扭拉试验设备的研究

　　螺栓安装时施加的安装扭矩与产生的预紧力存在近似的线性关系[1], [2], 工程上称之为扭拉关系。对于预紧力有控制要求的螺栓连接, 扭拉关系是指导装配的有效依据。

　　扭拉关系是紧固件、被连接件、安装、环境等多方面因素的综合反映。扭拉试验就是要在模拟这些实际安装条件的前提下, 测取仿真装配过程中的安装扭矩和对应拉力的数值, 进而确定出扭拉关系。对于用于扭拉关系研究的试验设备而言, 对实际安装条件的仿真能力、对安装过程中的扭矩和拉力的同步测试能力是评价其有效性的两个不可或缺的基本环节。

　　1 扭拉试验设备研制的现状

　　从测量的力值量的形式来看, 目前用于扭拉关系研究的试验设备分为 3 种形式: 基于扭拉复合传感器的直接测量; 力值量的转换测量; 力值传递测量。

　　1.1 直接测量

　　直接测量的前提是具备扭拉复合传感器, 在这种传感器基础上设计的试验设备结构一般都可以做得比较精巧。目前, 国内还没有此类传感器研发的经验, 用这种方法制造设备的条件还不具备。国外能提供此类成型设备的国家也很少, 主要是德国 ( SCHATZ 公 司 ) 和 美国 ( 通用公司) 。

　　1.2 转换测量

　　力值的转换测量的原理是把对轴向力的测量转换为其它因素的测量, 并由两个测试因素间的对应关系, 由代替的测量值计算转化得出力值数据。这种方法在测试上又叫间接测量。常见的有超声波法和应变片法。

　　超声波法是测量螺栓安装过程中的伸长量并换算成预紧力, 其关键装置即预紧力测试系统要在螺栓制造过程中附加在螺栓上, 因而对螺栓有特定的制造要求, 所以虽然该方法预紧力控制的准确性高, 但目前推广使用的可能性很低。

　　对于应变片法, GJB 715.15—1999 《紧固件试验方法 力矩—拉力》中给出了一个测试的实现原理, 如图 1 所示。这种方法在结构上来看比较简单, 理论上讲测试精度比较高, 但由于受螺栓长度范围、夹具制造水平、应变片粘贴质量等多重因素的制约, 这种形式的测量方法也不具有工程推广价值。

　　1.3 传递测量

　　直接测量螺栓受到的轴向力一般比较困难,但通过力值传递的方法可以有效解决这个问题。这就要求设计特定的机械结构, 把螺栓受到的轴向力逐级转化到可以方便测量的部位上。这种方法在设计上要综合考虑力值传递与传感器的安装。图 2 给出的是基于该方法的结构示意图。采用该方法的特点要附加一个机械式的力值传递结构, 因而整个设备系统往往体积庞大, 结构笨重, 但这种方法对于解决目前国内扭拉试验设备缺乏有现实意义。