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螺栓张拉和扭拉法对iBolt系统测量影响

发布时间:2018-09-21   来源:艾法斯特   作者:常明亮  

  1.1实验目的

  (1) 介绍iBolt智能螺栓系统标定和测量使用方法;

  (2) 验证iBolt智能螺栓系统使用张拉法标定,在扭拉工作状态下的测量精度;

  1.2实验原理

  螺栓在自由状态下,螺栓内部不存在预紧力,而螺栓在紧固状态下,由于预紧力的作用,螺栓将发生形变,因此此时螺栓的变形量为ΔL,iBolt智能螺栓系统依据ΔL与预紧力F之间的数学关系,计算得到预紧力F,该数学关系如下:

(1)

  其中,F为螺栓的预紧力;E为螺栓材质的弹性模量;S为螺栓截面积;ΔL 为螺栓的变形量;L为螺栓副的装夹长度。依据公式(1),智能螺栓系统依据ΔL计算得到当前智能螺栓的预紧力F。

  智能螺栓系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。螺栓在自由状态下,发射和接收电信号之间的时间差为T0,螺栓在紧固状态下,螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1,由此依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系,得到螺栓的变形量,式中v为机械纵波在螺栓内的传播速度,最终由智能螺栓系统依据ΔL并结合公式(1)可得到当前状态下的智能螺栓的预紧力。智能螺栓系统测量原理示意图参见:图2.1

图2.1iBolt智能螺栓系统测量原理

  超声波波速随应力状态改变而变化的现象,称为声弹性现象。这种现象不论在弹性范围还是在非线性应力-应变范围均存在。[1]当材料内部的原子通过压应力被压在一起时,实验表明弹性模量变大了,而当原子受拉应力被拉开时,弹性模量变小了,这些情况表明,应力和应变之间的关系是非线性的。当超声波在一块受应力作用的材料内部传播时,应力和应变对于超声波速度的影响将随着弹性常数E的变化而变化。实验表明,无论在材料的弹性范围内还是非线性范围内,超声波的波速变化与应力的大小呈线性关系[2]。

  基于此原理同一批次的螺栓,可以从中抽取一根进行标定,来获取只与材质相关的应力补偿系数(超声波波速变化和应力的之间的线性系数)。然后同批次的其他螺栓即可以使用该系数进行应力的修正,进而计算出正确的伸长量和预紧力。

  第二部分  实验材料和设备

  M12x135mm(10.9级)螺栓细牙(1.25)螺纹16支;

  iBolt智能螺栓测量系统一台;

  万能拉伸试验机(0.5%测量精度)一台;

  第三部分  实验步骤

  3.1张拉法获取10.9级材料应力补偿系数

  (1) 建立BQ分组,材料选择10.9级,选择1#螺栓进行试验;

  (2) 使用万能拉伸试验机阶梯加载10-20-30-40-50kN的力,每阶段保载20s;

  (3) 记录每个阶段超声波读取的预紧力,形成一个预紧力张拉输出力-超声波测量力标定表;

  (4) 将(3)中形成的标定表输入到iBolt智能螺栓系统,材质参数10.9级的BQ分组中,有效应力截面积使用M12细牙螺纹查表得92.1mm^2,系统根据得到的应力标定表,自动计算应力补偿系数应用到BQ分组;

  3.2张拉法测量BQ分组的另外4支螺栓

  (1)使用万能拉伸试验机阶梯加载10-20-30-40-50kN,每阶段保载20s,并测量计算2#螺栓的预紧力数据;

  (2)同(1)的方法继续测量3#、1#窄头、6#窄头螺栓;

  3.3扭拉法测量BQ分组的另外2支螺栓

  (1)在万能拉伸试验机上使用力矩扳手动拧紧至10-15-20-25-30-35kN,并测量计算4#螺栓的预紧力数据;

  (2)同(1)的方法继续测量5#螺栓;

图3.1 扭拉法操作实拍

 

  第四部分  结果数据

  4.3张拉法误差百分比曲线

  根据该曲线显示预紧力超50%后,iBolt测量计算误差在±3%以内。

 

  4.4扭拉法测量数据(单位kN)

 

  4.5扭拉法误差百分比曲线

  根据该曲线显示预紧力超50%后,iBolt测量计算误差在±3%以内。

  第五部分  结论和建议

  根据第四部分的数据结果可以得到以下两个结论:

  (1) 在螺栓弹性段,使用拉伸法进行参数标定,拉伸法和扭拉法下预紧力超50%后超声波测量的误差百分比都能控制±3%以内。

  (2) 扭拉和张拉的方法进行螺栓的装配,不会影响超声波方法测量的精度。

  因此在实际使用超声波法进行测量时,第一步既可以采用万能拉伸试验机,也可以采用摩擦系数试验机或扭拉试验机的方法进行标定,两种方法都不影响超声波法的测量精度。

      主要参考文献

  【1】    王寅观. 声弹性法及其应力测量的超声技术.  同济大学学报,1996:13-15

  【2】    MarkE. Froggatt and Sidney G. Allisom. Interrupted ultrasonic bolt load measurementsusing the PPLL system. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,VOL. 45. NO.1, FEBRUARY 1996:112-116

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