RU2456562C1 - Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud - Google Patents
Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456562C1 RU2456562C1 RU2011106674/28A RU2011106674A RU2456562C1 RU 2456562 C1 RU2456562 C1 RU 2456562C1 RU 2011106674/28 A RU2011106674/28 A RU 2011106674/28A RU 2011106674 A RU2011106674 A RU 2011106674A RU 2456562 C1 RU2456562 C1 RU 2456562C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stud
- steel bolt
- rod
- metal
- mechanical stress
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано в машиностроительной отрасли при сборке узлов и деталей корпусных изделий.The invention relates to the field of non-destructive testing of materials and products and can be used in the engineering industry when assembling nodes and parts of hull products.
Известен способ контроля уровня затяжки стального болта (шпильки) [авторское свидетельство СССР №463019, G01L 5/24, опубл. 1975 г.], основанного на применении упругого элемента, устанавливаемого между фланцем и гайкой (или головкой болта). Величину возникающего при затяжке осевого усилия в стержне стального болта (шпильки) контролируют по изменению диаметра упругого элемента, который измеряется устройством с ценой деления не менее 0.001 мм.A known method of controlling the level of tightening of a steel bolt (stud) [USSR copyright certificate No. 463019, G01L 5/24, publ. 1975], based on the use of an elastic element installed between the flange and the nut (or bolt head). The magnitude of the axial force arising during tightening in the shaft of a steel bolt (stud) is controlled by a change in the diameter of the elastic element, which is measured by a device with a division price of at least 0.001 mm.
Для практической реализации этого способа требуется организация массового производства упругих элементов разных типоразмеров со строго выдержанными механическими параметрами. С другой стороны, применение упругого элемента при сборке корпусных изделий приводит к увеличению их себестоимости.For the practical implementation of this method, the organization of mass production of elastic elements of different sizes with strictly consistent mechanical parameters is required. On the other hand, the use of an elastic element in the assembly of hull products leads to an increase in their cost.
Наиболее близким решением является способ [Бобренко В.М., Рудаков А.С. Исследование усилий в резьбовых соединениях акустическим тензометрированием. - Дефектоскопия, 1986, №7, с.11-14], заключающийся в измерении скорости акустической волны, распространяющейся в стержне стального болта или шпильки и основанный на линейной зависимости изменения скорости акустической волны от величины одноосных механических напряжений в области упругой деформации металла.The closest solution is the method [Bobrenko V.M., Rudakov A.S. The study of forces in threaded joints by acoustic strain gauging. - Defectoscopy, 1986, No. 7, pp. 11-14], which consists in measuring the speed of an acoustic wave propagating in a rod of a steel bolt or stud and based on the linear dependence of the change in the speed of the acoustic wave on the value of uniaxial mechanical stresses in the region of elastic deformation of the metal.
Сущность способа заключается в том, что изменение механического напряжения в стержне стального болта или шпильки приводит к изменению времени пробега ультразвуковых волн в металле, при этом в области упругой деформации металла увеличение времени пробега акустической волны прямо пропорционально механическому напряжению [Анисимов В.А., Каторгин Б.И., Куценко А.Н. и др. Акустический контроль усилий затяжки разъемных соединений жидкостных ракетных двигателей нового поколения. - Контроль. Диагностика, 2002, №4, с.13-25].The essence of the method lies in the fact that a change in mechanical stress in the rod of a steel bolt or stud leads to a change in the travel time of ultrasonic waves in the metal, while in the region of elastic deformation of the metal, an increase in the travel time of an acoustic wave is directly proportional to mechanical stress [Anisimov VA, Katorgin B.I., Kutsenko A.N. and others. Acoustic control of tightening forces of detachable joints of new generation liquid rocket engines. - The control. Diagnostics, 2002, No. 4, p.13-25].
Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки:However, the known technical solution has the following disadvantages:
1. Способ требует наличия стандартного образца и применим лишь для контроля уровня затяжки нового стального болта или шпильки.1. The method requires a standard sample and is applicable only to control the level of tightening of a new steel bolt or stud.
2. Имеются ограничения для линейных размеров стального болта или шпильки (например, отношение диаметра к длине стержня стального болта должно быть не более 0.6) и места контроля (контроль возможен лишь с торцов стального болта или шпильки).2. There are restrictions for the linear dimensions of the steel bolt or stud (for example, the ratio of the diameter to the length of the steel bolt shaft should be no more than 0.6) and the place of control (control is possible only from the ends of the steel bolt or stud).
