微机化的多通道超声螺栓应力仪

　　1　引　　言

　　在航空、发电厂、石油化工、阀门厂、核能等一些部门关键性设备安装过程中,都涉及到密封用的螺栓应力是否过大或过小以及同一法兰上各螺栓应力是否一致的问题;如果应力过大,则螺栓易疲劳甚至断裂造成事故;如果过小或不一致则引起泄漏等;这些问题轻者造成设备损坏,严重者可引发生命财产的重大事故,因此螺栓应力的正确测量是工业迫切需解决的问题之一。现今工业中常用的扭力扳手力矩法,由于螺栓上紧过程中螺纹间摩擦力各不相同,因而有较大的误差。利用超声波测螺栓应力已有不少探讨,但目前多采用的纵横波单通道方法测应力[1～4],对于一个法兰螺栓,其中一个螺栓应力的增加,周围螺栓应力将减少,同时关于轴中心对称的螺栓应力又增加,因此仅靠扭力扳手或单通道应力计是很难使同一法兰上各螺栓应力达到大小合适及一致,为此高精度以及测量过程简单一直是人们追求的目标,本文提出采用的多通道声时差法同时测定法兰上各个螺栓应力,精度高,过程简便直观,在测量安装过程中的螺栓应力切实可行。

　　2　仪器工作原理

　　根据非线性声学理论[5],当各向同性固体材料受某一方向应力作用,且超声纵、横波传播方向同应力方向一致,纵横波波速同应力和三阶弹性常数关系为:

     上式中Vla、Vta为纵、横波沿轴向传播的波速;T为应力,拉力为正,压力为负;λ、μ为拉曼常数;l、m为三阶弹性常数;ρ0为材料密度;Cl0、Ct0为应力T=0时纵、横波传播速度。Cl0、Ct0满足下式:

　　(1)式表明应力变化,声速对应着变化。这就为人们测应力提供了理论依据。但是声速是不易直接测量的,声速是通过声时来反应的。由于应力的存在,不仅速度变化导致声时变化,同时材料的拉伸或压缩以及温度变化都会引起材料胀缩从而导致声时改变。因此我们首先要分析螺栓中声时和应力及温度的关系。

　　如图1,当螺栓不受应力时且温度为t0度时,其纵波传播的声时为:

　　上式中L0为应力T=0时且温度为t0时的螺栓总长,r为夹紧距离、r1、r2为T≠0时螺母中螺栓受力长度,r=r+r1+r2为有效夹紧长度,ΔL0=L0-r为螺栓不受力长度。

　　当温度为t度且受应力T时,声波在螺栓中传播的速度发生变化,同时螺栓受拉力伸长,受温度变化伸缩,因此传播的声时S为:

　　上式中ΔLT为应力引起的螺栓长度变化,ΔLt为温度引起r′变化,Vl(T,t)为应力T及温度t时的传播声速,Vl(t)为T=0时且温度为t时的纵波速度,β为温度膨胀系数,Δt=t-t0为温度的变化量。根据弹性理论与热力学可知ΔLT、ΔLt满足下式: