基于应变的螺栓拧紧轴力测量研究_魏涛

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一种基于微分法的螺栓紧固轴力超声检测方法

一种基于微分法的螺栓紧固轴力超声检测方
法
螺栓紧固轴力超声检测方法基于微分法，该方法可在螺栓受力状态下，通过超声波的传播特性来监测螺栓轴力大小，实现对螺栓紧固效果的非破坏性检测。

该方法的具体步骤包括：首先使用超声波发射器将超声波传输到螺栓上，并通过超声波接收器获取反射回来的超声波信号；然后通过微分法分析超声波信号的变化趋势，计算螺栓轴力大小，并与预设的轴力值进行比较，从而判断螺栓紧固效果的好坏。

该方法具有操作简便、检测精度高等优点，适用于机械、汽车等行业的螺栓紧固质量检验。

螺栓预紧力测量装置[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201822086685.2(22)申请日 2018.12.12(73)专利权人江苏徐工工程机械研究院有限公司地址 221004 江苏省徐州市经济技术开发区驮蓝山路26号(72)发明人王灿　陈新春　韩帅帅　(74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 11038代理人邹丹(51)Int.Cl.G01L 5/24(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称螺栓预紧力测量装置(57)摘要本实用新型公开了一种螺栓预紧力测量装置，涉及工程机械领域，用以在不破坏螺栓的情况下实现螺栓预紧力的测量。

该螺栓预紧力测量装置包括夹持机构和压力测量装置。

夹持机构被构造为用于夹持螺栓；压力测量装置被构造为通过螺栓的挤压测量螺栓所对应的压力。

上述技术方案，能够在机械产品生产线与售后服务现场准确快速地检测螺栓预紧力，提升螺栓连接可靠、稳定性，提高机械产品的使用性能。

权利要求书2页说明书6页附图1页CN 209148193 U 2019.07.23C N 209148193U1.一种螺栓预紧力测量装置，其特征在于，包括：夹持机构(1)，被构造为用于夹持螺栓(3)；以及压力测量装置(2)，被构造为通过所述螺栓(3)的挤压测量所述螺栓(3)所对应的压力。

2.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量装置，其特征在于，所述夹持机构(1)被构造为长度可变的。

3.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量装置，其特征在于，所述夹持机构(1)被构造为可伸缩的。

4.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量装置，其特征在于，所述夹持机构(1)包括：第一支架(11)；以及第二支架(12)，所述第二支架(12)的第一端与所述第一支架(11)的第一端可滑移地连接，所述第二支架(12)的第二端安装有所述压力测量装置(2)；其中，处于夹持状态下，所述螺栓(3)一端抵顶所述第一支架(11)的第二端，所述螺栓(3)的另一端抵顶所述压力测量装置(2)。

