李棟 朱曉磊 陸曉峰
摘要:針對(duì)傳統(tǒng)扭矩法控制螺栓載荷誤差過(guò)大的問(wèn)題,提出使用超聲縱橫波法來(lái)進(jìn)行螺栓載荷的檢測(cè)方法?;诼晱椥远ɡ恚⒙菟☉?yīng)力與超聲縱橫波聲時(shí)關(guān)系的螺栓載荷預(yù)測(cè)理論模型,避免螺栓原始長(zhǎng)度的測(cè)量,真正實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)制定實(shí)驗(yàn)表征方法,設(shè)計(jì)磁力探頭夾具,建立超聲橫縱波測(cè)螺栓載荷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),保證每次測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與測(cè)量位置的一致性。對(duì)8.8級(jí)高強(qiáng)度雙頭螺栓軸向力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并結(jié)合理論模型獲得聲彈性系數(shù)。結(jié)果表明:螺栓的軸向應(yīng)力與超聲縱橫波聲時(shí)為線(xiàn)性關(guān)系,實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值在100~600MPa的最大誤差小于5.61%,誤差絕對(duì)值的平均值在2%左右。
關(guān)鍵詞:螺栓載荷;縱橫波法;測(cè)試?yán)碚?聲時(shí)
中圖分類(lèi)號(hào):TH131.3;TB559 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-5124(2019)10-0040-05
收稿日期:2018-08-27;收到修改稿日期:2018-09-29
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(11772147);江蘇省高校自然科學(xué)基金(16KJB130003)
作者簡(jiǎn)介:李棟(1994-),男,山東濟(jì)寧市人,碩士研究生,專(zhuān)業(yè)方向?yàn)槌暡y(cè)螺栓載荷技術(shù)。
0 引言
螺栓松動(dòng)失效是螺紋聯(lián)接常見(jiàn)的失效形式。接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、預(yù)緊力不夠、摩擦系數(shù)的變化等因素,都會(huì)導(dǎo)致螺栓的夾緊力下降,尤其是在振動(dòng)沖擊或高溫環(huán)境下,更容易發(fā)生松動(dòng)。同時(shí),設(shè)備的高參數(shù)化、緊湊化、輕量化使得螺栓載荷檢測(cè)方法必須滿(mǎn)足占用空間小、快速、精確等優(yōu)點(diǎn)?,F(xiàn)有的扭矩扳手法、光彈法等已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的需要,亟需一種新的測(cè)試方法。
超聲檢測(cè)以其快速、直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于壁厚檢測(cè)、內(nèi)部缺陷檢測(cè)、螺栓載荷檢測(cè)以及殘余應(yīng)力檢測(cè)。S.OKA[1]首個(gè)發(fā)現(xiàn)了超聲波的雙折射現(xiàn)象,開(kāi)辟了超聲波測(cè)應(yīng)力的先河。日本學(xué)者德岡辰熊[2]從有限彈性理論出發(fā),求解出超聲橫波沿主應(yīng)力方向傳播速度差與主應(yīng)力差的關(guān)系,為現(xiàn)代超聲波測(cè)量螺栓載荷奠定了理論基礎(chǔ)。之后冉啟芳等[3-4]基于聲彈性理論,在實(shí)驗(yàn)室條件下,利用縱波兩次回波的時(shí)間間隔測(cè)定螺栓載荷,并對(duì)形狀因子進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉鎮(zhèn)清等[5]研究了碳鋼的縱橫波聲時(shí)與應(yīng)力、溫度的關(guān)系,并初步研制了螺栓載荷測(cè)量?jī)x。江澤濤等[6-7]創(chuàng)立一種縱橫波相結(jié)合測(cè)螺栓應(yīng)力的方法,雖然對(duì)溫度補(bǔ)償也做了實(shí)驗(yàn)并總結(jié)了規(guī)律,但是未給出詳細(xì)的應(yīng)力系數(shù),僅限于實(shí)驗(yàn)室研究方法。張俊[8]賈雪等[9]詳細(xì)論述了基于聲彈性理論的超聲螺栓應(yīng)力測(cè)量原理,同時(shí)研究了溫度對(duì)波速的影響。