Page 64 - 无损检测2021年第四期

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DOI : 10.11973 / ws j c202104007

高强度发动机螺栓轴向应力的测量

赵新玉, 王英华, 张佳莹

( 大连交通大学 材料科学与工程学院, 大连 116028 )

摘 要:依据声弹性理论中超声波传播速度与材料内部应力的关系, 提出采用超声横波和纵
波联合的方式, 使用横纵波一体化探头对已紧固发动机螺栓轴向应力进行测量的方法。对不同材
料螺栓在高载荷时的栓体轴向应力测量系数进行研究, 给出了螺栓材料系数的标定方法。主要对

发动机缸体和轴承高强度螺栓在加载到 140kN 左右时的测量结果进行了分析, 实测结果显示应

力超声测量的误差小于 5kN 。
关键词:声弹性理论; 横波和纵波; 轴向应力; 一体化

中图分类号: TG115.28 文献标志码: A 文章编号: 1000-6656 ( 2021 ) 04-0026-04

Themeasurementoftheaxialstressinahi g hstren g then g inebolt

ZHAOXin y u , WANGYin g hua , ZHANGJia y in g

( SchoolofMaterialsScienceandEn g ineerin g , DalianJiaoton gUniversit y , Dalian116028 , China )

Abstract : Accordin g totherelationshi pbetweentheultrasonicvelocit yandtheinternalstressofthematerialin

thetheor yofacousticelasticit y , amethodofmeasurin gtheaxialstressofthefastenin gen g ineboltb yusin gthe

inte g ratedlon g itudinalandtransversewavep robeisp ro p osed.Themeasurementcoefficientofaxialstressofbolts

withdifferentmaterialsunderhi g hloadisstudiedandthecalibration methodofboltmaterialcoefficientisg iven.

Thisp a p ermainl y anal y zesthemeasurementresultsofen g inec y linderblockandbearin ghi g hstren g thboltsdurin g

loadin g toabout140kN.Theex p erimentalresultsshowthattheerrorran g eofultrasonicstressmeasurementis

within5kN.

Ke ywords : acoustoelastictheor y ; shearwaveandlon g itudinalwave ; axialstress ; inte g ration
螺栓是一种利用螺母与螺纹产生的紧固应力对 弹性法测 量 螺 栓 的 影 响 因 素 进 行 了 研 究; 何 存 富
结构进行连接的工具, 广泛应用于船舶、 建筑、 车辆、 等 [ 5 ] 研究了温度对测量精度的影响; 贾雪等 [ 6 ] 详细
航空航天等领域, 而螺栓的轴向预紧力是影响螺栓 论述了基于声弹性理论的超声螺栓应力测量原理,
寿命以及使用状态的重要因素 [ 1 ] 。虽然采用超声单 同时研究了温度对波速的影响。综上所述, 各国的
纵波测量技术也能够有效得到螺栓的轴向应力, 但 学者对超声波螺栓载荷的测量方法均进行了深入研
该法需要测量螺栓的原始长度, 故发动机上无法拆 究, 但还是无法解决单纵波对已紧固螺栓和未知长
卸的螺栓不能使用该测量法 [ 2 ] 。 度螺栓的测量问题。
目前, 采用超声波对螺栓进行应力分析的研究 笔者采用声弹性理论的横纵波无损测量方法,
有很多。赵春华等 [ 3 ] 提出使用超声技术在线实时检 建立了超声横纵波螺栓测量系统, 并通过采用横纵

测风电机组螺栓的轴向应力; 韩玉强等 [ 4 ] 对使用声 波一体化探头以及 1GHz的高频数据采集卡提高
了测量精度和稳定性。对发动机缸体及轴承上的高
强度螺栓进行了实际轴力测量, 并与预加载轴力进
收稿日期: 2020-11-20
行对比, 验证了系统测量的准确性。
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51905070 )
作者简介: 赵新玉( 1979- ), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为 1 超声测量螺栓应力的原理
焊接和检测技术与装备
考虑微小质点沿x 轴振动( 纵波) 的情况, 弹性
通信作者: 张佳莹, z jy @d j tu.edu.cn
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2021 年 第 43 卷 第 4 期

无损检测