Задачей изобретения является повышение эффективности контроля уровня затяжки стального болта или шпильки за счет повышения чувствительности способа и расширения номенклатуры контролируемых болтов.The objective of the invention is to increase the efficiency of monitoring the level of tightening of a steel bolt or stud by increasing the sensitivity of the method and expanding the range of controlled bolts.
Поставленная задача решается способом контроля уровня затяжки стального болта или шпильки, заключающимся в том, что на контролируемой поверхности стержня стального болта или шпильки полюсом намагничивающего устройства стержневого типа создают локальную область с остаточной намагниченностью металла, измеряют нормальную составляющую напряженности поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и по измеренному параметру магнитного поля определяют по предварительной, экспериментально полученной зависимости величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки.The problem is solved by controlling the level of tightening of a steel bolt or stud, which consists in the fact that on the controlled surface of the rod of a steel bolt or stud with a pole of a rod-type magnetizing device, a local region with a residual magnetization of metal is created, the normal component of the field strength of the residual magnetization is measured over the middle of this local region and the measured magnetic field parameter is determined by preliminary, experimentally obtained dependence in mask stress rod a steel bolt or pin.
Отличие заявляемого изобретения заключается в том, что на контролируемой поверхности стержня стального болта или шпильки полюсом намагничивающего устройства стержневого типа создают локальную область с остаточной намагниченностью металла, измеряют нормальную составляющую поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и по измеренному значению магнитного поля определяют величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки.The difference of the claimed invention lies in the fact that on the controlled surface of the rod of a steel bolt or stud with a pole of a rod-type magnetizing device, a local area with a residual magnetization of metal is created, the normal component of the field of residual magnetization above the middle of this local area is measured, and the magnitude of the mechanical stress is determined by the measured value of the magnetic field rod of steel bolt or stud.
Эти отличительные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».These distinctive features allow us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "novelty."
При анализе известных технических решений не обнаружено сведений о создании на стержне стального болта или шпильки локальной области с остаточной намагниченностью металла, измерении нормальной составляющей поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и определении по измеренному значению магнитного поля величины механического напряжения стержня стального болта или шпильки.In the analysis of the known technical solutions, no information was found about creating a local area on the steel bolt or stud rod with a residual magnetization of the metal, measuring the normal component of the residual magnetization field over the middle of this local region, and determining the mechanical stress value of the steel bolt or stud rod from the measured magnetic field.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».This allows us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "inventive step".
Сущность способа контроля уровня затяжки стального болта или шпильки заключается в следующем.The essence of the method of controlling the level of tightening of a steel bolt or stud is as follows.
Если стержень стального болта или шпильки предварительно намагнитить постоянным магнитным полем и приложить к нему растягивающее механическое напряжение, то остаточная намагниченность металла будет монотонно уменьшаться (разрушение остаточной намагниченности) примерно по линейному закону в области упругой деформации металла и переходить в пологую часть, стремясь к некоторому минимальному значению в области упругопластической и пластической деформации металла. Начало перехода в пологую часть будет соответствовать максимально возможному уровню затяжки стального болта или шпильки. Соответственно будет уменьшаться напряженность магнитного поля рассеяния над поверхностью стержня стального болта или шпильки (поле остаточной намагниченности).If the rod of a steel bolt or stud is pre-magnetized with a constant magnetic field and a tensile stress is applied to it, the residual magnetization of the metal will monotonically decrease (destruction of the residual magnetization) approximately linearly in the region of elastic deformation of the metal and go over to the shallow part, tending to a certain minimum value in the field of elastoplastic and plastic deformation of the metal. The beginning of the transition to the gentle part will correspond to the maximum possible level of tightening of the steel bolt or stud. Accordingly, the intensity of the scattering magnetic field above the surface of the rod of the steel bolt or stud (the field of remanent magnetization) will decrease.
Измеряя напряженность поля остаточной намагниченности над поверхностью стержня стального болта или шпильки, на основе предварительно полученных зависимостей напряженности магнитного поля от механического напряжения металла, можно косвенно оценить величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки при его затяжке.By measuring the field strength of the remanent magnetization over the surface of a steel bolt or stud rod, based on previously obtained dependences of the magnetic field strength on the mechanical stress of the metal, one can indirectly estimate the value of the mechanical stress of the steel bolt or stud rod when it is tightened.
