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兹懋(Zmart)是德国Kistler Remscheid (原Schatz)、德国AFS先进连接技术研究所驻中国全权代表机构,由兹韦克中国出资设立,具有德资企业背景,总部设立于上海,与华测检测在上海设有紧固连接技术共建实验室。

智慧紧固

致力于引进先进的紧固装配设计、测试验证技术,助力中国智能设计、 制造。 专业提供紧固连接全寿命周期的软、硬件产品及服务。

智慧光学

兹懋智能光学尺寸测量扎根于为紧固件、带钢、螺纹钢、圆钢提供整体解决方案,螺纹钢作为工业基础,民生基调,全自动智能光学钢筋检测系统突破传统检测,为高精尖智能制造夯实基础​。

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摩擦系数试验机

螺栓和螺母在安装过程中的质量特性对于螺栓连接的质量具有直接影响。功能测试是用于组装过程的最重要的分析方法。它确定紧固零件的机械特性和功能,从而保证其质量。同时确定摩擦系数、预紧力和扭矩。并在这个过程中遵守国际标准,以及尽可能真实地模拟使用条件。

模拟装配试验系统

在装配试验中要求所得到的试验结果必须没有任何"伪证据”-特别的是:如果所需试验部件上的紧固件,其位置就是实际安装条件,这种试验具有想当的挑战性。

横向振动试验台

横向振动测试试验台配有可调节振幅的驱动装置,用于横向载荷的力值传感器,高精度位移传感器以及可根据螺栓尺寸更换的测量夹紧力和螺纹摩擦力的传感器。 振动试验时将试验产品按照实际施工工艺安装到试验台上,通过Kistler软件设定试验条件,如试验频率、振幅。试验系统将实时监测并记录您所关心的夹紧力的衰减、横向推力大小、螺纹扭矩等数据。 横向振动测试过程中的振幅和频率等信息由测量和控制单元来控制。

螺纹装配工具测试系统

为了在现代化的工业生产过程中实现可靠的螺栓连接,可靠的拧紧枪是至关重要的。不仅必须在组装前对拧紧枪进行标定和认证,而且在组装过程中也必须反复检测。目的是保证连续高性能,以便实现最佳的组装效果和满足既定的标准。

超声轴力测试分析系统

不同于普通超声设备,Kistler 超声波轴力分析测试系统 可以对拧紧全过程进行数字采集 对螺栓进行短期或长期轴力监控 配合Kistler拧紧设备使用德国专业紧固件分析测试软件TestXpert ®进行和过程分析

智慧紧固扳手

无论是软连接拧紧点,还是硬连接拧紧点,我们在完成拧紧过程后,扭矩都是出现不同程度的衰减,如何找到残余扭矩&如何找到残余轴力成为了每个拧紧工艺工程师迫切希望解决的问题。 检测残余扭矩值需要有好的工具,才能保证检测结果的可靠性和重复性。 KISTLER的新一代智能扳手 Inspector具备完善的残余扭矩测试功能 内置了多种不同的测试方式可以根据客户需求自定义检测模式。

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Imess

Imess 是一家独立的激光和光学相机检测设备的制造商,自1998年以来Imess团队解决了光学质量保证方面的苛刻的检测任务,并开发了创新的检测技术,以支持您的生产线实现高效高产和高质量质量的水平。

ECM全自动螺栓尺寸测量仪

源自德国,为不同行业紧固件外形尺寸测量而开发的全自动光学螺栓尺寸测量仪。此设备的能够自动测量螺钉,螺栓等回转体样件的几何形状。无论放置于现场或是实验室,该设备都能大幅集成常规测量手段,提高测量效率。测量大数据的便捷管理模式将成为紧固件企业质量飞跃的可靠选择。

全自动钢筋形貌尺寸测量仪

兹懋智能光学尺寸测量扎根于为紧固件、带钢、螺纹钢、圆钢提供整体解决方案,螺纹钢作为工业基础,民生基调,全自动智能光学钢筋检测系统突破传统检测,为高精尖智能制造夯实基础. 突破传统的手工离线测量,多种量具切换,且数据得不到有效保存和追溯等测量过程的痛点,打造全新智能光学检测的新场景。 全自动智能光学钢筋尺寸检测系统(RM)能够通过内置丰富钢筋检测标准对各类型的带肋钢筋的横肋纵肋,宽度,高度等尺寸在多场景下进行精密且快速的测量,开发的数据接口可以使测试数据进行多方式的共享和导出
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连载二 l 螺纹连接计算,你考虑非线性和偏差了吗?


