螺栓連接系統(tǒng)的預(yù)緊力測(cè)試傳感器

王銳鋒　王建兵

摘 要：為了準(zhǔn)確測(cè)量螺栓連接系統(tǒng)的預(yù)緊力，設(shè)計(jì)制作了一種螺栓預(yù)緊力測(cè)量的簡(jiǎn)易傳感器，通過對(duì)其標(biāo)定及不斷改進(jìn)后，此傳感器能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量螺栓連接系統(tǒng)的預(yù)緊力，從而幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)高強(qiáng)螺栓連接的連接強(qiáng)度進(jìn)行有效評(píng)估，保證螺栓連接結(jié)構(gòu)安全、可靠。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)螺栓；力傳感器；螺栓預(yù)緊力測(cè)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(qiáng)螺栓連接副。高強(qiáng)螺栓連接的一個(gè)重要指標(biāo)是預(yù)緊力，預(yù)緊力的大小決定了高強(qiáng)螺栓的承載能力。

目前高速列車生產(chǎn)過程中，最常見的螺栓預(yù)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(shù)分散等因素，按照給定的擰緊力矩進(jìn)行螺栓預(yù)緊時(shí)預(yù)緊力大小會(huì)存在一定的分散。根據(jù)德國(guó)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2230，螺栓預(yù)緊力的分散可達(dá)+/-28%左右。而且由于材料的蠕變、連接表面壓潰等原因，預(yù)緊力在一定的時(shí)間會(huì)逐漸下降。為了確保螺栓預(yù)緊力能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，除了進(jìn)行理論計(jì)算校核，對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)際測(cè)量也是必要的。

螺栓預(yù)緊力的測(cè)量可以通過測(cè)量擰緊力矩及螺紋間及螺栓頭或螺母支撐面的摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算間接得到，也可借助各種傳感器對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行直接測(cè)量。而摩擦系數(shù)的測(cè)定比較困難，而且摩擦系數(shù)的分散值較大，故在實(shí)際測(cè)量中不采用此方法，而采取后者來測(cè)量預(yù)緊力。

直接測(cè)量螺栓預(yù)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(nèi)部布置應(yīng)變片等方法。

在實(shí)際生產(chǎn)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(tǒng)中實(shí)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(dǎo)致的應(yīng)變而產(chǎn)生較大的誤差，這一點(diǎn)需要在實(shí)際測(cè)量中特別引起注意。

本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)自制了一種簡(jiǎn)易的預(yù)緊力測(cè)量傳感器，通過不斷地改進(jìn)，使得傳感器在適應(yīng)實(shí)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(duì)預(yù)緊力測(cè)量造成的誤差，能夠?qū)β菟A(yù)緊力進(jìn)行準(zhǔn)確有效的測(cè)量，從而幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)高強(qiáng)螺栓連接的連接強(qiáng)度進(jìn)行有效評(píng)估，保證螺栓連接結(jié)構(gòu)安全、可靠。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 典型螺栓連接結(jié)構(gòu)及受力分析

典型的螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺栓在擰緊的過程中，在產(chǎn)生預(yù)緊力FY的同時(shí)，在周向上會(huì)產(chǎn)生扭矩MY，同時(shí)由于接觸表面的平面度誤差以及連接件的周向剛度不對(duì)稱等因素又會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彎矩MX及MZ。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器主要由套管和應(yīng)變片組成，根據(jù)待測(cè)的螺栓連接系統(tǒng)確定套管的尺寸及材料。待測(cè)螺栓規(guī)格為M16，等級(jí)為8.8級(jí)。套管內(nèi)徑確定為17mm；為保證套管粘貼應(yīng)變片的位置獲得較大并均勻的應(yīng)變，外徑設(shè)定為23mm；為確保傳感器套管在測(cè)量過程不致發(fā)生破壞，套管材料選取合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo；為了不改變被測(cè)螺栓連接長(zhǎng)度以避免連接系統(tǒng)的剛度發(fā)生較大變化，套管的長(zhǎng)度確定為30mm。

