Page 66 - 无损检测2021年第四期

赵新玉, 等:

高强度发动机螺栓轴向应力的测量

( )] +2 r'σ / E
2r' [ 1+ β t- t 0
=
c ( σ , t ), p
2 r' [ 1+ β t- t 0 K p σ+2r'σ / E
)]
(
T 0 , p + ( 24 )
(
c 0 , p 1- α p Δt )( 1-K p σ )
为纵波受应力σ 且温度为 t 时的声速;
式中: c ( σ , t ), p
r' 为螺栓有效夹紧距离。
( ( 25 )
c ( σ , t ), p = 1- α p Δt ) c σ , p
( 26 )
r'= r+ r 1 + r 2
图 1 横纵波一体的超声换能器实物
ΔL =L 0 - r' ( 27 )
5 ℃ 。螺栓型号参数如表 1 所示。
r' ( 有效夹紧距离) = 螺帽的 ⅟+ 螺母的 ⅟+ 夹

表 1 螺栓型号参数
紧长度。
同理可知 螺栓型号 材料 硬度 韧性
A 款螺栓 35CrMoV 较小 好
2Δ L ( 1+ β Δt )
T s= + B 款螺栓 35CrMoV 较大 差
c t , s
( )] +2 r'σ / E
2r' [ 1+ β t- t 0 整 套 测 量 系 统 的 试 验 装 置 由 两 部 分 组 成 ( 见
=
c ( σ , t ), s
图 2 ), 即施加应力部分和超声测量部分。
2 r' [ 1+ β t- t 0 K s σ+2r'σ / E
)]
(
T 0 , s+ ( 28 )
c 0 , s 1- α p Δt )( 1-K s σ )
(
σ=
T p M -T s
)
2 r' ( 1+ β Δt )( K p -K s
)
( T p M -T s K p +K s +
)(
c 0 , p 1- α TΔt )
(
( 29 )
为横波受力时的声时。
式中: T s
, 约为 10 -11 , 10 -12 的数量级, 因此 图 2 螺栓测量系统组成框图
由于 K p K s
式( 29 ) 可简化为 整套系统由横纵波一体探头、 脉冲收发仪、 数据
) ( 30 ) 采集 卡、 系 统 软 件 等 组 成。 系 统 的 采 样 频 率 为
σ=K ( r )( T p M -T s

1GHz , 采用横纵波一体的超声换能器, 使用脉冲收
c 0 , p
K ( r ) = ( 31 )
)
M2r' ( K p -K s 发仪进行信号激励, 采用螺栓测量系统对超声信号
利用拉伸机和扭力机标定出螺栓轴力与横纵波 的跃度时间进行记录, 根据记录的时间得出已紧固
跃度时间之间的关系, 利用式( 30 ) 求出 K ( r ) 并拟 螺栓的轴向应力。
合成曲线, 保存在计算机中。实际测量时只需测量
出紧固后螺栓的横波声时与纵波声时, 依据保存的 3 系数测量与实测结果
拟合曲线就可以求出此时螺栓的轴向应力。 标定时采用螺栓夹具对螺栓进行夹持, 夹具螺
2 试验平台 孔长度与实测时的螺孔长度相同, 模拟螺栓预紧工
况。使用静态液压万能试验机 MTS-C64.301 进行
具有独特设计且横纵波一体的超声换能器( 内 精确地定量拉伸试验, 可 以 获 得 准 确 的 应 力 - 声 时
环纵波, 外环横波) 实物如图 1 所示, 换能器横波单 对应曲 线。 静 态 液 压 万 能 试 验 机 的 拉 伸 极 限 为
元与纵波单元相互独立, 且可由系统控制进行激励,
300kN , 以 10kN 为一个步进进行拉伸试验。试验

中心频率为 2.5MHz , 直径为 12mm 。
结果均使用 MATLAB 软件对被测螺栓的轴力 和
被测缸体高强度螺栓的材料为 35CrMoV , 轴承
T p M-T 进 行 拟 合, 并 对 拟 合 的 直 线 进 行 F 检 验
s

高强度螺栓分为 A 款和 B 款。栓体直径为13mm ,
[ 8 ]
( 显著性检验) , 检验结果说明声时差与应力之间
为了获得更强的回波信号, 需要对螺栓上下底面进
有良好的线性关系, 发动机缸体与轴承的拟合曲线
行打磨, 使 用 调 制 蜂 蜜 为 耦 合 剂, 试 验 温 差 小 于
如图 3 , 4 所示。
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2021 年 第 43 卷 第 4 期

无损检测