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发布时间:2020-07-09 13:04

 
 
 
 
上一期考虑非线性和偏差的螺纹紧固系统的工程计算连载之(一)》我们介绍了:

1、产品全寿命周期中螺栓连接

2、预紧力历程

 

本次我们来聊一聊装配偏差

 
 
 
 

 

 

1
拧紧方法

 

众所周知,紧固方法直接决定了装配后的预紧偏差。通常来说,扭矩控制的拧紧程序产生的拧紧系数(最大和最小拧紧预紧力之间的比率αA=Fp0max/Fp0min)在α=1.4-1.6-2.0-2.5的范围内。有些拧紧方法存在较小预紧力偏差,有些拧紧方法存在较大的预紧力偏差。

 

图3就是对这种影响的说明。在图3上图中,浅色条显示产生的扭矩水平和偏差,而深色条则显示产生的预紧水平和偏差,图中根据给定的螺栓连接型号和五种不同精度的拧紧方法计算得出。
 

 


根据上图结果,在下图中计算出两个无量纲值,即屈服强度利用系数和预加载偏差系数(拧紧系数αA)。规定的拧紧方法越好,预紧偏差系数越趋向于1.0,这意味着初始拧紧最大和最小预紧力Fp0max、Fp0min几乎相同,从而确保在任何时候都能够超过最小极限。

应该强调的是,图3中的全部信息都是计算出来的,不需要任何实验结果,而是一个综合性的计算工具,它可以考虑偏差,并且可以处理过弹性拧紧。
 
由此得出的中间结论是,
如果Fpmin和Min-limit在寿命期内没有显著差异,则必须准确地知道预紧力偏差。这对于采用传统螺栓设计中的其他系统也是有效的,如预紧力的安全系数或外力的引入系数等。

 

 
2
 
CFRP构件的紧固

 

碳纤维增强塑料(CFRP)是一种极轻复合材料,其强度-重量比较高。同时,碳纤维增强塑料还可用于飞机、汽车、风力发电厂的系列化生产以及高速加工中心或自动化零部件的生产。

因此,如果这些材料能够便于安装、维护和修理,就能有越来越多的应用。在大多数情况下,主要还是使用螺纹紧固件连接。由于已建立的螺栓连接的设计标准没有涉及这种紧固系统,因此,CFRP与其他材料组合的紧固性能比较情况是很有帮助的。有了这些信息
,每个人都可以检查与CFRP相关的设计的螺丝是否正确。

为了研究这个问题,螺栓连接已经在一个扭矩测试台上进行了测试,使用的是钢的承载板(符合DIN EN ISO 16047)和CFRP(碳纤维板,碳纤维东丽T300(0°/90°)的双向性能材料,8.0 mm板厚,环氧树脂基体,沿着纤维方向弹性模量Ep1约8000 MPa)。

除了用钛螺母固定的钛螺钉外,其他配对组合每个试验都使用了镀锌钢螺母。所有试验都在没有使用额外润滑的情况下进行;将螺钉拧紧到Fp = 20kN的固定水平,以直接比较不同的螺钉材料下的预紧力情况(AL9铝螺栓通过其Rm = 400mpa的低强度限制了较小预紧力水平)。

在图4中显示了两种支撑材料的拧紧图(斜率为预紧力Fp除以总拧紧力矩T),其中图(a)为钢支撑板和图(b)碳纤维增强塑料支撑板。这些图指的是总体的装配行为;它们说明
为了产生一定的预紧力Fp这个总拧紧扭矩Ttot是非常重要的
 


例如,在图4 (a)的上图的,Ttot = 30Nm的拧紧力矩为钢支撑板的预紧力Fp = 15kN。很明显,所有的螺栓材料和配对组合提供了几乎相当相同的预紧力(这意味着这些组合之间几乎是具有相同的总摩擦系数;每个预紧力时候摩擦系数可能不同;像头部摩擦系数µh表示两个预紧力5 kN和 15 kN就是不同的;这就需要必须更详细地评估组件之间的接触)。

图4上图中曲线的线性特性显示了在不同摩擦范围内表面处理涂层的螺栓的装配特性。扭矩-夹紧力非常相似特性的三个螺丝(镀锌镍、AL9、10.9级锌铝涂覆)显示了一个总摩擦系数µtot总是在相同的范围(µtot = 0.14),而头部摩擦则存在稍许不同(µh见图4)。

图4下图中的装配曲线(由CFRP制成的支撑板部分)显示了完全不同的行为。曲线的范围很广。对于Fp的目标预加载=20KN,扭矩在Ttot=19.5和Ttot=55Nm之间。锌铝涂覆涂层钢螺钉的头部摩擦系数μh较低。镀锌镍涂层螺钉由于总摩擦系数较高,与使用钢支承板相比,需要更高的总扭矩。非润滑的钛螺钉超过了它,显示出最大的摩擦力。因此,在这种情况下,可以在支撑板中观察到由于拧紧而产生的最严重的凹槽。

