螺栓联接预紧力测量装置的研究

　　根据生产要求,经常需要测定不同规格、不同材料、不同工艺的螺栓拧紧时所受预紧力。而现有各类螺栓测力试验装置多数以专门制作的螺栓作传感元件,其测量范围受到限制。我们根据螺栓联接被预紧时,螺栓所受预紧拉力与被联接件所受压力二者大小相等的原理,利用测力弹性元件做被联接件,测出它所受压力,即为作用于螺栓的预紧拉力。

　　1　传感器的结构和原理[1]

　　测力传感器采用的是剪辐式电阻应变传感器,其结构如图1所示。

　　弹性体轮毂开孔,装入被测力螺栓后置于机架上,端部固定联接钢板。拧紧螺母时,螺栓受拉伸,拉力通过螺栓头部传给轮毂。轮毂高度略低于轮缘,在拉力作用下,轮毂发生位移,轮缘端部则受固定钢板约束反力而不动。轮缘、轮毂的刚度比轮辐大,相对压缩变形可忽略。故轮辐在相反二力作用下受剪力和弯矩,并产生变形。根据力学分析可知,轮辐两端弯矩大小相等、方向相反,则中部弯矩为零,各处剪力是一个常数,轮辐高度中性轴上剪应力最大。故在轮辐各侧面中点处,按±45°方向粘贴电阻应变片,测得其与剪力对应的正应力,通过机械标定与数据分析计算,即可得出所测螺检承受的预紧力。轮毂与固定钢板内孔较大,配上不同大小的套筒垫片,即可装配不同规格的螺栓,这样,同一套测力装置,可用于4~5种外轻的螺栓的测力试验,零件长度及其它工况要求也容易满足,因此试验设备的适用范围大为增加。

　　2　传感器主要设计计算[2]

　　为了扩大测量范围,提高测量精度,我们设计制作了两种规格的传感器,二者外形尺寸(轮缘外径、高度、轮毂高度)完全一样,以便装于同一机架上。轮毂内、外径按所配测试零件最大尺寸设计。弹性变形部位———辐板的尺寸则按强度计算确定。

　　根据试验设备及测试对象的工作要求,确定传感器两种设计载荷:

　　Ⅰ:Fmax1=50 kN,适用于较小螺栓测试。

　　Ⅱ:Fmax2=80 kN,适用于较大螺栓测试。

　　弹性体设计主要技术要求:非线性误差δ1≤1%,重复误差δ2≤2%;弹性滞后δ3≤2%,允许过载率10%。

　　为保证良好弹性和足够强度,并考虑加工性能和货源,选用40Cr作弹性体材料。按有关资料可得:许用正应力[σ]=435MPa,许用剪应力[τ]=327MPa。

　　如图2,工作时弹性体中部受螺栓拉力F,轮缘处受约束反力F′(=-F)。轮辐的A端固定于轮缘,而B端则随轮毂位移。每个轮辐可简化为一悬臂梁,受剪力FB和弯矩MB、MA。图2 公式

　　因为弹性体所测量的是与剪应力对应的正应力,故应按剪切强度设计,再校核其弯曲强度。