一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預(yù)緊力測(cè)量方法*

北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院 邢 堃 劉檢華 唐承統(tǒng)

內(nèi)蒙古第一機(jī)械制造集團(tuán)有限公司工藝研究所 王 卓 耿朝勇 易 新

螺栓（或螺釘）連接可在被連接件間產(chǎn)生很大的夾緊力，加之便于裝拆，標(biāo)準(zhǔn)化后易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且成本低、價(jià)格便宜、具有互換性，成為航空航天等機(jī)電產(chǎn)品裝配中最為廣泛的連接方法。螺栓連接最根本的目的是在被連接件間產(chǎn)生可靠的夾緊力，即螺栓內(nèi)部的預(yù)緊力[1]。螺栓連接的預(yù)緊力控制直接影響著整個(gè)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量及可靠性，預(yù)緊力太大容易造成螺栓失效，預(yù)緊力不足則容易造成螺栓的松動(dòng)。

螺栓連接的預(yù)緊力在擰緊過(guò)程中很難進(jìn)行直接的監(jiān)測(cè)與控制，工程中往往通過(guò)扭矩法、轉(zhuǎn)角法等間接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓連接預(yù)緊力的控制，從而達(dá)到緊固的目的。而目前工程中應(yīng)用最為普遍的擰緊方法為扭矩法，使螺栓擰緊質(zhì)量的控制過(guò)分依賴于擰緊力矩，忽略了扭矩法實(shí)施的前提條件是扭矩系數(shù)為常數(shù)。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，扭矩系數(shù)并非恒定不變，這導(dǎo)致螺紋連接結(jié)構(gòu)中預(yù)緊力離散度過(guò)大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品整體可靠性。同時(shí)，機(jī)械裝配中的螺栓連接經(jīng)常是多個(gè)螺栓成組使用，對(duì)螺栓組連接中的預(yù)緊力進(jìn)行控制也更為困難。

由于扭矩法的應(yīng)用在工程中可能產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)常需要對(duì)擰緊力矩以及相應(yīng)的擰緊工藝進(jìn)行評(píng)估和評(píng)價(jià)，而最直接有效的評(píng)價(jià)方法則是測(cè)量螺紋結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的預(yù)緊力。螺栓組的擰緊工藝相比單個(gè)螺栓更為復(fù)雜，增加了擰緊順序、復(fù)擰次數(shù)等因素，僅僅通過(guò)控制擰緊力矩很難在一個(gè)螺栓組中獲得均勻一致的夾緊力，而通過(guò)直接測(cè)量螺栓組連接中各螺栓的預(yù)緊力可以快速有效地對(duì)螺栓組的擰緊工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)。

工程中除了對(duì)擰緊工藝過(guò)程評(píng)價(jià)之外，評(píng)價(jià)螺栓組擰緊之后在振動(dòng)等環(huán)境中的防松性能也需要準(zhǔn)確獲得螺栓連接的預(yù)緊力并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前工程中螺栓預(yù)緊力的測(cè)量主要有以下幾種方法。

（1）螺栓桿上貼應(yīng)變片的方法[2]。

該方法可直接獲得螺栓或螺栓組的預(yù)緊力，但存在很多限制：首先，該方法在實(shí)施過(guò)程中需要在每一個(gè)被測(cè)螺栓的螺桿上貼多個(gè)應(yīng)變片，不僅繁瑣，而且對(duì)操作者粘貼應(yīng)變片的水平要求較高；其次，該方法要求被試螺栓與被連接件之間留出足夠的空間放置應(yīng)變片引線，且在被連接件上要有可以引出應(yīng)變片引線的空隙。

（2）直接測(cè)長(zhǎng)法。

直接測(cè)長(zhǎng)法通過(guò)在螺栓擰緊前和擰緊后分別測(cè)量螺栓的長(zhǎng)度，對(duì)比兩次數(shù)據(jù)得出螺栓擰緊之后的伸長(zhǎng)量，根據(jù)螺栓的有效連接長(zhǎng)度以及螺栓剛度計(jì)算得到擰緊后螺栓的預(yù)緊力。該方法可以比較精確地測(cè)得螺栓預(yù)緊力，但受被連接件形式的限制較大，不能測(cè)量箱體等盲孔螺栓組的預(yù)緊力。