应该提到的是,在拧紧过程中,摩擦系数会发生变化,这会导致粘滑效应。试验表明,非金属轻质材料的紧固性能与传统金属完全不同。即使是表面涂层,设计用于在钢板试验时将摩擦系数保持在特定范围内,但是在使用实际用非金属轻质材料时也会有显著差异。其原因是部件接触中的短时摩擦学变化。
 

 

 
3
用冲击扳手拧紧

 

冲击式拧紧装置使用的拧紧方法与使用连续扭矩进行旋转完全不同。许多脉冲能量代替了连续转矩。如果测量每个能量的扭矩峰值,控制脉冲数和随时间变化的梯度,则可以精确拧紧。但对于这一点,需要在设备能力和拧紧过程质量方面做出大量努力。

冲击式脉冲扳手拧紧优点是拧紧速度快,无反应拧紧,与扭矩装置相比,冲击装置的重量较轻;缺点是必要的液压基础结构,拧紧时噪音大,为精确拧紧需要付出更大的努力。

冲击扳手的冲击装置在很短的时间内(见图5中的上小图)传递高扭矩。这个扭矩峰值不仅需要拧紧螺钉,而且还必须克服旋转部件加速时的惯性矩(螺钉必须旋转)。
 


图6的主要图是对从冲击装置到螺钉(驱动延伸)的零件质量惯性矩的简单近似。在主示意图中,冲击扳手和螺母之间的驱动延伸直径dS发生了变化,这显著改变了电机扭矩TM和总拧紧扭矩Ttot(拧紧螺钉)之间的相对偏差。

这意味着,如果同一个冲击扳手与另一个驱动加长杆一起使用,则螺钉的拧紧力矩Ttot不相同。这仅仅通过一个例子,强调了冲击扳手需要一套完善的质量管理规范。如果它们用于精确的拧紧程序,即使技术上可行也必须按照完整的质量管理规范进行拧紧才能达到要求。
 
除了直接参考冲击扳手外,本例还有意强调,不仅拧紧方法或拧紧工具的选择,而且整个装配单元的一些配置对总拧紧力矩Ttot也会有重大影响。

 

 

4
译者点评

 

本文主要介绍了不同的拧紧方法和拧紧工具对拧紧扭矩造成的偏差,特别是对预紧力产生的影响。

本文中对于不同拧紧工具产生的拧紧系数aA知道了扭矩公差和摩擦系数范围就能通过Screw Designer Professional计算出来,省去了通过VDI2230标准来进行分析的烦恼,能够比较准确的得出相应的数值。

对于不同材料下的摩擦系数则可以通过兹懋公司的摩擦系数试验机来实测各种材料的摩擦系数范围,得出在实际材料条件下与设计要求标准条件下的摩擦系数差别。

只要充分考虑了这些装配偏差的影响,在螺栓接头计算中才能更好的反映实际情况,设计出更加符合实际情况的接头,确保设计的准确性和可靠性。

这些问题都是本文讨论的内容,该论文摘自ASME学会的的文章(2012 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition November 2012, Houston, Texas, USA)
,这种考虑公差和非线性的问题在螺栓计算过程中能够保证计算更加安全可靠,同时,有些经验参数可以通过直接计算得出,减少了一些人为的判断失误。
 

Screw Designer Professional螺栓计算软件是AFS研发的一款集数据库、非线性、偏差等功能为一体的综合性螺栓计算软件,能够计算诸如车轮螺栓(球面、锥面)的拧紧扭矩,不同拧紧方式(扭矩法、转角法、伸长量法、屈服点法等)条件下拧紧扭矩和预紧力的范围。

 

 

同时能够计算出全寿命周期内的预紧力变化,给出非常直观的最大、最小偏差下的各种安全系数值,能够使没有太多计算经验的紧固件工程师和产品工程师都会比较容易的看懂报告,存在哪些薄弱地方等。

 

通过该软件能够使你的螺栓连接计算标准化规范化,并考虑相关非线性,偏差等综合因素,确保螺栓接头设计的准确、可靠和安全。

 

 

 

 
 
敬请期待 - “终结篇”
 
 
 

 

 

 

 

关于兹懋

      作为德国领先紧固技术在中国的代言人,旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备,以及紧固连接全寿命周期的解决方案,并定期举办专业的紧固培训研讨会,深受业内好评。