螺栓連接系統的預緊力測試傳感器

王銳鋒　王建兵

摘 要：為了準確測量螺栓連接系統的預緊力，設計制作了一種螺栓預緊力測量的簡易傳感器，通過對其標定及不斷改進后，此傳感器能夠穩定、準確地測量螺栓連接系統的預緊力，從而幫助設計人員對高強螺栓連接的連接強度進行有效評估，保證螺栓連接結構安全、可靠。

關鍵詞：高強螺栓；力傳感器；螺栓預緊力測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.257

1 前言

在高速列車上大量使用著高強螺栓連接副。高強螺栓連接的一個重要指標是預緊力，預緊力的大小決定了高強螺栓的承載能力。

目前高速列車生產過程中，最常見的螺栓預緊方式為扭矩控制法。由于扭矩扳手誤差、螺紋之間以及螺栓頭或螺母支撐面的摩擦系數分散等因素，按照給定的擰緊力矩進行螺栓預緊時預緊力大小會存在一定的分散。根據德國工程師協會標準VDI 2230，螺栓預緊力的分散可達+/-28%左右。而且由于材料的蠕變、連接表面壓潰等原因，預緊力在一定的時間會逐漸下降。為了確保螺栓預緊力能夠滿足結構設計要求，除了進行理論計算校核，對螺栓預緊力進行實際測量也是必要的。

螺栓預緊力的測量可以通過測量擰緊力矩及螺紋間及螺栓頭或螺母支撐面的摩擦系數進行計算間接得到，也可借助各種傳感器對預緊力進行直接測量。而摩擦系數的測定比較困難，而且摩擦系數的分散值較大，故在實際測量中不采用此方法，而采取后者來測量預緊力。

直接測量螺栓預緊力的方式中目前較流行主要包括：采用壓力傳感器、高精度的百分表，或者在螺栓內部布置應變片等方法。

在實際生產中，由于螺栓連接方式及空間的限制、接觸表面不平整、以及在螺栓連接系統中實際存在著拉、彎、扭的組合變形。而市面上常見的傳感器往往由于不能消除螺栓彎、扭導致的應變而產生較大的誤差，這一點需要在實際測量中特別引起注意。

本文根據生產實際需要，設計自制了一種簡易的預緊力測量傳感器，通過不斷地改進，使得傳感器在適應實際連接方式要求的前提下，最大程度地減少螺栓彎、扭及不平度對預緊力測量造成的誤差，能夠對螺栓預緊力進行準確有效的測量，從而幫助設計人員對高強螺栓連接的連接強度進行有效評估，保證螺栓連接結構安全、可靠。

2 傳感器設計

2.1 典型螺栓連接結構及受力分析

典型的螺栓連接結構如圖1所示，螺栓在擰緊的過程中，在產生預緊力FY的同時，在周向上會產生扭矩MY，同時由于接觸表面的平面度誤差以及連接件的周向剛度不對稱等因素又會產生相應的彎矩MX及MZ。

2.2 傳感器設計

傳感器主要由套管和應變片組成，根據待測的螺栓連接系統確定套管的尺寸及材料。待測螺栓規格為M16，等級為8.8級。套管內徑確定為17mm；為保證套管粘貼應變片的位置獲得較大并均勻的應變，外徑設定為23mm；為確保傳感器套管在測量過程不致發生破壞，套管材料選取合金結構鋼42CrMo；為了不改變被測螺栓連接長度以避免連接系統的剛度發生較大變化，套管的長度確定為30mm。

根據2.1分析，為準確測得螺栓的預緊力，就必須消除彎矩和扭矩對傳感器帶來的影響。因此應變片采用全橋的接法，R1和R4相隔180度，且在展開圖上相互垂直。這樣，彎矩、扭矩在應變片R1和R4上產生的應變將相互抵消，而僅保留均布壓力產生的應變，從而消除了彎矩和扭矩對傳感器的影響。

同時，為了消除環境溫度的影響，在電路中增加了溫度補償片R2、R3。試驗采用5mm的小應變片，應變片布置方式如圖2所示。

此電路圖的測量公式為：

其中：

εc，預緊力F作用下，在R1和R4上測得的應變；

εn，扭矩T作用下，在R1和R4上測得的應變；

εb，彎矩M作用下，在R1和R4上測得的應變；

εt，溫度變化，導致R1、R2、R3和R4上測得的應變。

2.3 傳感器標定

制作完成的傳感器需要對其進行標定，如圖3所示，以確定壓力與應變的對應關系。為保證傳感器測試準確，壓力和應變標定結果必須呈線性關系，而且不受其他作用力的干擾，讀數穩定、重復性良好。

3 傳感器設計方案改進

3.1 初次標定結果及分析

在標定過程中發現，傳感器的放置方位對應變值影響很大，重復性非常差，需要對傳感器進行改進。

通過分析認為導致傳感器重復性差的主要原因可能是套筒兩端不平整或加載工裝不平整而使作用的力不均布。通過在兩端增加尼龍墊片，如圖4，消除邊界不平整的影響。再次進行試驗時發現，在兩端有尼龍墊的情況下，標定非常穩定，這就確定了邊界不平整引起的集中力是影響傳感器的主要原因。

3.2 傳感器改進

通過對套筒在集中力作用下得應變場分析，如圖5，最終確定采用沿圓周均布8個十字交叉應變片的方案。改進后的傳感器電路如圖6所示。

再次標定試驗的結果表明，傳感器的放置方位對結果的影響明顯減少，壓力與傳感器應變線性關系穩定、重復性良好。

圖7給出了采用八組應變片方案的測試結果，作為對比同時給出了采用初始的二組應變片方案的測試結果。每種方案分別測試不同放置角度下（分別繞套筒軸線旋轉15°）的載荷和電壓曲線。從圖中可以看出，采用八組應變片方案與二組應變片方案相比，其測試數據具有更好的線性關系和可重復性，滿足標定的要求。

4 預緊力實際測量

采用預緊力傳感器對高速列車的高強螺栓進行實際測量，如圖8所示，測試結果非常穩定，多次測量結果相差較小，與根據標準VDI2230理論計算的預緊力結果吻合較好。標定完成后的傳感器方可用來測量螺栓預緊力，測量時將傳感器安裝在螺栓連接之間，按照裝車操作規程預緊螺栓，通過讀取應變片的讀數確定螺栓預緊力的大小。

5 結論

通過對螺栓預緊力傳感器的設計、制作，并進行不斷地試驗及改進，減少及消除了各種影響傳感器準確性的因素。使預緊力傳感器能夠在實際生產中進行準確有效的測量。幫助設計人員對高強螺栓安全進行有效評估，保證高速列車的安全運行。

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