（3）超聲波法[3]。

超聲波法是依據(jù)超聲波在不同應(yīng)力狀態(tài)的螺栓內(nèi)部傳播速度不同的原理實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的測(cè)量。該方法為無(wú)損檢測(cè)方法，測(cè)試較為方便，但需要對(duì)螺栓兩個(gè)端面進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)量時(shí)需要耦合劑且測(cè)量精度受操作者影響較大，也不適合螺栓組在振動(dòng)等環(huán)境中的預(yù)緊力監(jiān)測(cè)。另外，由于傳感器體積的限制，只能測(cè)量規(guī)格較大的螺栓。

（4）其他方法。

為了準(zhǔn)確獲得螺栓連接的預(yù)緊力，研究者們想了很多辦法，如湘電風(fēng)能有限公司的尹耀安等人將螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為液壓壓力，間接實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的測(cè)量[4]；東風(fēng)汽車有限公司的嚴(yán)春雨提出了一種螺栓組連接整體預(yù)緊力測(cè)試方法[5]。但這些方法大都針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域而開發(fā)或需要將螺栓裝入特殊的裝置，無(wú)法對(duì)任意螺栓組中各螺栓預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)、振動(dòng)等環(huán)境中螺栓組的預(yù)緊力進(jìn)行直接測(cè)量。

針對(duì)目前螺栓組連接中的預(yù)緊力測(cè)量沒(méi)有較好的直接測(cè)量方法的現(xiàn)狀，提出了一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預(yù)緊力測(cè)量方法，可直接測(cè)量成組螺栓連接中的各螺栓在擰緊過(guò)程以及擰緊之后的預(yù)緊力變化曲線，同時(shí)該方法便于裝配現(xiàn)場(chǎng)、振動(dòng)等環(huán)境中監(jiān)測(cè)螺栓組擰緊過(guò)程中以及擰緊之后的預(yù)緊力。

1 基本原理

該測(cè)量方法的測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為了直接獲得螺栓組的預(yù)緊力而不是通過(guò)擰緊或松動(dòng)力矩評(píng)價(jià)擰緊過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)多個(gè)墊片式力傳感器采集螺栓組中各螺栓預(yù)緊力，并開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。該螺栓組連接的預(yù)緊力測(cè)試系統(tǒng)主要由3部分組成：墊片式力傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和專用數(shù)據(jù)采集軟件。

墊片式力傳感器獲得螺栓擰緊過(guò)程中以及擰緊之后的預(yù)緊力原始電信號(hào)，該信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集卡采集，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可讀的預(yù)緊力信號(hào)，其原理圖如圖2所示。采集的預(yù)緊力信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波等數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。其中信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)采集部分由圖1中所示的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，數(shù)據(jù)處理以及顯示、存儲(chǔ)由專用數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)完成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of overall structure of test system

圖2 測(cè)試系統(tǒng)基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of test system

為了便于在實(shí)驗(yàn)室、裝配現(xiàn)場(chǎng)等任意場(chǎng)合方便測(cè)量螺栓組的預(yù)緊力，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)封裝為便攜式箱體結(jié)構(gòu)，且支持自身鋰電池供電和外部電源供電兩種工作模式；而專用數(shù)據(jù)采集軟件安裝在筆記本計(jì)算機(jī)上，同樣既可以自身供電又可以外部電源供電。另一方面，為了測(cè)試振動(dòng)環(huán)境下螺栓組的預(yù)緊力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率最高能達(dá)到1kHz，而為了測(cè)試螺栓組長(zhǎng)時(shí)間保持時(shí)的松動(dòng)性能，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔最大可達(dá)到24h。

2 墊片式力傳感器

為了直接測(cè)得螺栓中的預(yù)緊力，通過(guò)墊片式力傳感器進(jìn)行采集。該傳感器為筒形結(jié)構(gòu)，中間有孔可供螺栓穿過(guò)。傳感器的主體為筒形彈性體，彈性體四周貼有應(yīng)變片，組成平衡電橋。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供給傳感器5V的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)螺栓中有預(yù)緊力產(chǎn)生時(shí)，電橋失去平衡，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器中的反饋電信號(hào)，就有了螺栓預(yù)緊力的原始電信號(hào)。