螺栓紧固轴力试验

螺栓紧固轴力试验螺栓紧固轴力试验是一项重要的质量控制测试，用于评估螺栓连接的安全性和可靠性。

本文将介绍螺栓紧固轴力试验的目的、步骤、测试方法和结果分析，并提供一些建议和指导，以确保螺栓连接的高质量。

一、试验目的螺栓紧固轴力试验的主要目的是检验螺栓连接在受力环境下的性能。

它能够评估螺栓连接的最大承载能力，预测和防止螺栓松动或断裂，保证工程结构的安全和可靠。

二、试验步骤1. 选择合适的试验设备和工具，包括扭矩扳手、力矩表和测量工具。

2. 准备试验样品，包括螺栓和连接件。

3. 螺栓紧固前，清洁连接面，确保无杂质和腐蚀。

4. 按照设计要求，使用扭矩扳手逐步施加压力，逐渐紧固螺栓。

5. 使用力矩表记录螺栓紧固的扭矩值，并记录其紧固角度。

6. 重复测试过程，至少进行三次试验，以获得可靠的数据。

三、试验方法1. 静载试验方法：使用静态加载或拉伸设备，逐渐施加力量，测量螺栓连接部位的轴向变形或位移。

2. 动态载荷试验方法：利用震动台或冲击设备，施加动态载荷，观察螺栓连接抗震性能和循环疲劳寿命。

四、试验结果分析1. 螺栓紧固力矩值：与设计要求进行比较，检查是否达到或超过了所需的扭矩值，以确保连接的力学强度和稳定性。

2. 轴向变形或位移：测量螺栓连接部位的轴向变形或位移，评估连接的紧密程度和稳定性。

3. 断裂强度：在动态载荷试验中，观察螺栓是否承受得住冲击或振动，以判断其断裂强度和抗震性能。

五、建议与指导1. 选择合适的试验设备和工具，确保准确测量和记录螺栓连接的数据。

2. 根据不同的工程要求，选择适合的试验方法，包括静载试验和动态载荷试验。

3. 进行足够的试验重复次数，以获得可靠的数据，并确保测试结果的准确性。

4. 根据试验结果，对螺栓连接进行适当的调整和改进，以提高其性能和可靠性。

总之，螺栓紧固轴力试验在工程结构设计和生产制造过程中具有重要作用。

通过正确进行试验，可以评估螺栓连接的安全性和可靠性，并为工程结构的质量控制提供指导和支持。

基于压电阻抗特征频率偏移的螺栓轴向力监测

A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master in EngineeringAxial Force Monitoring of Bolts Based on the Shift of Characteristic Frequency ofPiezoelectric ImpedanceMaster Candidate: WeiDenglaiMajor：Mechanical Engineering Supervisor ：Prof. Wang TaoWuhan University of Science and TechnologyWuhan, Hubei 430081, P.R.ChinaMay, 2018摘要针对工程实际中的螺栓松动问题，将基于压电阻抗特征频率偏移的方法应用于螺栓轴向力的监测，从理论分析、有限元仿真和实验研究三个方面展开了该方法关键性问题的研究，对该方法在螺栓轴向力监测方面做了深入的实验研究。

本文所做的主要研究工作如下：（1）基于压电导纳理论及轴向受载一维梁波动理论，推导出轴向载荷与主结构及压电材料固有频率的关系式，该关系式显示结构的轴向拉伸载荷会使主结构和压电材料横向振动的固有频率线性增大，而轴向压缩载荷则会使主结构和压电材料横向振动的固有频率线性减小。

（2）应用有限元软件模拟结构受不同轴向载荷时结构模态频率和压电导纳信号的变化趋势，得出结构谐振的特征频率和压电材料谐振的特征频率与结构轴向载荷之间的关系。

（3）在理论分析和有限元仿真的指导下，采用铝材板件和棒材分别做了相应的拉伸和压缩对比实验，理论分析和实验结果表明压电导纳信号中主体结构谐振特征频率和压电材料谐振特征频率的偏移与主体结构的轴向拉伸载荷均呈单调递增的关系，而与主体结构的轴向压缩载荷均呈单调递减的关系。