Представленные чертежи иллюстрируют заявленный способ. На фиг.1 представлен график зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от величины механического напряжения, на фиг.2 представлена зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от момента силы в разных частях стержня стального болта.The presented drawings illustrate the claimed method. Figure 1 shows a graph of the dependence of the field strength of the remanent magnetization of the metal on the magnitude of the mechanical stress, figure 2 shows the dependence of the field strength of the remanent magnetization of the metal on the moment of force in different parts of the steel bolt rod.
Предлагаемый способ контроля уровня затяжки стального болта или шпильки осуществляется следующим образом. На любой, доступной для контроля поверхности стержня (торец, боковая поверхность) незатянутого стального болта или шпильки создают область с остаточной намагниченностью металла Jro, для чего на поверхность стержня последовательно устанавливают и плавно удаляют полюс намагничивающего устройства, изготовленного из постоянных магнитов.The proposed method of controlling the level of tightening of a steel bolt or stud is as follows. An area with a residual magnetization of metal J ro is created on any rod surface accessible to control the rod surface (end face, side surface) of a loose steel bolt or stud, for which purpose the pole of a magnetizing device made of permanent magnets is sequentially installed and smoothly removed from the rod.
Установив над серединой намагниченной области стержня стального болта или шпильки преобразователь магнитного поля, измеряют нормальную составляющую напряженности поля остаточной намагниченности металла Hro, которая прямо пропорциональна остаточной намагниченности металла:By installing a magnetic field transducer over the middle of the magnetized region of the steel bolt or stud rod, measure the normal component of the field strength of the residual magnetization of the metal H ro , which is directly proportional to the residual magnetization of the metal:
где TF - топографический фактор, зависящий от размеров а, b полюса намагничивающего устройства и координат точки измерения магнитного поля x, y, z.where TF is a topographic factor depending on the sizes a, b of the pole of the magnetizing device and the coordinates of the measuring points of the magnetic field x, y, z.
При затяжке стального болта или шпильки в стержне происходит увеличение продольного растягивающего механического напряжения, которое приводит к монотонному уменьшению величины остаточной намагниченности металла, аналитически описываемой формулой:When tightening a steel bolt or stud in the rod, an increase in the longitudinal tensile mechanical stress occurs, which leads to a monotonic decrease in the value of the residual magnetization of the metal, analytically described by the formula:
где Jr(σ) - остаточная намагниченность металла при механическом напряжении σ≠0, Jro, Hco - остаточная намагниченность и коэрцитивная сила металла в ненапряженном состоянии (σ=0), µo=4π 10-7 Гн/м - магнитная постоянная, λs - магнитострикция насыщения, Bs - магнитная индукция насыщения, Bo - магнитная индукция металла, соответствующая минимуму магнитострикции.where J r (σ) is the remanent magnetization of the metal under mechanical stress σ ≠ 0, J ro , H co is the remanent magnetization and coercive force of the metal in the unstressed state (σ = 0), μ o = 4π 10 -7 GN / m is magnetic constant, λ s — saturation magnetostriction, B s — saturation magnetic induction, B o — metal magnetic induction corresponding to a minimum of magnetostriction.
Соответственно монотонно будет уменьшаться и напряженность поля остаточной намагниченности металла (фиг.1), которая описывается аналитической зависимостью, получаемой на основе формул (1), (2):Accordingly, the field strength of the residual magnetization of the metal will decrease monotonically (Fig. 1), which is described by the analytical dependence obtained on the basis of formulas (1), (2):
Величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки определяют следующим образом:The value of the mechanical stress of the rod of a steel bolt or stud is determined as follows:
способ 1: измеренную величину поля остаточной намагниченности Hr подставляют в уравнение (3), и, решая его, находят соответствующее значение механического напряжения σ;method 1: the measured value of the field of the residual magnetization H r substitute in equation (3), and solving it, find the corresponding value of the mechanical stress σ;
способ 2: значение механического напряжения стержня стального болта или шпильки определяют по предварительно экспериментально полученной зависимости напряженности поля остаточной намагниченности стержня от механического напряжения растяжения (или момента силы при затяжке) стального болта или шпильки (фиг.1, фиг.2).method 2: the value of the mechanical stress of the rod of a steel bolt or stud is determined by the previously experimentally obtained dependence of the field strength of the residual magnetization of the rod on the tensile stress (or torque when tightening) of a steel bolt or stud (figure 1, figure 2).
Пример конкретного выполненияConcrete example
Способ контроля уровня затяжки стального болта или шпильки был апробирован на образце стального болта длиной стержня 200 мм и диаметром 16 мм.A method for controlling the tightening level of a steel bolt or stud was tested on a steel bolt sample with a shaft length of 200 mm and a diameter of 16 mm.
