电测法测定螺纹联接预紧力

　　1　前言

　　工程中有许多时候必须控制螺栓联接中预紧力的大小,目前通常都采用测力矩扳手或定力矩扳手来加以控制。这种方法虽然简单,但属间接方法,不直观,往往不够精确。本文介绍一种在拧紧螺纹过程中可随时直接测定出螺栓所受预紧力的数值的电测型扳手,具有直接、精确、实用的优点。

　　2　原理

　　2·1　螺栓预紧力与扳手弯矩

　　拧紧螺母时,螺栓所受的力矩[1]

　　扳手加力P后的弯矩如图1所示,由平衡关系,螺母所受扭转力矩T应与扳手0-0截面弯矩M0相等。在扳手上取定等间距的两截面1-1,2-2,相应弯矩为M1、M2,则有

　　当P力作用于2-2截面右侧的任一点时,在保持拧紧力矩T不变的情况下,虽然M1、M2之值有变化,但仍有T=2M1-M2的关系(图1中虚线),这就是说,通过式(4)来测定螺栓预紧力F时,将不受P力加力点位置的影响。

2·2　螺栓预紧力与扳手应变

　　设扳手弹性模量为E,截面抗弯模量为W,则有

　　2·3　螺栓预紧力与电桥输出电压

　　(1)应变片布与电桥接法　由式(5)知,对于给定直径d的螺栓,若能测出扳手中的应变ε1、ε2,即可得出预紧力F。为此,可如图1所示,在1-1截面上、下侧面沿中心线方向粘贴电阻应变片R1、R3,在2-2截面上、下侧面沿中心线粘贴应变片R2、R4(扳手截面选矩形截面),然后将R1、R2、R3、R4按图2线路联接成电桥。其中R1、R2、R3、R4为同阻值,同规格应变片,R5、R6为与R1、R2、R3、R4阻值相同的外接固定电阻。扳手加力后,R1、R2、R3、R4有电阻变化,分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4,R5、R6不受力,无电阻变化,故ΔR5=ΔR6=0。根据文献[2],此时电桥有电压输出

　　3　测定方法与装置联接

　　由式(7)、式(8)知,因E、W、V、K均为常数,故对于给定直径d的螺栓,预紧力F与电桥输出电压ΔV成正比。因而只要用电位差计测出电桥输出电压ΔV,即可得出螺栓所受预紧力F。在具体测量时,可将小型电位差计直接安装在扳手手柄上,小型电位差计可采用精度、灵敏度较高的指针式微伏表,其测量精度可控制在0·5%之内。并将电桥输出端引线接入电位差计(微伏表)的输入端,电桥供桥电压采用6~9 V直流电压。另外,将电位差计的读数盘按式(7)进行各相应直径下的预紧力与输出电压间的标定,亦即将电位差计上的电压读数乘以相应的预紧力系数C,这样就可在转动扳手过程中直接在电位差计的读数盘上随时读出螺栓中预紧力的大小。