基于应变的螺栓轴向紧固力测量及衰减规律的研究

基于应变的螺栓轴向紧固力测量及衰减规律的研究王小杰;李树栋;阮国靖;徐芳;潘金坤【摘要】为了对地铁客车室门机构螺栓联接进行测量,以获得螺栓拧紧过程中轴向紧固力的大小以及拧紧之后轴向紧固力的衰减变化规律,采用了一种专用螺栓应变片法,通过螺栓拉伸试验机和高精度应变测量仪进行标定,拟合得到螺栓轴向紧固力与应变的关系式,并应用于实际装机状态下的测量,获得了螺栓拧紧时及拧紧后轴向紧固力的数据.测量结果表明,和静态工况相比较,动态工况下螺栓轴向紧固力的衰减速度较快,残余力比值较小,即拧紧后螺栓轴向紧固力下降较多.%In order to do screw connection of metro-car door measurement of bolts and get the axial tightening force of bolt and change rule of axial direction tight force after tightening.A particular bolt strain-slice approach was calibrated, through demarcating bolt tensioner and high precision strain measuring device, got relationship between tight force and strain of bolt axial direction, and applied it practically to measure practical tightening and tightened axial-forces of bolts.The results showed that the axial tightened-force of bolt had very sharply attenuating speed in dynamic working state compared with static state, the axial force has a sharp decline after tightened, which leads to a low ratio of remained force, that is to say, axial direction tight force of bolt after tightening declined radically.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】5页(P68-72)【关键词】螺栓;应变测量;轴向紧固力;衰减;残余力比值【作者】王小杰;李树栋;阮国靖;徐芳;潘金坤【作者单位】南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司技术部,江苏南京 210031;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司技术部,江苏南京 210031;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司技术部,江苏南京 210031;南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司技术部,江苏南京 210031;南京工程学院机械工程学院,江苏南京 211167【正文语种】中文【中图分类】TH131.3通过螺栓联接可以在被联接件之间获得很大的夹紧力，又便于装拆。

螺栓拧紧扭力的检查方法

螺栓拧紧扭力的检查方法螺栓拧紧扭力的检查是确保螺栓在被安装后以正确的扭矩紧固在位置上的关键步骤之一、在各种机械和工程应用中，正确的螺栓拧紧是确保结构完整性和安全性的重要组成部分。

