CN112179553A - 一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，包括以下步骤：步骤1：在待测螺栓两端面粘贴压电晶片；步骤2：标定螺栓轴向应力系数Kx，径向应力系数Ky；步骤3：服役状态下时间t1与轴向零应力下时间t0x之差Δt1＝t1‑t0x；步骤4：根据轴向应力系数Kx，计算轴向力F1＝Kx·Δt1；步骤5：服役状态下时间t′与零应力下时间t0之差Δt′＝t′‑t0；步骤6：服役状态下的螺栓的剪切力引起的声时差为Δt2＝Δt′‑Δt1＝(t′‑t0)‑(t1‑t0x)；步骤7：根据径向应力系数Ky，计算剪切力F2＝Ky·Δt2；本发明通过设置不同压电晶片的激发、接收方向和位置，分别测量待测螺栓服役状态下的轴向力和剪切力，提高了螺栓应力的测量精度；能够同时测量轴向力和剪切力。

Description

一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法
技术领域
本发明涉及超声波无损检测技术领域，具体涉及一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法。
背景技术
螺栓连接作为工程生产中重要的连接方式，通过与接触表面和螺纹之间的摩擦作用传递节点力来支撑结构，可以提供足够大的连接力。具有结构简单、装卸方便、效率高、成本低等优点，被广泛应用于航空航天、交通桥梁、建筑结构、化工产品等重要设备中。
在实际工程建设中，不合适的螺栓轴向力会损坏螺栓连接副的质量，并直接影响到设备的整体性和可靠性。因此准确、直观且便捷地测量螺栓应力对其在工业领域的广泛应用起到至关重要的作用。传统的螺栓轴向应力测量方法有扭矩扳手法、电阻应变片法等。但大多方法由于其控制精度差、测量效率低等问题，在螺栓应力监测方面还存在一定的局限性。
近年来，无损检测技术中的超声测量方法在螺栓应力测量应用中取得了快速发展，超声波法测量应力基于声弹性的理论基础历经多年研究也得到了完善。其中，超声纵波法因沿中轴传输，对柱状形状的螺栓具有极高的灵敏度，被广泛运用于螺栓应力的工程测量中。超声测量方法主要过程是利用超声脉冲发生器产生超声波脉冲，通过压电晶片产生激励电压，击打螺栓产生超声波，脉冲信号入射至被检螺栓，并在螺栓底部发横反射，信号回传至换能器，在示波器中显示回波信号，回波信号的传播时间差得到螺栓伸长量，回波信号传播时间差随载荷增加而增加。
在航天航空或交通桥梁等重要领域中，已紧固的关键螺栓除了受到拉伸载荷外，还会承受弯曲载荷，在弯曲载荷的作用下，螺栓发生径向弯曲并造成螺栓传播路径改变，影响螺栓应力的测量。剪切力对超声测量影响主要存在于螺栓的弯曲几何形状、载荷、弯矩和超声换能器几何形状的综合影响。
现有技术方案中尚无同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种可以准确、直观且便捷地超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法。
本发明采用的技术方案是：一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，包括以下步骤：
步骤1：在待测螺栓两端面粘贴压电晶片，每个端面的压电晶片均为两个半圆形同心压电晶片；不同端面的压电晶片结构相同、同轴且同方向，螺栓头部上侧为压电晶片A、下侧为压电晶片B，尾部上侧为压电晶片a，下侧为压电晶片b；
步骤2：标定螺栓轴向应力系数Kx，径向应力系数Ky；
步骤3：对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t1与轴向零应力下时间t0x之差Δt1＝t1-t0x；
步骤4：根据轴向应力系数Kx，计算轴向力F1＝Kx·Δt1；
步骤5：与步骤3保持相同服役状态，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t′与零应力下时间t0之差Δt′＝t′-t0；
步骤6：服役状态下的螺栓的剪切力引起的声时差为Δt2＝Δt′-Δt1＝(t′-t0)-(t1-t0x)；
步骤7：根据径向应力系数Ky，计算剪切力F2＝Ky·Δt2。
进一步的，所述步骤2中螺栓轴向应力系数Kx标定方法如下：
S11：在零应力状态下，对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到螺栓零应力声时t0x；
S12：在轴向负载条件下对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时tx；
S13：计算声时差Δtx＝tx-t0x；
S14：加载不同的负载，重复步骤S12和S13，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Kx。
进一步的，所述步骤2中螺栓径向应力系数Ky标定方法如下：
S21：在零应力状态下，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓零应力声时t0；
S22：在径向负载条件下对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时ty；
S23：计算声时差Δty＝ty-t0；
S24：加载不同的负载，重复步骤S22和S23，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Ky。
进一步的，所述螺栓公称直径不小于压电晶片直径，压电晶片为直径为10mm、中心频率为3MHz。
