[发明专利]一种可以监测螺栓预紧力的垫圈

说明书

本发明是一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，该垫圈为可变形垫圈，相比于普通标准垫圈，该垫圈可放大其所受的轴向压力，便于对垫圈结构变形量的检测，然后在垫圈的表面制备四个应变敏感层(4)并连接成惠斯通单臂电桥，测量惠斯通单臂电桥的电压，用惠斯通单臂电桥的电压反映垫圈的变形量，进而得到螺栓预紧力；该种垫圈可以对螺栓预紧力进行实时监测，特别适合于在机工作的螺栓预紧力检测，能够及时发现螺栓预紧力的变化情况，对螺栓的失效进行把控和预测。另外，该种垫圈不会改变垫圈的安装形式和基本特征，同时也不会明显增加结构的整体重量和体积，这种结构与功能一体化的方法具有十分广阔的应用前景。

技术领域

本发明是一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，属于机械工程的螺栓连接领域。

背景技术

预紧螺栓连接是航空发动机多级涡轮中较为常见的连接方案。对涡轮部件进行装配时需要对螺栓施加适当的轴向预紧力，预紧力的施加是通过力矩扳手完成的，预紧力大则动载荷影响小，预紧力小则动载荷影响大。但预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，螺栓在结构工作载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂，进而会因螺栓断裂而发生事故；预紧力过小，被连接部件在工作载荷作用下会产生间隙或松动，使结构不能正常工作。另外，连接螺栓的断裂、松脱将改变结构连接刚度的连续性和一致性，改变结构整体模态，甚至导致结构解体；此外，预紧力控制不均匀，将导致连接螺栓受力不均，个别连接螺栓超过设计载荷，导致连接螺栓组整体强度下降，转子结构连接失效。所以，螺栓预紧力的准确控制关系到发动机的工作性能及寿命，研究预紧力的测试方法意义重大。

目前，国内外在连接螺栓预紧力的确定与控制方面做了不少工作，形成了常规螺栓的相关设计规范，有较为完善的确定连接螺栓预紧力的方法。根据设计规范确定的预紧力，从而进行螺栓的安装。但实际使用过程中，由于航空发动机的工作环境复杂多变，螺栓受到的外界载荷也不断发生变化，导致预紧力也会发生变化，这样螺栓发生屈服、松脱和断裂的几率增大。螺纹连接的失效则会给发动机和飞机的飞行安全造成严重威胁，因此有必要对螺纹连接的预紧力进行实时监测，从而保证航空发动机安全稳定地运行。

目前对于螺栓预紧力的控制及测量，主要有两种方法，一种是通过力矩扳手进行保证，另一种是采用超声波技术对螺栓的轴向拉伸性能进行检测。目前这两种方法都存在一些缺陷。使用力矩扳手，即使在给定扭矩下预紧，但由于螺栓与连接件间的摩擦系数差别很大，故拉伸预紧也有很大的出入。而且力矩扳手适用于长螺栓，对于长度在200mm以下的预紧精度会显著降低。超声波检测技术是通过施加超声波信号给螺栓，通过检测超声波频率或螺栓长度来检测拉伸性能。这种方法需知道无应力时螺栓的长度或频率，这对于工程上已紧固好的螺栓很难办到。而且超声波检测都是假定应力时均匀分布的单轴应力，但实际中由于螺栓结构的限制或外载荷的原因，不能保证单轴应力，这就需要一个的修正手段。而且，对于一些受弯扭力的螺栓，其精度不是想象那么高。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其目的是通过垫圈监测螺栓预紧力，而垫圈不会增加螺栓连接结构的整体重量，不会影响螺栓的正常装配。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种可以监测螺栓预紧力的垫圈，其特征在于：该垫圈的结构为以下两种之一：

第一种：垫圈的侧壁中间形成一个环状、中空的外凸1，该外凸1沿径向的截面呈“U”形，当垫圈受到轴向压力时，该“U”形外凸1的最外端处的变形较大；

第二种：在垫圈外侧壁的上部加工一个外环形槽2，在垫圈内侧壁的下部加工一个内环形槽3，当垫圈受到轴向压力时，垫圈的侧壁中间处的变形较大；