Полюс стержневого постоянного магнита подносился и далее плавно удалялся от поверхности металла стального болта. Диаметр полюса постоянного магнита был равен 18 мм, магнитное поле около полюса доводило металл до технического насыщения. Напряженность нормальной составляющей поля остаточной намагниченности этой области измерялась магнитометром, наибольшая погрешность измерения которого не превышала 5%.The pole of the rod permanent magnet was brought up and then gradually moved away from the metal surface of the steel bolt. The diameter of the pole of the permanent magnet was 18 mm; the magnetic field near the pole brought the metal to technical saturation. The intensity of the normal component of the field of the residual magnetization of this region was measured by a magnetometer, the maximum measurement error of which did not exceed 5%.
Увеличение механического напряжения стержня стального болта (затяжка стального болта) осуществлялось с помощью динамометрического ключа, позволяющего создавать наибольший момент силы 150 Нм, при этом дискретность изменения момента силы была равна 10 Нм.The increase in the mechanical stress of the steel bolt rod (tightening the steel bolt) was carried out using a torque wrench, which allows to create the greatest moment of force of 150 Nm, while the discreteness of the change in the moment of force was 10 Nm.
На фиг.2 показана экспериментально полученная зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от момента силы при затяжке стального болта в разных частях стержня - на торцевой и на боковой поверхностях (в средней части стержня).Figure 2 shows the experimentally obtained dependence of the field strength of the residual magnetization of the metal on the moment of force when tightening a steel bolt in different parts of the rod - on the end and side surfaces (in the middle part of the rod).
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла на торце стального болта от момента силы М при затяжке (фиг.2) описывается уравнением (достоверность аппроксимации R2=0,9889):The dependence of the field strength of the residual magnetization of the metal at the end of the steel bolt from the moment of force M during tightening (figure 2) is described by the equation (reliability of the approximation R 2 = 0.9889):
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла на боковой поверхности стержня стального болта описывается уравнением (достоверность аппроксимации R2=0,9917):The dependence of the field strength of the residual magnetization of the metal on the side surface of the steel bolt rod is described by the equation (reliability of the approximation R 2 = 0.9917):
Постоянные коэффициенты при переменной М в формулах (4), (5) отличаются друг от друга не более чем на 4%, что свидетельствует об одинаковом наклоне кривых, полученных для разных точек стержня стального болта.The constant coefficients for the variable M in formulas (4), (5) differ from each other by no more than 4%, which indicates the same slope of the curves obtained for different points of the steel bolt rod.
Это обстоятельство является свидетельством одинакового изменения внутреннего механического напряжения в стержне стального болта в области упругой и упругопластической деформации металла, независимо от места измерения, и является основанием для контроля механического напряжения стального болта или шпильки на любой, практически доступной точке поверхности стержня.This circumstance is evidence of the same change in the internal mechanical stress in the steel bolt rod in the region of elastic and elastoplastic deformation of the metal, regardless of the place of measurement, and is the basis for monitoring the mechanical stress of the steel bolt or stud at any practically accessible point on the surface of the rod.
Статистическая обработка экспериментально измеренных данных показала, что наибольшая погрешность косвенной оценки момента силы (механического напряжения) при затяжке стального болта на основе напряженности поля остаточной намагниченности не превышает 3-5% в области упругопластической деформации металла.Statistical processing of experimentally measured data showed that the largest error in the indirect estimation of the moment of force (mechanical stress) when a steel bolt is tightened on the basis of the field strength of the remanent magnetization does not exceed 3-5% in the region of elastoplastic deformation of the metal.
Таким образом, использование предлагаемого способа контроля уровня затяжки стального болта или шпильки обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:Thus, the use of the proposed method of controlling the level of tightening of a steel bolt or stud provides the following advantages in comparison with the prototype:
1. Предложенное техническое решение не требует наличия стандартного образца и применимо для контроля уровня затяжки стальных болтов или шпилек практически всех типоразмеров.1. The proposed technical solution does not require a standard sample and is applicable to control the level of tightening of steel bolts or studs of almost all sizes.