徐春廣等[10]針對(duì)螺栓在低載荷與高載荷不同情況下對(duì)測(cè)量系數(shù)進(jìn)行了分類(lèi)討論。國(guó)外學(xué)者SUDA M等[11]基于聲彈性理論,研制了用于控制火力發(fā)電廠渦輪機(jī)外殼螺栓的檢測(cè)系統(tǒng),將超聲波測(cè)螺栓載荷的方法應(yīng)用到了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)超聲波螺栓載荷測(cè)試方法做了相應(yīng)的研究,其測(cè)試精度均在5%以?xún)?nèi),但是,單波測(cè)試方法需要了解螺栓零應(yīng)力下,精確的初始長(zhǎng)度才能達(dá)到上述精度。同時(shí)關(guān)于雙波法的研究也僅僅局限為規(guī)律探討。
本文就超聲波螺栓載荷測(cè)量方法存在的不足,探索超聲縱、橫波與螺栓應(yīng)力之間的關(guān)系,建立基于超聲縱橫波的螺栓載荷測(cè)試方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,得出螺栓材質(zhì)的應(yīng)力系數(shù)。
1 螺栓軸向力檢測(cè)理論模型
1.1 初始聲速計(jì)算模型
根據(jù)聲彈性力學(xué)可知,零應(yīng)力狀態(tài)下超聲波在金屬中傳播的聲速與金屬材料的二階拉曼常數(shù)(λ、μ)和螺栓材料密度(ρ)有關(guān),超聲縱波聲速VL0和橫波聲速VS0可由以下公式計(jì)算:
1.2 理論模型
當(dāng)螺栓處在某應(yīng)力狀態(tài)下時(shí),超聲波在其中傳播的速度會(huì)受到影響,不同的波受影響程度不同,即有應(yīng)力時(shí),超聲縱波聲速VL和橫波聲速VS可由下式計(jì)算:
VL=VL0(1+k'Lσ)(1-α△t)(3)
VS =VS0(1+k'Sσ)(1-α△t)(4)
式中:k'L、k'S——超聲縱波與橫波在介質(zhì)中的聲彈性系數(shù);
α——超聲波速溫度系數(shù);
△t——溫度改變量。
超聲波測(cè)試螺栓載荷的原理是基于螺栓應(yīng)力對(duì)超聲波聲速的影響,測(cè)量載荷作用下螺栓伸長(zhǎng)量所對(duì)應(yīng)的聲時(shí)差,建立聲時(shí)差與螺栓應(yīng)力之間的關(guān)系,獲得螺栓載荷的計(jì)算方法。因此,為了提高超聲波螺栓載荷測(cè)試方法的準(zhǔn)確性,需要建立螺栓在服役過(guò)程中各部分伸長(zhǎng)量與應(yīng)力和溫度之間的關(guān)系。螺栓預(yù)緊示意圖如圖1所示。圖中L1為螺栓預(yù)緊的有效作用范圍,與螺栓的直徑、螺紋規(guī)格等有關(guān),該部分的伸長(zhǎng)量受到應(yīng)力和溫度的作用;剩余長(zhǎng)度L2=L-L1,該部分的伸長(zhǎng)量與溫度有關(guān)。
當(dāng)螺栓受到載荷作用時(shí)由應(yīng)力引起的螺栓有效長(zhǎng)度段伸長(zhǎng)量為:
Lσ=L1σ/E(5)
式中:L1——L1=r+D,r為兩螺母間距離(mm),D為螺栓的公稱(chēng)直徑(mm);
σ——應(yīng)力,MPa;
E——彈性模量,MPa。
溫度引起的螺栓伸長(zhǎng)為:
Lt=Lβ△t(6)其中,β為材料的熱膨脹系數(shù)。
根據(jù)螺栓在預(yù)緊工況下各部分伸長(zhǎng)量關(guān)系,將式(5)和式(6)代入式(3)中,獲得超聲縱波聲時(shí)計(jì)算公式:
同理,將式(5)和式(6)代入式(4)中,獲得超聲橫波聲時(shí)計(jì)算公式:
對(duì)式(7)和式(8),化簡(jiǎn)可得:
在零應(yīng)力條件下,超聲波聲速只受到溫度影響,則超聲縱、橫波聲時(shí)計(jì)算公式為
將式(11)、式(12)分別代入式(9)和式(10),并將兩公式相除得:
在測(cè)量間隔較短的情況下,溫度變化將比較小,基本可以忽略,即△t=0,則式(13)可簡(jiǎn)化為:k's,則有:
y=1/a-bx(15)
通過(guò)式(15)可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與超聲波聲時(shí)、初始聲速和螺栓有效長(zhǎng)度之間滿(mǎn)足Farazdaghi-Harris曲線(xiàn)形式[12]對(duì)式(15)取倒數(shù)變換可得線(xiàn)性關(guān)系式:
y-1=a-bx(16)
因此,對(duì)于不同的螺栓只需要知道其k'L、k'S與L1即可通過(guò)測(cè)試求得其應(yīng)力。由于模型中消除了螺栓初始長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,該模型同樣可以用于已安裝或不方便測(cè)量原始長(zhǎng)度螺栓的載荷檢測(cè)與計(jì)算。