墊片式力傳感器的彈性體剛度很大，外徑約為25mm的傳感器便可測(cè)得最大54kN的力。由于該類傳感器體積較小，應(yīng)變片分布相對(duì)集中，所以對(duì)偏載比較敏感，在使用時(shí)最好選用傳感器通徑略大于螺栓外徑的傳感器型號(hào)，例如測(cè)量M10的螺栓時(shí)選用通徑為10.16mm的傳感器。當(dāng)傳感器通徑大于螺栓規(guī)格時(shí)，為了避免偏載，也可以配合精密襯套使用，但襯套高度應(yīng)低于傳感器高度，否則將導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作。

為了保護(hù)傳感器在測(cè)試過(guò)程中不被磨損，并且保證傳感器不受偏載，在使用墊片式力傳感器時(shí)最好在傳感器兩側(cè)安裝高硬度的抗磨墊圈配合使用。在靠近螺栓頭部的墊圈側(cè)應(yīng)該使用和實(shí)際裝配時(shí)相同的墊圈，從而保障在擰緊過(guò)程中的支撐面摩擦情況不變。在擰緊之前，需先將所有的墊圈、傳感器等按順序穿在螺桿上，如圖3所示。

圖3 墊片式力傳感器安裝示意圖Fig.3 Diagram of gasket force sensor installation

墊片式力傳感器的另外一個(gè)特點(diǎn)是自身的諧振頻率較高，高達(dá)幾十kHz，可以以較高的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，適合在振動(dòng)等環(huán)境下使用。本文在使用時(shí)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集最高頻率為6.25kHz。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

由傳感器獲得原始的預(yù)緊力電信號(hào)后，需要先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理才能轉(zhuǎn)化為可被數(shù)據(jù)采集卡識(shí)別的預(yù)緊力數(shù)據(jù)，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集卡獲得經(jīng)過(guò)調(diào)理后的傳感器力信號(hào)后，通過(guò)USB通訊接口上傳到數(shù)據(jù)采集軟件，由數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)完成預(yù)緊力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、濾波、存儲(chǔ)與顯示。

信號(hào)調(diào)理在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)電路完成，將各個(gè)通道的傳感器原始電信號(hào)放大為數(shù)據(jù)采集卡可以識(shí)別的電信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集主要由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡完成。測(cè)試螺栓組的預(yù)緊力時(shí)，需要用多個(gè)墊片式力傳感器采集各個(gè)螺栓的預(yù)緊力，數(shù)據(jù)采集卡需要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的所有通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。筆者所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)為16通道，即數(shù)據(jù)采集卡需要對(duì)16通道的傳感器信號(hào)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。

雖然數(shù)據(jù)采集卡支持多個(gè)通道的輸入，但一次卻只能讀取一個(gè)通道的數(shù)值。通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡在分組模式下工作，圖4為數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)際工作時(shí)序圖： 1到16分別為16個(gè)通道，每個(gè)峰值表示該通道存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，最下邊一行中每個(gè)峰值則表示數(shù)據(jù)采集卡記錄一個(gè)數(shù)字。由數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)的時(shí)序可知，數(shù)據(jù)采集卡依次對(duì)各個(gè)通道讀數(shù)并依次存儲(chǔ)到采集卡的緩存中，每個(gè)通道讀取4個(gè)數(shù)字作為一組，每組數(shù)據(jù)之間設(shè)置采樣間隔。每個(gè)小組內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)每個(gè)通道讀數(shù)的頻率為100kHz，16通道分別讀取4個(gè)數(shù)用時(shí)總計(jì)為0.01×16×4=0.64ms，組間隔設(shè)置為0.36ms。每個(gè)分組內(nèi)各個(gè)通道的4個(gè)數(shù)值通過(guò)采集卡上傳到專用數(shù)據(jù)采集軟件后，進(jìn)行去最大、去最小的簡(jiǎn)單濾波，剩余兩個(gè)數(shù)取平均值作為該通道的一個(gè)讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道1kHz的數(shù)據(jù)采集。盡管每個(gè)通道的數(shù)據(jù)并非同時(shí)采集，但各個(gè)通道間同次讀數(shù)的時(shí)間間隔最大為0.15ms，可以近似認(rèn)為各個(gè)通道同時(shí)讀數(shù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集卡工作時(shí)序圖Fig.4 Data acquisition card working sequence diagram