进一步的，所述压电晶片通过紧固胶粘贴在螺栓两端面。
进一步的，所述径向应力系数Ky标定过程中，待测螺栓受剪切力状态可以为单剪状态、双剪状态和四剪状态；单剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左、右两侧方向施加的力均为N；双剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/2N，1/2N进行施加，右侧施加力为N；四剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/3N，1/3N、1/3N进行施加，右侧施加力为1/2N，1/2N；左右两侧剪切力交叉施加。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置不同压电晶片的激发、接收方向和位置，分别测量待测螺栓服役状态下的轴向力和剪切力，提高了螺栓应力的测量精度；
(2)本发明测量方法考虑待测螺栓受剪切力不同状态，提高了径向应力系数的标定精确度；
(3)本发明测量方法快速、便捷、成本低、对操作人员要求低，为测量螺栓的轴向力和剪切力提供了可行性。
附图说明
图1为本发明压电晶片安装位置示意图。
图2为本发明中单剪状态的待测螺栓示意图。
图3为本发明中双剪状态的待测螺栓示意图。
图4为本发明中四剪状态的待测螺栓示意图。
图5为本发明中单剪状态的径向应力系数标定夹具安装示意图。
图6为本发明中双剪状态的径向应力系数标定夹具安装示意图。
图7为本发明中四剪状态的径向应力系数标定夹具安装示意图。
图中：1-待测螺栓试样，2-压电晶片，31-第一夹具，32-第二夹具，33-第三夹具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，包括以下步骤：
步骤1：在待测螺栓两端面粘贴压电晶片，每个端面的压电晶片均为两个半圆形同心压电晶片；不同端面的压电晶片结构相同、同轴且同方向，螺栓头部上侧为压电晶片A、下侧为压电晶片B，尾部上侧为压电晶片a，下侧为压电晶片b。
测量之前将待测螺栓进行打磨处理，满足表面粗糙度小于3.2μm的表面要求。在螺栓两端面粘贴压电晶片，使用螺栓紧固胶在螺栓两端面沿中心轴分别粘贴两个相同的半圆形同心压电晶片；保证同一端面的两个半圆形压电晶片同心，不同端面的半圆形压电晶片同轴且同方向固定于待测螺栓上。一般要求螺栓公称直径不小于压电晶片直径，本实施例中选择8.8级M20高强碳钢螺栓，压电晶片直径为10mm、中心频率为3MHz。当然螺栓和压电晶片也并不限于上述尺寸。
步骤2：标定螺栓轴向应力系数Kx，径向应力系数Ky；
螺栓轴向应力系数Kx标定方法如下：
S11：在零应力状态下，对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，根据得到的螺栓零应力基准波形，计算螺栓零应力声时t0x；超声波应力测试过程为保证实验过程实验室处于同一温度下，待测螺栓固定一定的夹持长度夹持在拉伸机上进行拉伸实验。
S12：在轴向负载条件下对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时tx；
轴向应力状态的待测螺栓仅受轴向力，呈沿螺栓轴向的应力方向，利用拉伸机对待测螺栓进行拉伸，待测螺栓轴向伸长稳定后进行测试，根据得到的螺栓轴向测量波形和轴向应力状态声时差标定轴向应力系数。
S13：计算声时差Δtx＝tx-t0x；
S14：加载不同的负载，重复步骤S12和S13，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Kx。
螺栓径向应力系数Ky标定方法如下：
S21：在零应力状态下，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓零应力声时t0；超声波应力测试过程为保证实验过程实验室处于同一温度下，待测螺栓固定一定的夹持长度夹持在拉伸机上进行拉伸实验。
S22：在径向负载条件下对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时ty；径向应力状态的待测螺栓仅受剪切力，呈垂直螺栓轴向的应力方向。
待测螺栓受剪切力状态可以为单剪状态、双剪状态和四剪状态；单剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左、右两侧方向施加的力均为N如图2所示；双剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/2N，1/2N进行施加，右侧施加力为N如图3所示；四剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/3N，1/3N、1/3N进行施加，右侧施加力为1/2N，1/2N如图4所示；左右两侧剪切力交叉施加。
根据剪切力状态设置对应弯曲夹具，单剪状态时夹具如第一夹具31如图5所示，当然夹具并不限于上述结构，只要能够实现垂直于待测螺栓左、右两侧分别施加N大小的力的要求即可。
双剪状态时夹具如第二夹具32如图6所示，上侧夹具夹持部分为柱状结构，下侧夹具夹持部分设置有凹陷部分，上侧夹具伸入下侧夹具凹陷部分；夹具上设置有供待测螺栓穿过的孔。当然夹具并不限于上述结构，只要能够实现垂直于待测螺栓左侧施加1/2N，1/2N的力，右侧施加N的力的要求即可。
四剪状态时夹具如第三夹具33如图7所示，上侧夹具夹持部分为类“山”字形结构，下侧夹具夹持部分为类“U”形结构，上侧夹具夹持部分和下侧夹具夹持部分相互配合。夹持部分上设置有供待测螺栓穿过的孔。