根據(jù)2.1分析，為準(zhǔn)確測(cè)得螺栓的預(yù)緊力，就必須消除彎矩和扭矩對(duì)傳感器帶來的影響。因此應(yīng)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(yīng)變片R1和R4上產(chǎn)生的應(yīng)變將相互抵消，而僅保留均布?jí)毫Ξa(chǎn)生的應(yīng)變，從而消除了彎矩和扭矩對(duì)傳感器的影響。

同時(shí)，為了消除環(huán)境溫度的影響，在電路中增加了溫度補(bǔ)償片R2、R3。試驗(yàn)采用5mm的小應(yīng)變片，應(yīng)變片布置方式如圖2所示。

此電路圖的測(cè)量公式為：

其中：

εc，預(yù)緊力F作用下，在R1和R4上測(cè)得的應(yīng)變；

εn，扭矩T作用下，在R1和R4上測(cè)得的應(yīng)變；

εb，彎矩M作用下，在R1和R4上測(cè)得的應(yīng)變；

εt，溫度變化，導(dǎo)致R1、R2、R3和R4上測(cè)得的應(yīng)變。

2.3 傳感器標(biāo)定

制作完成的傳感器需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，如圖3所示，以確定壓力與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為保證傳感器測(cè)試準(zhǔn)確，壓力和應(yīng)變標(biāo)定結(jié)果必須呈線性關(guān)系，而且不受其他作用力的干擾，讀數(shù)穩(wěn)定、重復(fù)性良好。

3 傳感器設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

3.1 初次標(biāo)定結(jié)果及分析

在標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)，傳感器的放置方位對(duì)應(yīng)變值影響很大，重復(fù)性非常差，需要對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)。

通過分析認(rèn)為導(dǎo)致傳感器重復(fù)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在兩端有尼龍墊的情況下，標(biāo)定非常穩(wěn)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(jìn)

通過對(duì)套筒在集中力作用下得應(yīng)變場(chǎng)分析，如圖5，最終確定采用沿圓周均布8個(gè)十字交叉應(yīng)變片的方案。改進(jìn)后的傳感器電路如圖6所示。

再次標(biāo)定試驗(yàn)的結(jié)果表明，傳感器的放置方位對(duì)結(jié)果的影響明顯減少，壓力與傳感器應(yīng)變線性關(guān)系穩(wěn)定、重復(fù)性良好。

圖7給出了采用八組應(yīng)變片方案的測(cè)試結(jié)果，作為對(duì)比同時(shí)給出了采用初始的二組應(yīng)變片方案的測(cè)試結(jié)果。每種方案分別測(cè)試不同放置角度下（分別繞套筒軸線旋轉(zhuǎn)15°）的載荷和電壓曲線。從圖中可以看出，采用八組應(yīng)變片方案與二組應(yīng)變片方案相比，其測(cè)試數(shù)據(jù)具有更好的線性關(guān)系和可重復(fù)性，滿足標(biāo)定的要求。

4 預(yù)緊力實(shí)際測(cè)量

采用預(yù)緊力傳感器對(duì)高速列車的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，如圖8所示，測(cè)試結(jié)果非常穩(wěn)定，多次測(cè)量結(jié)果相差較小，與根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230理論計(jì)算的預(yù)緊力結(jié)果吻合較好。標(biāo)定完成后的傳感器方可用來測(cè)量螺栓預(yù)緊力，測(cè)量時(shí)將傳感器安裝在螺栓連接之間，按照裝車操作規(guī)程預(yù)緊螺栓，通過讀取應(yīng)變片的讀數(shù)確定螺栓預(yù)緊力的大小。

5 結(jié)論

通過對(duì)螺栓預(yù)緊力傳感器的設(shè)計(jì)、制作，并進(jìn)行不斷地試驗(yàn)及改進(jìn)，減少及消除了各種影響傳感器準(zhǔn)確性的因素。使預(yù)緊力傳感器能夠在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行準(zhǔn)確有效的測(cè)量。幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)高強(qiáng)螺栓安全進(jìn)行有效評(píng)估，保證高速列車的安全運(yùn)行。

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