双头螺柱超声波轴力测试方法研究

时间：2024-04-24

高道团+++张畅

摘要：本论文介绍了超声波轴力测量的原理，通过对双头螺柱受力模型分析，得出双头螺柱正确的标定测量方法，然后通过实际的试验验证了这一结论

关键词：超声波；轴力；双头螺柱；测量方法

0 概述

螺栓作为一种最为广泛使用的紧固件，被大量使用在航空，汽车，轮船，钢结构，机床等几乎各种与机械相关的设备中，紧固件，在现代的工业设备中发挥了重要的作用，是一种不可或缺的零件。除了普通的螺栓之外，还有双头螺柱，焊接螺柱等。在螺纹类紧固件的设计中，正确地设计轴向夹紧力，是设计螺纹连接的重要步骤，目前在实际的应用中，通常采用扭矩法，或者扭矩加转角的方法，间接控制轴向力的大小，扭矩和轴力之间虽然有一定的关联性，但是由于整个系统相关参数的影响，特别是摩擦系数的波动，会造成扭矩系数的离散，从而造成了轴向夹紧力的离散，如果能够直接测量螺栓的轴向力，从而通过螺栓的轴向力来确定合适的安装扭矩，并且根据轴向力以及扭矩的数据来确定一个合适的安装扭矩，保证所有的紧固点能够满足所需要的轴力，总而保证连接的可靠。

双头螺柱也是螺栓的一种，它除了普通螺栓可以提供的紧固的功能外，还可以进行定位等，在汽车设计中也经常会用到，它的安装方式不同于普通的螺栓，双头螺柱分为a端和b端，通常是先把b端以一定的扭矩紧固到一个基体零件上，然后再放入被紧固的零件，最后在双头螺柱的a端拧入一个螺母进行紧固。通常b端的紧固扭矩较小，通常为b端紧固扭矩的40%左右，a端的紧固扭矩为最终的紧固扭矩，决定了该紧固点轴向力的大小，如何采用超声波轴力测量技术正确地对双头螺柱轴力进行测量，本文将着重进行探讨；

1 超声波螺栓轴力测量的原理

超声波是一种非常有效的测量用物理量，可以探测构件的内部结构和组织探伤，还可以测量流量，温度，应力，厚度等物理量。超声波测量螺栓的轴向应力已经进行了很长时间的研究，目前的技术已经较为成熟，在全球范围内，很多汽车厂家都在使用超声波螺栓轴力测量技术进行紧固点的设计和研究。超声波螺栓轴力测量技术是利用超声波在螺栓中初始状态和承受应力之后的状态中不同的传播速度以及时间量来获得螺栓的伸长变化量，从而根据螺栓的单位伸长量所需要的力值计算出螺栓的轴力大小，因为根据声学理论，固体中的声速跟应力有关，超声波有横波和纵波两种，我们实际使用时采用纵波进行测量，若假定螺栓的紧固应力为单轴均匀拉伸应力，则超声波在螺栓内沿轴向传播的纵波速度与应力的线性关系如下：

公式中：

V0——超声波在螺栓中无应力时（σ=0）的传播速度；

Vσ——超声波在螺栓的轴向应力为σ时（σ>0）的传播速度；

A——比例系数；

σ——螺栓轴向应力；

另外由于应力的作用，螺栓的长度也将有微小的变化，若设L0和Lσ分别为σ=0和σ>0时的螺栓长度，则有：

公式（2）中，E——螺栓材料的弹性模量。

如果假定t0和tσ分别为σ=0和σ>0时超声纵波在螺栓中往返一次的时间间隔，则有：

由（1）式、（2）式和（3）式可得出如下关系式：

由于A.σ<<1，且令，则有：

由（5）式可知，螺栓中的应力正比于超声波在螺栓中沿应力方向传播的时间的变化量。其中k1仅与材料有关，可以通过标定获得。在实际应用中对于测量螺栓应力或预拉力时，还必须对螺栓和母螺纹的位置加以考虑，因此还要引入修正系数k2，可由计算获得，于是（4）式可以改写成：

由（6）式可知，只要测出超声纵波在螺栓自由状态和由应力状态下的传播时间以及变化量，即可求得加在螺栓上的应力值。在实际应用中一般将（6）式换成螺栓轴力表达式（7）：

式中，s——螺栓杆部截面积；

KL——载荷因子。

KL的意义是螺栓单位轴力引起的超声纵波相对变化量，可由标定得到。实测时只需要保证螺栓的夹持厚度与标定时的一致，则可以通过测量螺栓拧紧前后的超声纵波传播时间t0和tσ，由式（7）求得螺栓的预紧轴力。

2 双头螺柱标定以及模型分析

如图1所示，可以将双头螺柱安装之后的情况简化为两端连着弹簧的无质量模块，这个模块放在一个两边均有台阶的模块上，当将双头螺柱的B端以一定的扭矩安装到一个零件上时，双头螺柱的B端将产生一定的轴向力，这个轴向力，可以简化为模型的下端弹簧的拉力，同时连接两个弹簧的无质量模块对台阶模块的压力，就是下端弹簧的拉力。当使用双头螺柱的a端配合螺母来紧固零件时，a端的螺柱也会产生一个轴向力。在实际使用中，需要测试的是a端的螺柱轴向力，但是b端的轴向力可能会对a端轴向力的测量带来影响，为了验证如何才能消除b端轴向力对于a端轴向力的影响，采取两种方式对螺柱进行标定，同时分析这两种标定方式对于结果的影响。

A：在双头螺柱自由状态下标定（如图2）：

螺柱的測出的劲度系数，假设螺柱实际的劲度系数为k0，则：

B：在双头螺柱拧紧到状态下标定：

螺柱测出的劲度系数：

从而：

F为标定时的最大拉伸力，且此时螺栓处于弹性阶段，f为装配到安装扭矩之后，双头螺柱下端的拉力，为B端的拉伸变型量，为拉伸至最大力时的总变型量。其中。

3 双头螺柱的测量以及模型分析

在采取前面所述的标定方法A和标定方法B进行标定之后，再采取相对应的测量方法A和测量方法B进行测量，然后比较一下哪一种测量方法是正确的，测量方法A是在测试前自由状态下标零，测试方法B是将双头螺柱的b端拧紧到装配扭矩的状态下标零。

如图3所示，在自由状态下标零，然后将双头螺柱的b端拧到安装扭矩，然后使用螺母将a端拧到目标扭矩之后，螺栓总的伸长量为，螺栓产生的真是轴力为f0，此时采用超声波测量时，超声波显示的轴力为f示A，此时：

而采用测量方法B进行测量时，如图4所示，先将螺柱b端拧到安装扭矩，螺柱b端产生的伸长量为，产生的轴向力为，拧紧之后标零，然后用螺母将a端拧至目标扭矩，然后用超声波系统测量轴力，此时超声波的示值f示B（见图5）：

从式（11）和（12）可知：

从以上对标定以及测量的分析可知，应该在自由状态下标定，然后在自由状态下标零，这样测量的结果才是最准确的。