效、螺栓断裂或被连接件损坏等问题；另外，本发明在给出拧紧扭矩的同时给出预紧力，便于装配质量的综合管控；且本发明同时具备校核的功能，可以降低设计不当出现的可能性，降低生产过程损失和售后成本。
附图说明
[0055] 图1是本发明实施例一提供的一种螺栓拧紧力矩的确定方法流程图。
具体实施方式
[0056] 在工程机械行业内，螺栓装配所用的拧紧力矩主要基于国标或行标的确定，无论何种产品、哪个部位、零件性能如何，螺栓等级和规格相同时，拧紧力矩都一样，容易出现力矩和零部件实际性能不匹配，螺栓连接质量不稳定等技术问题。本发明整体上基于零件性能和载荷，的确定了一种螺栓拧紧力矩的确定装置及方法，下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0057] 实施例一：
[0058] 本发明为一种螺栓拧紧力矩的确定方法，包括如下步骤：
[0059] (1)建立连接部位的有限元分析模型，依据连接部位的实际情况对所建模型进行约束和加载，然后进行仿真计算，仿真计算完成后，利用软件的后处理程序提取连接部位各个螺栓连接的受力情况，获取该部位螺栓连接轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq的量值；
[0060] (2)依据有限元分析得到的连接部位受力情况，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk，Fk的计算方法如下：
[0061] ①计算出被连接件之间不发生分离和滑动所需的最小夹紧力Fkc，Fkc的计算方法和螺栓连接的受力情况有关，具体计算方法如下：
[0062] 当螺栓连接受到轴向外载荷Fz作用时：
[0063] Fkc＝Fz
[0064] 当螺栓连接受到切向外载荷Fq作用时：
[0065] Fkc＝Fq/μt
[0066] 式中：μt——被连接件之间接触面静摩擦系数。
[0067] 当螺栓连接同时受轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq作用时：
[0068] Fkc＝max(Fz，Fq/μt)
[0069] ②确定附加力Fka的大小：
[0070] 当外载荷作用到预紧后的被连接件上时，螺栓和被连接件会发生弹性变形，被连接件上夹紧力会下降，如下降后的夹紧力无法平衡被连接件上的外载荷，连接功能将失效。为了避免上述情况发生，需补充一个附加力Fka，用以弥补被连接件上夹紧力的损失。附加力Fka确定方法如下：
[0071]
[0072] 式中：kl——螺栓的刚度；kb——被连接件的刚度(螺栓和被连接件的刚度可通过理论计算或试验的方法获得，已有公开资料进行详细说明，故在此不详细介绍)。
[0073] ③依据前述①和②的分析结果，确定螺栓连接不发生失效所需的最小预紧力Fk：
[0074] Fk＝Fkc+Fka
[0075] (3)根据所用螺栓和被连接件的性能、参数等信息，计算确定该部位螺栓连接预紧力最大限值Fpm。Fpm的确定方法如下：
[0076] ①通过测量、查标准等手段确定螺栓规格尺寸、机械性能、螺纹摩擦系数等参数，计算确定所用螺栓可承受的最大预紧力Ff：
[0077]
[0078] 式中：σy——螺栓的屈服强度；As——螺纹应力截面积；dAs——螺纹应力截面积对应等效圆形截面的直径；p——螺距；μth——螺纹摩擦系数；d2——螺纹中径。
[0079] ②采用试验测试、查资料等手段确定被连接件表面不发生压溃时可承受的最大压应力，计算出螺栓(或螺母)与被连接件表面接触面积，通过下式确定被连接件所能承受的最大预紧力Fpg：
[0080] Fpg＝PGAp
[0081] 式中：PG——被连接件表面不压溃的临界应力；Ap——螺栓或螺母与被连接件表面接触面积。
[0082] ③对比Ff和Fpg，取两者中的小值为该部位螺栓连接预紧力最大限值，即：
[0083] Fpm＝min(Ff，Fpg)
[0084] (4)根据生产现场所用工具的控制精度、连接安全要求，确定预紧力安全系数。综合预紧力的许用范围和安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围。
[0085] ηxFk＜Fp＜ηsFpm
[0086] 式中：ηx——预紧力下限安全系数；ηs——预紧力上限安全系数。
[0087] 预紧力安全系数包括下限安全系数ηx和上限安全系数ηs，一般情况下两者成倒数关系，安全系数的选取与装配工具的精度、设计安全余量等均有关。
[0088] 当上式确定的区间范围较大时，可进一步的从上式确定的范围中截取一段，作为螺栓装配时预紧力Fp的目标范围。若计算发现ηsFpm＜ηxFk，说明现有设计不能满足要求，易出现连接失效问题，可通过增加螺栓数量、提高螺栓等级或增大螺栓尺寸等手段进行改进。如果采用增加螺栓数量的改进手段，需依据本方法重新进行设计计算；如果采用增大螺栓尺寸或提高螺栓等级的改进手段，则可以从步骤(2)中确定所需的附加力Fka的值开始重新进行设计计算。若是Fp的范围没问题，直接进行下一步。
[0089] (5)依据步骤(4)中确定的预紧力Fp的目标范围，基于拧紧扭矩和预紧力之间关系，确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围，拧紧扭矩T范围的确定方法如下式：
[0090]
[0091]
[0092] 式中：μkmax为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最大值，μkmin为螺栓和被连接件接触端面的摩擦系数μk的最小值；Dk为螺栓和被连接件接触端面的有效直径；Fpmax为预紧力Fp的最大值；Fpmin为预紧力Fp的最小值；p为螺距；μthmax为螺纹摩擦系数μth的最大值，μthmin为螺纹摩擦系数μth的最小值。
[0093] 至此，螺栓拧紧力矩设计结束，依据设计结论进行装配工艺参数的的确定和装配过程质量的监控。
[0094] 实施例二：
[0095] 本发明实施例二还提供了一种螺栓拧紧力矩的确定装置，装置包括：
[0096] 外载荷获取模块，用于获取被连接部位螺栓连接的轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq；
[0097] 最小预紧力确定模块，用于依据轴向外载荷Fz和切向外载荷Fq，计算确定螺栓连接所需的最小预紧力Fk；
[0098] 预紧力最大限值确定模块，用于根据所用螺栓和被连接件的参数信息，计算确定被连接部位螺栓连接预紧力的最大限值Fpm；
[0099] 预紧力使用安全系数确定模块，用于根据装配现场所用拧紧工具的控制精度及连接安全的要求，确定预紧力使用安全系数；
[0100] 预紧力目标范围确定模块，用于综合最小预紧力Fk、预紧力的最大限值Fpm和预紧力使用安全系数，确定螺栓连接预紧力Fp的目标范围；
[0101] 拧紧扭矩范围确定模块，用于依据螺栓连接预紧力Fp的目标范围确定螺栓装配所采用的拧紧扭矩T的范围。
[0102] 实施例三：
[0103] 本发明实施例三还提供了一种螺栓拧紧力矩的确定装置，包括处理器及存储介质；
[0104] 存储介质用于存储指令；
[0105] 处理器用于根据指令进行操作以执行根据上述的任一项方法的步骤。
[0106] 实施例四：
[0107] 本发明实施例四还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的任一项方法的步骤。
[0108] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0109] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0110] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0111] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0112] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
