高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)測量不確定度的評定與表示

韋 龍

(云南理工檢測科技有限公司,云南 昆明 650500)

1 引 言

鋼結(jié)構(gòu)是一種主要是由各種型鋼、鋼材構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)類型,該結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中屢見不鮮。鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠,不僅與合理的設(shè)計(jì)、科學(xué)的施工有關(guān),更與材料的優(yōu)劣相關(guān)。本文通過對鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副(以下簡稱螺栓連接副)扭矩系數(shù)結(jié)果的測量不確定度進(jìn)行評定,找到引起測量結(jié)果不確定度的主要來源并加以分析,為提高檢測質(zhì)量提供了依據(jù)。

2 試樣與試驗(yàn)方法

螺栓連接副扭矩系數(shù)宏觀上反映的是連接副在擰緊過程中扭矩與連接副緊固力之間的關(guān)系,該系數(shù)是由摩擦系數(shù)和螺紋形狀共同決定的,是反映螺紋副摩擦性能的綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在同等條件下,扭矩系數(shù)越小,產(chǎn)生的緊固力越大。因此,扭矩系數(shù)對連接副現(xiàn)場施工扭矩的大小至關(guān)重要。

本文選用螺栓連接副M22×90-10.9S試樣,按照GB 50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 1231-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》進(jìn)行扭矩系數(shù)試驗(yàn),所用設(shè)備為高強(qiáng)螺栓檢測儀(YJZ-500),其扭矩最大量程為2000N·m,軸力最大量程為500kN,均為1級精度。扭矩系數(shù)以8套連接副的算數(shù)平均值為測試結(jié)果,見表1,并進(jìn)行不確定度評定。

表1 M22×90-10.9S螺栓連接副扭矩系數(shù)測試結(jié)果

3 數(shù)學(xué)模型

扭矩系數(shù)K是與試驗(yàn)過程中達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)的螺栓預(yù)拉力P所對應(yīng)的施擰扭矩T,以及螺栓直徑d有關(guān)的函數(shù)[1,2],其計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式中,K為扭矩系數(shù),結(jié)果精確至0.001;T為施擰扭矩峰值,單位為N·m,結(jié)果精確至0.1N·m;P為螺栓預(yù)拉力峰值,單位為kN,結(jié)果精確至0.1kN;d為螺栓的螺紋公稱直徑,單位為mm,結(jié)果精確至1mm;rep為試驗(yàn)的總重復(fù)性;n為試樣個(gè)數(shù)。

由于輸入量相互獨(dú)立,且各輸入量之間均為乘除關(guān)系,所以可以不考慮靈敏系數(shù)[3],直接計(jì)算扭矩系數(shù)K相對不確定度,其不確定度傳播律為:

(3)

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及其評定

4.1 施擰扭矩引入的相對不確定度評定

螺栓施擰扭矩的測量不確定度主要由儀器示值的測量不確定度、儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)的不確定度兩個(gè)方面組成。

(1)儀器示值引入的不確定度評定

高強(qiáng)螺栓檢測儀的準(zhǔn)確度等級為1級,扭矩示值誤差為±1.0%,可認(rèn)為示值滿足均勻分布,所以儀器示值引入的不確定度:

(2)儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)引入的不確定度評定

1級設(shè)備的檢定校準(zhǔn)需要0.3級以上精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定校準(zhǔn),該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的誤差為±0.3%,可認(rèn)為示值滿足均勻分布,所以儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)引入的不確定度:

螺栓施擰扭矩引入的相對不確定度為:

4.2 螺栓預(yù)拉力引入的相對不確定度評定

螺栓預(yù)拉力的測量不確定度主要由儀器示值的測量不確定度、儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)的不確定度兩個(gè)方面組成。

(1)儀器示值引入的不確定度評定

高強(qiáng)螺栓檢測儀的準(zhǔn)確度等級為1級,力值誤差為±1.0%,可認(rèn)為示值滿足均勻分布,所以儀器示值引入的不確定度:

(2)儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)引入的不確定度評定

1級設(shè)備的檢定校準(zhǔn)需要0.3級以上精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定校準(zhǔn),該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的誤差為±0.3%,可認(rèn)為示值滿足均勻分布,所以儀器設(shè)備檢定校準(zhǔn)引入的不確定度:

螺栓預(yù)拉力引入的相對不確定度為:

4.3 螺栓的螺紋公稱直徑引入的相對不確定度評定

按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算螺栓扭矩系數(shù)時(shí),用的螺栓公稱直徑為螺栓外螺紋大徑,螺栓外螺紋大徑的公稱誤差為-335μm[4],假定該誤差服從均勻分布,所以得到螺栓公稱直徑引入的相對不確定度:

4.4 螺栓連接副重復(fù)性引起的相對不確定度評定

重復(fù)性引起的相對不確定度主要來源于螺栓預(yù)拉力P測量的重復(fù)性、施擰扭矩T測量的重復(fù)性。螺栓連接副M22×90-10.9S試樣,螺栓直徑為22mm,取8個(gè)連接副試樣進(jìn)行試驗(yàn),并計(jì)算扭矩系數(shù),其結(jié)果如表1所示。

扭矩系數(shù)平均值由式(2)計(jì)算得:

扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差:

重復(fù)性引起的相對不確定度分量:

4.5 相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

由于各分量之間相互獨(dú)立,相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由式(3)計(jì)算:

擴(kuò)展不確定的評定,取包含因子k=2(置信概率95%),可得扭矩系數(shù)的擴(kuò)展不確定度為:

U=2×uc(K)=0.00752

所以扭矩系數(shù)的測量結(jié)果可表示為:

5 討論分析

從以上不確定度分量不難看出,在試驗(yàn)設(shè)備精度滿足要求的條件下,施擰扭矩T和螺栓預(yù)拉力P引入的相對不確定度對扭矩系數(shù)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度幾乎沒有影響,而公稱直徑d的制造公差引入的相對不確定度對扭矩系數(shù)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的影響達(dá)到29.2%,重復(fù)性引入的不確定度對扭矩系數(shù)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的影響高達(dá)到95.6%。因此,在實(shí)際檢測過程中,應(yīng)提高人員的操作水平,尤其是在手動(dòng)施擰過程中,應(yīng)盡量平穩(wěn)、無沖擊、勻速地施加扭矩。程序控制時(shí),應(yīng)選取合適的速率,以保證測量的準(zhǔn)確性。