S23：计算声时差Δty＝ty-t0；
S24：加载不同的负载，重复步骤S22和S23，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Ky。
步骤3：对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t1与轴向零应力下时间t0x之差Δt1＝t1-t0x；
步骤4：根据轴向应力系数Kx，计算轴向力F1＝Kx·Δt1；待测螺栓轴向力大小与轴向力引起的声时差呈线性关系。
步骤5：与步骤3保持相同服役状态，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t′与零应力下时间t0之差Δt′＝t′-t0；
步骤6：服役状态下的螺栓的剪切力引起的声时差为Δt2＝Δt′-Δt1＝(t′-t0)-(t1-t0x)；
步骤7：根据径向应力系数Ky，计算剪切力F2＝Ky·Δt2；待测螺栓剪切力大小与剪切力引起的声时差呈线性关系。
本发明中的声时指超声信号从螺栓端面至另一端面的纵波传播时间。
现有还没有能够同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，本发明通过设置不同超声传感器(压电晶片)的激发、接收方向和位置；同步测量待测螺栓服役状态下的轴向力和剪切力，提高了螺栓应力的测量精度，该测量方法具有快速、便捷、成本低、对操作人员要求低，为测量螺栓的轴向力和剪切力提供了可行性。并且根据待测螺栓服役状态时的实际受剪面情况，如单剪、双剪、四剪；改变螺栓径向标定时夹具的安装方式，提高径向应力系数Ky标定的精确度。

Claims (6)

1.一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在待测螺栓两端面粘贴压电晶片，每个端面的压电晶片均为两个半圆形同心压电晶片；不同端面的压电晶片结构相同、同轴且同方向，螺栓头部上侧为压电晶片A、下侧为压电晶片B，尾部上侧为压电晶片a，下侧为压电晶片b；
步骤2：标定螺栓轴向应力系数Kx，径向应力系数Ky；
步骤3：对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t1与轴向零应力下时间t0x之差Δt1＝t1-t0x；
步骤4：根据轴向应力系数Kx，计算轴向力F1＝Kx·Δt1；
步骤5：与步骤3保持相同服役状态，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到服役状态下时间t′与零应力下时间t0之差Δt′＝t′-t0；
步骤6：服役状态下的螺栓的剪切力引起的声时差为Δt2＝Δt′-Δt1＝(t′-t0)-(t1-t0x)；
步骤7：根据径向应力系数Ky，计算剪切力F2＝Ky·Δt2。
2.根据权利要求1所述的一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，所述步骤2中螺栓轴向应力系数Kx标定方法如下：
S11：在零应力状态下，对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到螺栓零应力声时t0x；
S12：在轴向负载条件下对压电晶片A-b或B-a进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时tx；
S13：计算声时差Δtx＝tx-t0x；
S14：加载不同的负载，重复步骤S12和S13，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Kx。
3.根据权利要求1所述的一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，所述步骤2中螺栓径向应力系数Ky标定方法如下：
S21：在零应力状态下，对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓零应力声时t0；
S22：在径向负载条件下对压电晶片A-a或B-b进行超声波应力测试，得到螺栓应力条件下声时ty；
S23：计算声时差Δty＝ty-t0；
S24：加载不同的负载，重复步骤S22和S23，得到不同的声时差，根据线性关系拟合标定得到Ky。
4.根据权利要求1所述的一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，所述螺栓公称直径不小于压电晶片直径，压电晶片为直径为10mm、中心频率为3MHz。
5.根据权利要求1所述的一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，所述压电晶片通过紧固胶粘贴在螺栓两端面。
6.根据权利要求3所述的一种超声同步测量螺栓轴向力和剪切力的方法，其特征在于，所述径向应力系数Ky标定过程中，待测螺栓受剪切力状态可以为单剪状态、双剪状态和四剪状态；单剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左、右两侧方向施加的力均为N；双剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/2N，1/2N进行施加，右侧施加力为N；四剪状态为负载力垂直于待测螺栓左右两个方向分别施加，左侧为1/3N，1/3N、1/3N进行施加，右侧施加力为1/2N，1/2N；左右两侧剪切力交叉施加。
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