2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)選用3根經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的8.8級(jí)35CrMoA高強(qiáng)度螺栓作為試樣,兩端面經(jīng)過(guò)線(xiàn)切割保證平行度公差在7~8級(jí),經(jīng)打磨保證粗糙度優(yōu)于Ra3.2。螺栓材質(zhì)成分檢測(cè)結(jié)果如表1所示,符合35CrMoA的主要成分組成。
使用MTS 311.32試驗(yàn)機(jī),設(shè)計(jì)螺栓拉伸工裝夾具,模擬螺栓預(yù)緊工況[13]如圖2所示。超聲波測(cè)試裝置使用OLYMPUS 38DL PLUS超聲波測(cè)厚儀,縱、橫波探頭中心頻率為5MHz,探頭直徑6mm,準(zhǔn)確度可達(dá)0.001mm,如圖3(a)所示(探頭為兩個(gè),分別是橫波探頭與縱波探頭)。為了保證每次測(cè)定的位置以及探頭壓緊力保持一致,設(shè)計(jì)如圖3(b)所示的磁力與彈簧組合的夾具。探頭與夾具安裝在螺栓頭端部,通過(guò)磁鐵與螺栓形成良好的貼合。
試驗(yàn)施加的載荷控制在螺栓材料的彈性范圍內(nèi),對(duì)于8.8級(jí)的螺栓屈服強(qiáng)度可達(dá)640MPa。本次試驗(yàn)加載區(qū)間為100~600MPa,加載步長(zhǎng)50MPa,加載速度1MPa/s。
3 結(jié)果討論
超聲縱、橫波測(cè)試的聲時(shí)與應(yīng)力之間的關(guān)系如圖4所示??梢钥闯觯晻r(shí)與應(yīng)力成直線(xiàn)關(guān)系,滿(mǎn)足材料線(xiàn)彈性力學(xué)行為。
根據(jù)式(16),將L1=169.3774mm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得超聲縱、橫波聲彈性系數(shù),k'L、k'S,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示,擬合參數(shù)如表2所示。從圖5可以看出,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)趨勢(shì)一致,結(jié)合表2可知,其擬合度達(dá)到r2=0.99991。根據(jù)表2所示聲彈性系數(shù),將L1=162.113mm和L1=136.0018mm的測(cè)量數(shù)據(jù)代入式(16),計(jì)算得到應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值對(duì)比,如圖6所示,誤差見(jiàn)表3和表4。
從表3與表4可以看出,L1=162.113mm和L1=136.0018mm兩根螺栓在100600MPa應(yīng)力下的誤差大都集中在5%以?xún)?nèi),L1=162.113mm的螺栓最大誤差為4.08%,L1=136.0018mm的螺栓最大誤差為5.61%。兩根螺栓校核誤差絕對(duì)值的平均值分別為1.99%和1.%%,證明模型是正確的。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文建立了超聲縱、橫波螺栓載荷計(jì)算模型,在此基礎(chǔ)上對(duì)8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,材質(zhì)為35CrMoA的螺栓經(jīng)調(diào)制后,超聲縱波聲彈性系數(shù)為-833×10-5,超聲橫波聲彈性系數(shù)為-3.597×10-5;經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在100~600MPa,兩組應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果的最大誤差為5.61%。兩組驗(yàn)證結(jié)果誤差絕對(duì)值的平均值分別為1.99%與1.96%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)扭矩法的誤差,可應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶汽車(chē)等領(lǐng)域的緊固件預(yù)緊與檢測(cè),同時(shí)也能解決已經(jīng)安裝的緊固件載荷檢測(cè)問(wèn)題。
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(編輯:譚玉龍)\