數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)保存在自身的緩存內(nèi)部，由專用數(shù)據(jù)采集軟件將這些數(shù)據(jù)從采集卡緩存中通過(guò)USB接口讀入計(jì)算機(jī)緩存，然后再進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)與顯示。仍以16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)采集軟件從采集卡讀到的是從1到16各個(gè)通道依次排列的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序可以確保數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)端讀入時(shí)是連續(xù)的而且不會(huì)丟失。數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)所設(shè)置的數(shù)據(jù)采集卡的工作時(shí)序?qū)ψx取回來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包，經(jīng)過(guò)去最大、去最小的簡(jiǎn)單濾波后，對(duì)每組數(shù)據(jù)中剩余的兩個(gè)數(shù)取平均值，并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化得到1kHz采樣頻率的原始預(yù)緊力信號(hào)。

墊片式力傳感器存在非線性特征，尤其在載荷較小時(shí)。完成原始預(yù)緊力數(shù)值的計(jì)算后，要對(duì)預(yù)緊力數(shù)值進(jìn)行非線性矯正，矯正參數(shù)在專用數(shù)據(jù)采集軟件可由用戶設(shè)置。為了保障傳感器的使用安全，根據(jù)設(shè)置的傳感器最大量程以及矯正之后的預(yù)緊力數(shù)值對(duì)傳感器進(jìn)行過(guò)載判斷，如果發(fā)現(xiàn)某一通道發(fā)生過(guò)載即立刻發(fā)出過(guò)載警告信號(hào)。

矯正后的預(yù)緊力數(shù)值暫存在專用數(shù)據(jù)采集軟件的主緩存內(nèi)。當(dāng)采樣頻率設(shè)置為1kHz時(shí)，直接將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)設(shè)置采樣時(shí)間間隔大于1ms時(shí)，為了兼顧數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，要進(jìn)行預(yù)緊力數(shù)據(jù)的二次濾波，二次濾波的濾波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度根據(jù)用戶設(shè)置的采樣時(shí)間間隔自動(dòng)調(diào)整：當(dāng)采樣時(shí)間間隔大于1ms小于4ms時(shí)，二次濾波采用算法為取平均值，濾波長(zhǎng)度為采樣間隔，以ms為單位取整；當(dāng)采樣時(shí)間間隔大于4ms小于20ms時(shí)，濾波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度仍為采樣時(shí)間間隔，以ms為單位取整，然后對(duì)需要進(jìn)行濾波的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取排序后中間1/3數(shù)據(jù)的平均值，得到一個(gè)二次濾波之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)；當(dāng)采樣時(shí)間間隔大于等于20ms時(shí)，取20為濾波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，濾波算法仍為排序后取中間1/3數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)采樣時(shí)間間隔進(jìn)行動(dòng)態(tài)二次濾波后，各個(gè)通道的預(yù)緊力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)緩存數(shù)組里，等待數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。除了采樣時(shí)間間隔外，為了監(jiān)測(cè)螺栓組擰緊之后的預(yù)緊力變化情況，數(shù)據(jù)采集軟件還提供了采樣軸力間隔功能。在設(shè)置的采樣時(shí)間間隔基礎(chǔ)上，在存入緩存數(shù)組前進(jìn)行判斷，只有當(dāng)某一通道軸力值與緩存數(shù)組中上一條數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)該通道的軸力值之差的絕對(duì)值超過(guò)所設(shè)置的采樣軸力間隔時(shí)，才存入緩存數(shù)組。

