基于轉角法預緊的連桿螺栓預緊力測試裝置及方法的研究

耿亮， 楊建坤， 竇樹霞

（1.中海油有限（天津）分公司，天津 300452；2.中海油能源發展油田建設工程公司，天津 300452）

0 引言

大型柴油機連桿螺栓在連接連桿大端和連桿體時，常采用初始力矩加固定轉角方法預緊，連桿螺栓在預緊過程中由于被拉長而產生變形，難以直接測量實際施加力矩的大小，例如：某連桿預緊時，初始對連桿螺栓施加50 N·m力矩，然后將其旋轉120°，本文基于電測量方法連桿螺栓在預緊過程中不同的力矩下的應變，獲取螺栓軸向力與軸向應變的關系，最終計算得到螺栓的預緊力,試驗結果為研究后期連桿螺栓預緊力對連桿工作過程中齒形的影響提供理論計算依據。

圖1 應變片的全橋電路圖

1 電測量方法原理

惠斯通電橋適用與檢測電阻的微小變化，應變片的電阻變化也可以用這個電橋來測量。而4個應變片組成的全橋電路相對于其他性質的橋路來說更穩定更可靠，而且能夠實現自動補償，全橋電路將4個應變片分別聯入4個橋臂，應變片的全橋電路圖如圖1所示，4個橋臂上的應變片電阻分別引起如 R1＋ΔR1、R2＋ΔR2，R3＋ΔR3，R4＋ΔR4的變化時，應變信號

若4枚應變片完全相同，比例常數為K，且應變分別為 ε1，ε2，ε3，ε4；則上式可以寫成下面的形式：

根據上述試驗原理與電測量試驗要求，分別對3根螺栓進行粘貼應變片。首先對連桿螺栓局部位置進行拋光打磨處理，并沿兩橫兩豎方向粘貼4個電阻應變片，搭建惠斯通全橋電路，粘貼并焊接接線端子和引出線，根據應變片的方向標記應變片序號為1、2、3、4，根據引出線的位置標記線頭為A、B、C、D，以對應應變儀接線輸入端的編號。最后在應變片和標記上涂一層透明硅膠，做好絕緣防護措施，貼好應變片的螺栓如圖2所示。

圖2 貼好應變片的螺栓

2 連桿螺栓預緊力測試裝置研制

為了能夠測試連桿螺栓預緊過程中連桿螺栓的預緊力與連桿螺栓軸向伸長量的關系，我們需要開發研制一套連桿螺栓預緊力測試裝置，該裝置的設計需要解決以下兩個問題：1）該裝置滿足試驗機裝卡要求的同時，還要保證結構強度；2）該裝置在結構盡量緊湊時能夠快速簡便裝卡，而且保留合理的布線空間和扳手空間。

根據上述要求，所設計的試驗裝置的三維模型如圖3所示，并建立三維有限元模型校核該裝置的結構強度，我們選用試驗裝置的材料為45鋼，其屈服極限σs=320 MPa，該裝置的有限元分析結果如圖4所示，最大主應力小于250 MPa，故該裝置結構安全，測試裝置與試驗用連桿螺栓實物如圖5所示。

圖3 試驗裝置的三維模型圖

圖4 試驗裝置有限元分析

3 測試方法

首先將圓柱頭套在貼好應變片的螺栓兩端，其一端以螺栓頭定位，另一端通過螺紋連接定位，然后將上下兩個圓柱套頭分別裝卡在液壓試驗機的上下卡頭處，卡緊后通過液壓試驗機施加拉力于螺栓上，在拉伸標定的過程中，在液壓機控制器處記錄液壓試驗機拉力，通過智能應變儀記錄因螺栓變形所產生的電信號，得到軸向力與電信號之間的關系。

