超聲螺栓副預緊力測量-智能螺母...

作者:Jason, 北京艾法斯特公司; 陈维良,中国航天标准化院紧固件中心;

1、目前超聲軸力測量中存在的問題

通過在螺栓頭部發射超聲波、螺栓底部反射超聲的方式測量聲時差,建立螺栓軸力VS聲時差的關系,是目前超聲螺栓軸力測量的基本方法。但是,對于某些異型螺栓,由于不存在螺栓底部的反射面,譬如:U型螺栓,見圖1,通常使用的超聲螺栓軸力測量的方法便失效了。

图1 U型螺栓

2、超聲測量螺母壓縮量的原理

??通過在螺母端面粘貼壓電陶瓷片,使得超聲波在螺母壁內傳播,利用螺母底部的反射面,測量螺栓緊固時的螺母壓縮量(聲時差),參見圖2,可以獲得螺栓副預緊力VS螺母壓縮量(聲時差)的關系,進而在實際工件上對U型螺栓進行螺栓預緊力測量。

图2 超声测量螺母压缩量(声时差)

1、數據及分析

在拉力機上對螺栓副(M30螺栓的螺母)施加拉力(100、200、300、400kN),分別拆卸螺母5次進行試驗,對均布在螺母上6個測量點進行螺母壓縮量測量,並且累加所有測量點的聲時差。使用統計上累加的方式是爲了降低螺母在緊固時其變形不均勻導致的測量誤差。

表一 5次拆装螺栓、螺母的试验数据

表二 螺母压缩量统计累加值

图3 螺母压缩声时差VS螺栓轴力(X轴为声时差,单位纳秒,数值为绝对值;Y轴为拉力机拉力,单位kN)

通過以上數據可以得出:

  • 螺母壓縮量(聲時差)和螺栓副所受拉力爲線性關系;

2、3、4、5次試驗數據重複性良好,但與1次試驗數據有所離散,但高量程數據均比較接近;其中原因可能爲:第一次試驗准備工作有所不足,導致工裝初始狀態有所不同,須做更多試驗加以驗證。

4、初步結論

對于沒有有效反射面的異型螺栓,如:U型螺栓,對其螺母進行預緊力VS壓縮量(聲時差)標定,使得針對此種異形螺栓在實際工件中進行超聲波螺栓軸力測量成爲可能。

5、未來工作方向

  • 嘗試針對小規格螺栓的螺母進行標定,須使用高頻率的壓電陶瓷片(10MHz);

  • 嘗試對屈服點法緊固的螺母進行標定,以觀察在螺栓屈服點後預緊力VS螺母的壓縮量是否還爲線性。

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