在采集和處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，需要對(duì)當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，所有預(yù)緊力的數(shù)值都在數(shù)據(jù)采集軟件端顯示?？紤]人眼能分辨的最小時(shí)間間隔，此處用一個(gè)間隔為100ms的時(shí)鐘來(lái)定時(shí)刷新顯示的預(yù)緊力值。為了保障顯示的實(shí)時(shí)性，刷新時(shí)顯示的數(shù)據(jù)為當(dāng)前主緩存中最新的20條數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波之后的數(shù)值，濾波算法和二次濾波所采用的算法相同。

由于從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)、濾波及數(shù)據(jù)處理、顯示等都需要有固定的時(shí)間間隔，以保障不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較弱，所以除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之外其他的數(shù)據(jù)處理任務(wù)均由時(shí)鐘來(lái)嚴(yán)格控制時(shí)間間隔，而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)則在CPU空閑時(shí)進(jìn)行。為了節(jié)省存儲(chǔ)時(shí)間，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制文本數(shù)據(jù)庫(kù)的格式進(jìn)行保存。當(dāng)數(shù)據(jù)采集停止后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件將二進(jìn)制文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel文件中方便查看。

4 螺栓組預(yù)緊力測(cè)量裝置

依據(jù)以上測(cè)量原理及方法，研制了螺栓組的預(yù)緊力測(cè)量裝置，如圖5所示。該測(cè)量裝配共有16個(gè)通道，可同時(shí)連接16個(gè)傳感器對(duì)16個(gè)螺栓擰緊過(guò)程中的預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

螺栓組的預(yù)緊力測(cè)量裝置主要分為以下5個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示，如圖6所示。螺栓組預(yù)緊力測(cè)量裝置的具體實(shí)施步驟主要有：

（1）連接墊片式力傳感器、測(cè)試箱體、計(jì)算機(jī)，并打開數(shù)據(jù)采集軟件；

圖5 研制的螺栓組預(yù)緊力測(cè)量裝置Fig.5 Preload measuring device of bolt group

（2）設(shè)置試驗(yàn)名稱、日期、試驗(yàn)者等相關(guān)試驗(yàn)信息；

（3）開啟測(cè)試箱體電源，使系統(tǒng)及傳感器預(yù)熱10min；

（4）設(shè)置工作通道、數(shù)據(jù)采集間隔、非線性調(diào)整，并對(duì)使用的各個(gè)通道進(jìn)行清零操作；

（5）將各墊片式力傳感器及墊圈按順序穿過(guò)螺栓；

（6）若要記錄擰緊過(guò)程中的預(yù)緊力變化，則先點(diǎn)擊“開始采集”按鈕開始數(shù)據(jù)采集后再擰緊螺栓，若需要監(jiān)測(cè)擰緊之后的預(yù)緊力變化規(guī)律，則在擰緊螺栓之后再點(diǎn)擊“開始采集”按鈕；

（7）數(shù)據(jù)采集結(jié)束后按下“停止采集”，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel表格；

（8）關(guān)閉電源和數(shù)據(jù)采集軟件，斷開墊片傳感器、測(cè)試箱體、計(jì)算機(jī)的連接。

利用以上所述的螺栓組預(yù)緊力測(cè)量方法測(cè)量螺栓組預(yù)緊力時(shí)，要對(duì)墊圈傳感器及螺栓裝配位置進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)要測(cè)量的螺栓裝配編號(hào)都應(yīng)有唯一的傳感器通道號(hào)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，還應(yīng)選擇適合的通道數(shù)以及對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)目。

由于工程中螺栓組螺栓的總數(shù)目大多是變化的，當(dāng)螺栓組中螺栓數(shù)目小于等于采集系統(tǒng)的最大可用通道數(shù)時(shí)，可以直接采用本測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)螺栓組中螺栓數(shù)目較多且不適合每個(gè)螺栓配置一個(gè)墊片傳感器時(shí)，則應(yīng)該采取分組測(cè)量的方式。以圖7所示的16個(gè)螺栓連接的異形法蘭面連接為例，假設(shè)多通道預(yù)緊力測(cè)量系統(tǒng)最大支持通道數(shù)為8，當(dāng)研究如圖7所示的螺栓組連接的擰緊工藝或防松性能時(shí)，除了確定相應(yīng)的工藝參數(shù)以及測(cè)試條件外，還應(yīng)對(duì)螺栓進(jìn)行分組。圖7給出3種分組方案，當(dāng)然可以按照擰緊順序的先后或其他規(guī)則對(duì)所有螺栓進(jìn)行分組，每個(gè)分組中螺栓數(shù)目最多為可用的墊圈傳感器數(shù)目，然后用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)各個(gè)螺栓的預(yù)緊力監(jiān)測(cè)。每次試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)采集不同螺栓分組的預(yù)緊力數(shù)據(jù)，且每次試驗(yàn)擰緊工藝以及測(cè)試條件應(yīng)該控制嚴(yán)格一致。

