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1、1996年第2期一29一螺栓紧固力超声测量方法同济大学声学研究所刘镇清刘江韦李成林华东电力所季献武摘要报道了最新研制成功的用于螺栓轴向紧固力浏试的超声波应力仪。该仪器通过浏量超,、,,声波纵波声时与温度并根据纵波声时温度与应力的关来由仅器中的徽处理器计茸出实际应力,.该仅器可广泛应用于各种阀门的螺栓紧固力测试保障设备的质贡与安全:叙词超声检验螺栓、,,,一引言工作中并不能直接得到声速而是测量声时作为紧固件的螺栓已广泛应用于电力、航这样在试件长度一定情况下应力与声速的关系。空航夭、桥梁建设等领域,其中的阀门密封更是就演化为应力与声时的关系在近似条件下,轴,大量采用各式各样的螺栓紧固件科学
2、地控制向应力可表示为,螺栓轴向紧固力的大小对设备的安全运行提一K10t一一少(1)高设备寿命等都有重要的意义。目前,我国大多,,式中K常数使用扭力矩扳手在安装螺母过程中控制力矩—。△t声时变化量以此大致控制螺栓轴向力用扭矩推算螺栓轴—t。向力的关键是使螺纹之间及螺母与构件间的摩零应力条件下的声时—擦系数恒定。这在实际工作中是不可能的,因为式(1)适用于温度不变时沿着轴向传播的。,控制力矩是达不到控制螺栓轴向力的。纵波情况当温度变化时纵波声时相对变化可人们早在本世纪切年代就发现了声弹效近似表示为’,△t~”应并提出了用超声波方法测定金属中轴向应一八’a十石`“、乙夕。力〔’〕。万大小的设
3、想以前许多有关的文章都围绕E,式中常数着声弹机理与实验的工作进行较少涉及实用—0仪器的研究、讨论与介绍,这可能与仪器的实用△—温度变化量,、硬。由此可见单纯依靠纵波声时不足以分析化所需的软件技术支持有关随着现代电子出温度变化时的轴向应力。,技术及微机技术的发展超声波螺栓轴向紧固,,一种方法是同时测量纵波与横波声时便力测试技术逐步完善目前已开始出现实用的〔2〕。2可以通过解方程组分别求得试样的轴向应力与测试仪器文献【」中提出了一种用超声纵,、超声温度即解下列方程波横波及温度精密测量螺栓轴向应力的,、`了、月、夕、声..仪器本文则报道了一种以微机为核心的简易、了八qj的实用超声波螺栓紧固力
4、测试仪的原理。该仪器可广泛应用于各种阀门螺栓应力的测量。、`。“”二基本原理式中上角标代表横波情况由式(3)和,,由于声速测量的精度不断提高目前国内式(们可知欲得到轴向应力在不同温度下的唯,,外都倾向以声速为基本参量通过测量超声波一解就必须建立起纵横波声时分别与轴向应。、温,传播速度反映试件内部轴向力的大小在实际力度的关系通过实验可精确地确定它们之一30一]9965年第2期。、一l2o间的关系图图是对一螺栓的声时轴向150mm,,应力关系的部分实验结果螺栓长313mm直实验所用的高精度声时和温度测量系统是,,。径44mm其材质为180iNwA夹紧距离为自制的实验中脉冲超声波的中心频率为
5、z,,SMH采用自发自收工作方式声时为超声波在试件中来回一次所需的时间。测试时,超声波,换能器紧贴在螺栓的一端其测试方式如图3所示。.盆、恨喇蓄曰,几在实验室建立了超声纵横波声时随应力,温度变化关系的基础上可以藉助微机技术将,这些关系数据拟合后存入EpRoM实际应力测,,量时同时测量纵横波声时并根据实验室得到,10020030400500的拟合关系查询对应的应力与温度直接计算。州田.出螺栓轴向应力应力,另一种方法是在实际应用时测量纵波声图l,超声纵波声时与螺栓轴向应力关系时与温度利用图1得到的关系曲线计算出即::198℃:口30℃+▲360℃。刻的螺栓轴向力由于超声横波的精密测量在实际
6、工作中有10峪2560,。一定的麻烦所以选择了后一种方案`-~~~一~~`~~~~~....、..口.....口.,.....一咭~三仪器的组成超声波螺栓紧固力测试仪的基本构成见图.盆绷盆板。4所示,由图l可知应力变化造成的声时变化量是十分微小的,40OMaP的应力仅产生不到0.5,.~...d`....曰.目曰..的纵波声时变化欲得到IMaP的应力测试精100200300400500,s左度就必须有nI右的声时测量精度而且声应力M八时测量还应该是全自动的。以前为了高精度声时测量而发展起来的诸如回波重合法及回波迭图2超声横波声时与螺栓轴向应力关系,:::加法都较难实现微机控制的测量因此
7、提出了口30,C+198,C▲360℃,:一种简易的高精度声时测量方法即脉冲回波「,〕,过零检测法由此形成的声时测量单元很容易与微机接口。用该方法研制的声时测量单元.。的相对精度已达到0Ins微机系统的主要工作是根据存储在,EPROM中不同材料的实验结果进行数据计算并提供人机对话功能。仪器工作时,首先输入螺栓的材质、长度、夹紧长度及截面积,尔后在未拧紧时测量温度与精确长度。这样在螺栓拧紧后就能通过测量声时与温度得到它的轴向紧固,。图3超声波螺栓