2. Контроль механического напряжения стального болта или шпильки возможен на любой, практически доступной точке поверхности стержня.2. Monitoring the mechanical stress of a steel bolt or stud is possible at any practically accessible point on the surface of the rod.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011106674/28A RU2456562C1 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011106674/28A RU2456562C1 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2456562C1 true RU2456562C1 (en) | 2012-07-20 |
Family
ID=46847503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011106674/28A RU2456562C1 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2456562C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2031404C1 (en) * | 1991-03-29 | 1995-03-20 | Институт физики металлов Уральского отделения РАН | Ultrasonic device for inspection of ferromagnetic articles |
| RU2193190C2 (en) * | 2000-07-31 | 2002-11-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР" | Fault detecting magnetometer |
| RU2214589C2 (en) * | 2001-12-25 | 2003-10-20 | Дубов Анатолий Александрович | Article quality control method |
| RU2324195C1 (en) * | 2006-10-03 | 2008-05-10 | Дочернее Открытое Акционерное Общество (ДОАО) "Оргэнергогаз" | Magnetic field converter |
-
2011
- 2011-02-22 RU RU2011106674/28A patent/RU2456562C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2031404C1 (en) * | 1991-03-29 | 1995-03-20 | Институт физики металлов Уральского отделения РАН | Ultrasonic device for inspection of ferromagnetic articles |
| RU2193190C2 (en) * | 2000-07-31 | 2002-11-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР" | Fault detecting magnetometer |
| RU2214589C2 (en) * | 2001-12-25 | 2003-10-20 | Дубов Анатолий Александрович | Article quality control method |
| RU2324195C1 (en) * | 2006-10-03 | 2008-05-10 | Дочернее Открытое Акционерное Общество (ДОАО) "Оргэнергогаз" | Magnetic field converter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БОБРЕНКО В.М., РУДАКОВ А.С. Исследование усилий в резьбовых соединениях акустическим тензометрированием // Дефектоскопия. - 1986, №7, с.11-14. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aydin et al. | Effect of multi-axial stress on iron losses of electrical steel sheets | |
| Kypris et al. | Measuring stress variation with depth using Barkhausen signals | |
| CN108896230B (en) | Bolt fastening force ultrasonic detection and key detection parameter determination method based on finite element | |
| Karthaus et al. | Effect of mechanical stress on different iron loss components up to high frequencies and magnetic flux densities | |
| Kypris et al. | Experimental verification of the linear relationship between stress and the reciprocal of the peak Barkhausen voltage in ASTM A36 steel | |
| Leuning et al. | Magnetic material deterioration of non-oriented electrical steels as a result of plastic deformation considering residual stress distribution | |
| Kim et al. | A general nonlinear magneto-elastic coupled constitutive model for soft ferromagnetic materials | |
| JP2020091162A (en) | Residual pre-stress estimation method for pc girder | |
| RU2456562C1 (en) | Method of controlling level of tightness of steel bolt or stud | |
| Lahyaoui et al. | Effect of mechanical stress on magnetization and magnetostriction strain behavior of non-oriented Si-Fe steels at different directions and under pseudo-DC conditions | |
| Graham et al. | Modeling of a Galfenol transducer using the bidirectionally coupled magnetoelastic model | |
| JP2004184392A (en) | Method of nondestructively measuring deterioration of ferromagnetic structural material due to passage of time | |
| Gorkunov et al. | The influence of the magnetoelastic effect on the hysteretic properties of medium-carbon steel during uniaxial loading | |
| Nowell et al. | A comparison of recent models for fatigue crack tip deformation | |
| Szewczyk | Stress-induced anisotropy and stress dependence of saturation magnetostriction in the Jiles-Atherton-Sablik model of the magnetoelastic Villari effect | |
| Gorkunov et al. | The influence of elastic deformations on the hysteresis properties of a two-layer ferromagnet composed of components with magnetostrictions of opposite signs | |
| Gotoh et al. | Electromagnetic inspection method of slack of high tension bolt | |
| RU2326356C1 (en) | Magnetic method of determining axial mechanical stresses in complexly stressed magnetic material | |
| Liu et al. | Stress monitoring of prestressed steel strand based on magnetoelastic effect under weak magnetic field considering material strain | |
| ElBidweihy et al. | Modeling and experimental analysis of magnetostriction in high strength steels | |
| Jackiewicz et al. | Modelling the influence of stresses on magnetic characteristics of the elements of the truss using extended Jiles-Atherton model | |
| Lombard et al. | Formulation of a Mechanical Stress Dependent Macroscopic Magnetic Model for Incremental Permeability Simulation | |
| Lazreg et al. | Influence of plasticity on magnetic and magnetostrictive behaviors of dual-phase steel | |
| RU2189036C1 (en) | Method determining fatigue range of long-length ferromagnetic article | |
| Sablik | Prediction of magnetic properties of a plastically deformed steel and one way to measure its plastic deformation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150223 |