圖5 測試裝置與試驗用連桿螺栓實物

圖6 連桿螺栓轉角測量圖

在連桿螺栓預緊過程中需要測量螺栓的轉角，在測試裝置上貼一張刻度盤，每格刻度為3°。在進行連桿螺栓預緊時首先加力矩50 N·m，到位后在螺栓上標記一個起始位置，并對齊轉角的0°，每次擰動后，記錄螺栓轉過的角度即可，連桿螺栓轉角測量圖如圖6所示。該刻度盤能夠方便粘貼在測試裝置上，并且讀數簡易，缺點就是不夠精確，單位誤差為±3°，但是其測量誤差在試驗的控制范圍內。

4 連桿螺栓軸向力與應變信號之間的關系

對3根螺栓分別貼應變片測量，為了消除偶然誤差對試驗結果的影響，每根螺栓均測量2次，在英斯郎特液壓伺服疲勞試驗機上，對螺栓施加10～150 kN的軸向拉力，單次增量為10 kN，每個增量時間為5 s，每段載荷保持時間為5 s，用智能應變儀ZSY-16B采集應變片的應變信號。測量得到的螺栓軸向力與應變信號之間的關系如圖7所示。

圖7 軸向力與電信號數據離散點分布圖

對試驗所得的離散點進行線性擬合，線性相關系數R均大于0.99，表現為高度的線性關系，確認了測試元器件和測試儀器的良好狀態，為后面的擰緊測試奠定基礎。

考慮到螺栓在標定試驗中處于單軸應力應變狀態，根據測量電橋的橋路性質，螺栓在標定時的軸向應變進行換算式中μ為泊松比。

以100 kN載荷狀態為例，此時應變信號e=3 700，則算得螺栓軸向應變

根據名義應力應變的計算方法，當連桿螺栓處于100kN的拉伸載荷狀

式中：E為楊氏模量，E=2.1×105MPa；d為貼片處螺栓直徑，d=21mm。

測量值與理論計算值的相對誤差為0.07%，證明了標定測試結果的準確性。

5 連桿螺栓測試結果分析

將螺栓預緊測試裝置卡緊在液壓伺服試驗機上，并連接智能應變儀，安裝測試裝置后將應變儀信號清零，再開始擰螺栓。將預制式力矩扳手設置為50 N·m，擰到位后，開始測量螺栓的應變，并將此時螺栓的轉角記為0°，然后采用不同量程規格的力矩扳手（70～350N·m、300～1000N·m）對螺栓分別施加100 N·m，200 N·m，…，并分別記錄擰緊力矩值、螺栓轉角，以及螺栓應變信號，直到螺栓轉角為120°為止。

根據擰緊測試得到的螺栓轉角和螺栓應變信號，以及前面所述的標定試驗中得到的軸向力與螺栓應變信號線性關系，可以計算得到螺栓軸向力和轉角的映射關系。采用Origin Professional軟件對離散數據點進行線性擬合，如圖8所示。線性相關系數R分別為R1=0.98、R2=0.99、R3=0.99，體現出較好的線性關系。

圖8 3根螺栓軸向力與轉角分布圖

從圖8可以看出，轉角與軸向力呈線性增長趨勢，而且線性度較好，表明螺栓在預緊狀態下，螺栓桿仍處于彈性范圍。根據上述測試結果的統計分析，可計算得到連桿螺栓在50 N·m，120°預緊狀態下，預緊力為175 kN。

6 結論

本文通過設計一套螺栓預緊力測試裝置，對連桿螺栓進行預緊力測試，采用應變電測量原理，測量螺栓在預緊狀態下的變形。通過對螺栓進行拉伸標定，建立軸向力和電信號之間的映射關系，然后根據標定結果對預緊測量結果進行映射轉換，得到螺栓軸向力與螺栓預緊轉角之間的關系。從標定結果和測試結果來看，均具有較好的線性度，通過計算得到在50 N·m，120°的預緊作用下，螺栓預緊力為175 kN，本文的研究結果為研究連桿螺栓預緊力對連桿嚙合齒形的影響提供了依據。

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