本文将介绍几种常见的螺栓拧紧扭力的检查方法。

1.直接测量扭矩法：最常见的方法是使用扭矩扳手，根据制造商的建议来拧紧螺栓。

扭矩扳手是一种可以测量拧紧扭力的专用工具。

在使用扭矩扳手时，需要根据螺栓规格和应用要求选择合适的扭矩值，并使用扳手精确地拧紧螺栓。

在完成拧紧操作后，可以使用扭矩扳手的读数来检查实际拧紧扭力是否与预期目标值匹配。

2.计算法：另一种常见的方法是使用螺栓的尺寸、材料和摩擦系数等参数，通过计算来确定合适的拧紧扭力。

这种方法需要根据螺栓材料和应用要求选择合适的公式，并使用螺栓尺寸和摩擦系数等参数进行计算。

通过计算，可以得到理论上的拧紧扭力值，然后与实际拧紧扭矩进行比较。

3.拉伸法：拉伸法是一种直接测量螺栓拉伸力的方法，通过测量螺栓拉伸力可以推算出螺栓拧紧扭矩。

这种方法适用于需要非常准确的拧紧扭矩的情况。

在使用拉伸法时，需要使用专用设备（如拉伸仪）来测量螺栓的拉伸力。

然后，根据螺栓规格和应用要求，通过公式或表格来计算出对应的拧紧扭矩值。

4. 麦克斯韦(McPherson)方法：麦克斯韦方法是通过通过测量由螺栓产生的应变来推断螺栓拧紧扭力的方法。

这种方法使用应变计或拉线计来测量应变的变化，然后使用螺栓的材料参数和几何尺寸来计算出拧紧扭矩。

这种方法适用于需要实时监测拧紧扭力的情况，但需要一定的专业知识和设备。

以上是几种常见的螺栓拧紧扭力的检查方法。

在实际应用中，选择适合的方法需要考虑螺栓的材料、规格、应用要求以及可用的工具和设备等因素。

此外，定期检查扭矩设备的准确性和再校准也是保证准确度的重要步骤。

对于特殊应用和要求高精度的情况，建议请专业工程师或技术人员进行检查和测试。

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Key Words： Diesel Engine； Bolt； Axis Force； Strain Measuring
引言
柴油机机械开发过程中，需要对柴油机主要螺栓进行拧紧可靠性分析。柴油机主轴承螺栓、连杆螺栓、气缸盖螺栓、飞轮螺栓、飞轮壳螺栓等与柴油机可靠性密切相关的螺栓在拧紧状态及过程中的拧紧扭矩、转角、轴力、伸长量等参数的变化，是这方面研究的重点。
表 2 第一根螺栓机体拧紧数据
扭矩（ Nm） 100 150 200 250 300 350 400
应变（ με） 837 1246 1754 2201 2650 3256 3642
轴力（ kN） 34． 32 51． 09 71． 91 90． 24 108． 65 133． 50 149． 32
（ 2）应变标定轴力，并用于实际装机状态下的螺栓轴力测量的方法，经理论力学计算印证及实际试验验证，是可行的。
（ 3）粘贴应变片，要对螺栓进行钻孔，破坏螺栓自身结构，会导致测量出来的扭矩、轴力等数值与未加工的螺栓有差异，应寻找对螺栓改动更小的粘贴应变片的方法。
参考文献：
［1］袁桂芳．高强度螺栓的应力测试［J］．起重运输机械， 2004，（ 5）： 53 － 54．
扭矩（ Nm） 101 154 205 256 313 375 403
应变（ με） 821 1260 1722 2095 2572 3104 3325
轴力（ kN） 33． 66 51． 66 70． 60 85． 90 105． 45 127． 26 136． 33
4结论
（ 1）研究结果表明，使用应变标定螺栓拧紧轴力，测量结果一致性较好，可拟合出离散度较小的标定关系式。
WEI Tao，WANG Yang，LI Hong － song，YANG Li － feng （ Weichai Power Co．，Ltd．，Weifang 261001，China）
Abstract： An advanced bolt － screwing device and strain measuring system are used to measure the axial force and strain in the progress of screwing． The relationship between two measurements can be fitted and applied in the practical installation． Then，much accurate bolt tightening results are gotten．
其中螺栓工作状态下的轴力测量，最为关键，也是最难测量的一个参数。关于螺栓轴力的测量，目前有应变测量、超声波测量等间接测量方式。
超声波测量方式，是通过超声波的飞行时间与速度，计算螺栓伸长量，再由螺栓伸长量通过胡克定律计算螺栓轴力。其测量准确度与螺栓端面表面质量、平行度、超声波在螺栓中的传递速度、超声波飞行时间等有关系，准确度不高。
录螺栓轴力与应变的数值变化，测量结果如表 1 所示。
图 4 标定数据的拟合
2． 2 螺栓轴力与应变关系的理论计算可以认为螺栓光杆部分为一近似的截面为圆形
的杆，螺栓轴力为垂直于截面拉伸力 T，截面积为
2011 年第 5 期
魏涛，等：基于应变的螺栓拧紧轴力测量研究 6
·3·
A。根据理论力学理论［2］，此处的拉应力为：
［2］许本安．材料力学［M］．上海：上海交通大学出版社， 1988： 6．
3742 163． 45 1805 80． 85 2242