圖6 預(yù)緊力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of preload measuring system

5 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述測(cè)量方法及系統(tǒng)的有效性，筆者利用自己設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)某車輛傳動(dòng)箱體的一側(cè)端蓋的螺釘組連接進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，如圖8所示。圖示箱體的被測(cè)試面由8個(gè)M10的螺栓將軸承座與箱體連接。箱體為鑄鋁箱體，鑲嵌鋼絲螺套形成內(nèi)螺紋，而軸承座為合金鋼材質(zhì)。

對(duì)箱體中的8個(gè)螺栓按順時(shí)針順序編號(hào)，試驗(yàn)時(shí)螺栓編號(hào)與傳感器編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)以兩種順序擰緊各個(gè)螺栓，即順序擰緊1-2-3-4-5-6-7-8和對(duì)稱擰緊1-5-3-7-2-6-4-8。

驗(yàn)證試驗(yàn)主要包括兩組，第一組試驗(yàn)分別按照兩種擰緊順序?qū)?個(gè)螺栓擰緊，通過(guò)采集軟件監(jiān)測(cè)預(yù)緊力，當(dāng)達(dá)到21kN時(shí)停止擰緊。圖9為某次擰緊時(shí)所采集的數(shù)據(jù)，圖示數(shù)據(jù)表明在該箱體中螺栓的擰緊順序?qū)︻A(yù)緊力的影響很小。

第二組試驗(yàn)用定扭矩扳手將螺栓擰緊至50N·m，表1為試驗(yàn)所采集的各個(gè)螺栓的預(yù)緊力數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出，單獨(dú)通過(guò)力矩扳手控制擰緊力矩很難在螺栓組連接中的各個(gè)螺栓內(nèi)獲得一致的預(yù)緊力。

實(shí)例驗(yàn)證表明，單獨(dú)控制螺栓擰緊過(guò)程中的擰緊力矩并不能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力控制的目的，且本文所述的測(cè)量方法能夠有效地監(jiān)測(cè)螺栓組中的預(yù)緊力變化，為螺栓及螺栓組連接的擰緊工藝提供了有效的評(píng)價(jià)手段和方法。

圖7 某法蘭面螺栓分組測(cè)量示意圖Fig.7 Grouping test diagram of flange bolts

圖8 螺栓組擰緊試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.8 Test of bolt group tightening

圖9 螺栓組擰緊試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.9 Tightening test of bolt group

表1 力矩扳手?jǐn)Q緊試驗(yàn) kN

6 結(jié)束語(yǔ)

螺栓（或螺釘）連接是航空航天等機(jī)電產(chǎn)品裝配中最常用到的連接方法之一。針對(duì)目前螺栓組連接中的預(yù)緊力測(cè)量難、螺栓連接質(zhì)量過(guò)分依賴擰緊力矩的問(wèn)題，筆者提出了一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預(yù)緊力測(cè)量方法，試驗(yàn)表明該方法測(cè)量方便，且能夠有效監(jiān)測(cè)螺栓組擰緊過(guò)程中以及擰緊之后的預(yù)緊力。

該測(cè)量設(shè)備適合在實(shí)驗(yàn)室、裝配現(xiàn)場(chǎng)、振動(dòng)等環(huán)境直接測(cè)量螺栓及螺栓組中的預(yù)緊力，為制定及評(píng)價(jià)螺栓組擰緊工藝、研究螺栓組在振動(dòng)等工況環(huán)境下的防松等提供了有效措施。

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