1962 86． ຫໍສະໝຸດ 4 24052111 93． 47 2552
2251 99． 82 2706
2394 105． 55 2851
2555 111． 57 2983
2669 116． 98 3100
2792 122． 25 3235
2897 127． 61 3353
内燃机与动力装置
2011 年 10 月
小，以最大限度的保持螺栓原始的强度［1］。如图 3 所示。
表 1 螺栓台架拧紧轴力与应变测量结果
1
2
3
应变轴力应变轴力应变轴力应变
（ με）（ kN）（ με）（ kN）（ με）（ kN）（ με）
0
0
0
0
0
0
0
728 38． 29 1016 37． 81 557 25． 69 772
3374 140． 98 2888 115． 61 1188 55． 24 1580
3720 156． 7 3175 129． 6 1341 61． 5 1753
3964 167． 7 3421 142． 98 1497 67． 9 1921
3617 154． 51 1652 74． 33 2108
本文简述了采用应变测量标定螺栓轴力，并进
行实际装机过程测量的一种试验方法。该测量方法通过螺栓拧紧试验机上的轴力传感器直接测量轴力，通过应变仪测量应变，拟合二者关系式；后直接测量螺栓实际装机过程中的应变，代入公式得到螺栓轴力结果。通过试验分析，试验结果准确性高。
1 试验条件
试验时使用一台待装配柴油机，若干相关螺栓进行试验。试验设备为螺栓拧紧试验机、应变测量系统等。其中螺栓拧紧试验机可得到单支螺栓拧紧过程中的转角、扭矩、轴力的变化曲线，应变测量系统则可配合进行应变测量。试验设备如图 1、图 2 所示。
1232 58． 56 1524 57． 74 655 31． 03 922
1784 80． 62 1883 71． 56 775 36． 66 1081
2331 102． 61 2243 86． 25 904 42． 82 1241
2875 122． 37 2577 101． 18 1041 48． 91 1409
试验前需进行准备工作：首先对螺栓进行打孔处理，以便引出应变片连接线。由于所选螺栓光杆位置曲率较大，应变片不易粘牢，在螺栓光杆固定位置打磨出一块小平面，以便粘贴应变片；平面应尽量
作者简介：魏涛（ 1980 －），男，山东潍坊人，硕士，助理工程师，主要从事柴油机零部件可靠性研究工作。
·2·
2011 年第 5 期（总第 125 期）
内燃机与动力装置 I． C． E ＆ Powerplant
【试验研究】
基于应变的螺栓拧紧轴力测量研究
2011 年 10 月
魏涛，王洋，李红松，杨立锋（潍柴动力股份有限公司技术中心，山东潍坊 261001）
摘要：本文采用先进的螺栓拧紧试验机，以及应变测量系统配合试验，对螺栓拧紧过程中的轴力与应变的关系进行了测量，拟合出二者之间的关系式，并应用于实际装机状态下的测量中，得出较为准确的螺栓拧紧轴力结果。
表 3 第二根螺栓机体拧紧数据
扭矩（ Nm） 100 164 253 305 357 409
应变（ με） 1498 1830 2599 3031 3614 3709
轴力（ kN） 61． 42 75． 03 106． 56 124． 27 148． 17 152． 07
表 4 第三根螺栓机体拧紧数据
2999 132． 68 3462
3090 137． 4 3581
3175 141． 65 3680
4 轴力（ kN） 0 25． 88 31． 58 37． 41 43． 54 49． 78 56． 3 63． 43 70． 24 77． 42 84． 26 91． 15 97． 86
104． 61 111． 18 117． 49 123． 09 128． 58 134． 06 139． 14 143． 87 148． 63
将试验结果用最小二乘法进行拟合，得到了螺
栓应变与轴力关系如图 4 所示，其关系式如下：
Y = 0． 041·X
（ 1）
其中 X 代表应变，Y 代表轴力。两者之间线性
相关系数为 0． 975，满足线性要求。
2 试验过程及数据处理
2． 1 螺栓轴力与应变关系式的标定取若干螺栓，在螺栓拧紧试验台上逐步拧紧，记
T A
；
而
由应变应力关系，此处拉应力也可表示为： με·E。由此得到等式：
T A
= με·E
（ 2）
由此可得：
T
=
πD2 4
·E·με
（ 3）
其中 T 代表拉伸力，取其单位为 kN； D 代表截
面直径，取值为 16． 5mm； E 代表材料的弹性模量，取
值为 20℃ 时的 211GPa； με 代表微应变。可计算出关系式如下：
T = 0． 045·με
（ 4）
公式（ 4）从理论力学的角度印证了由试验数据
拟合而成的公式（ 1）。
2． 3 基于应变标定关系的装机状态下的螺栓拧紧
轴力测量
将加工好的 3 根螺栓柴油机机体上进行装配拧
紧，测量拧紧时的螺栓应变，并代入公式 1 进行计算，得出螺栓拧紧时的轴力。如表 2 ～表 4 所示。
关键词：柴油机；螺栓；轴力；应变测量中图分类号：TK426； TH823 文献标志码：A 文章编号：1673 － 6397（ 2011） 05 － 0001 － 03
Study on Axis Force of Bolt Tightening Based on Strain Measurement