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发表于 2007-11-22 14:26:22
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高强度螺栓的测试：一般检测扭矩系数，抗滑移系数7 {. Z! E9 d- m2 ?/ B4 `
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! _+ w s0 r5 n/ ]5 t" m, q2 t J高强度螺栓的应力测试: _! ]$ l, X3 l- ]$ d! S3 Q4 h
高强度螺栓在起重运输机械、钢结构厂房等金属结构中应用广泛[1]。此类螺栓主要依靠预紧力在连接件间产生的摩擦力传递载荷,因而在抗剪和抗拉2方面性能均较好。由于采用高强度钢制造并经热处理,所以预紧力和摩擦力都较大。高强度螺栓克服了普通螺栓承载力低的缺点,其静强度和疲劳强度比同尺寸的铆接还要高。但是,在工程应用中发现,尽管在选用高强度螺栓时已进行过理论计算,并考虑了强度储备,但在实际使用中仍会不时出现高强度螺栓的断裂现象,给生产和安全带来隐患,甚至造成生命财产的重大损失。为了确定在金属结构受力情况下高强度螺栓的应力分布,研究其局部位置的应力集中状况,检验其强度储备,需要采用实验应力分析的方法,测试高强度螺栓在工作状态下的实际应力。实验应力分析的方法较多,有应变电测法、光弹性法、脆性涂层法等。其中应变电测法[2][3]是实验应力分析中1种较成熟的基本方法,在科学与技术领域中应用广泛。现针对具体工程问题,应用应变电测法对高强度螺栓的工作应力进行测试,取得了较满意的结果。6 ?$ ]& L. ]8 y
1测力螺栓的设计、制作与使用用电测法测试高强度螺栓的应力时,不能直接取现用的螺栓,需将1只与实际使用等同的高强度螺栓按照一定的要求进行设计、制作,并根据测试目的进行布片,以便完成测试。测力螺栓的设计、制作与使用,应考虑如下因素:
/ E" y5 \4 ~/ W# I3 `3 [(1)测力螺栓应最大限度的与实际使用的螺栓保持一致,尽可能地再现螺栓的工作状况,所以测力螺栓应选用与实际使用完全相同的螺栓。
4 u: H$ U, R; ~8 R% ~, _2 N" E(2)常用的高强度螺栓直径通常在16mm至30mm之间,受力方向与螺栓杆轴线同向,其螺栓孔直径仅比螺栓杆直径大2～4mm,间隙小,所以不宜直接在螺栓杆表面布片。
, X. e; r/ P. a1 U(3)电阻应变片在曲率大的表面上往往不易粘牢,所以螺栓杆应加工出1块平面,以便容纳应变片和接线端子。但该平面应尽可能小,以便最大限度地保持螺栓杆的承载能力,同时该平面与螺栓孔之间的间隙应保证螺栓装配时应变片不被碰坏。+ N4 W0 N( O. b8 l7 O! E, ]
(4)考虑到应变片引线的顺利导出,可以在螺栓头部的适当位置打一穿孔,引线应尽可能细,孔径尽可能小,以不妨碍导线引出为宜。
4 U' U0 |9 H r6 n3 A(5)加工的平面应较光滑,便于应变片的粘贴。引线从孔中导出时需仔细加以防护,防止引线断裂和短路。
" u$ U6 _! ?& q1 ^9 k: l3 q) u(6)测试前,将贴好应变片的测力螺栓取代需检测部位的螺栓;测试中采用静态或动态应变仪测取各工况的应变值,然后根据相应的计算公式和方法换算为应力值。
9 Y/ n F! X5 g* c+ L2 应用实例
' M6 K* _/ A2 r- E& }某港务公司有1台使用多年的门座起重机,在支腿上端与大圆环连接的法兰盘上,连续出现多起高强度螺栓断裂的现象,为了确定螺栓断裂部位的实际受载情况,分析断裂原因,决定采用应变电测法测试该处螺栓的实际应力。
N7 a7 {# m. ^* B- Z6 E( H! `/ M% {此处螺栓性能等级为818级[1],螺栓公称直径M30,螺栓长度120mm,材料45钢。螺杆头部与螺纹根部截面突变处产生应力集中,断裂面也在这2处发生。为了测试应力集中处的应力,将测力螺栓加工成如图1所示形状,应变片布置在C和D点。
$ P8 ^8 |: }/ X$ Z) u因应变片所得数据为平均值,不可能得到布片点上的真值。因此,测试应力集中应选用微型应变片,这样数据才接近真值。但同时,还应考虑使用的方便,故在测试中应变片选用BE120-1AA(11)微型片,温度自动补偿,阻值为12016Ω,灵敏系数K=2114,敏感栅尺寸为。1mm×1mm,片基尺寸为315mm×415mm。接线端子为905号板基端子,用502胶粘贴,704胶作防护层,先用直径0115mm的单芯线作为引线穿过螺栓头部的引出孔,然后连接在导线上。一片应变片紧贴螺栓头部(图1的D点),另一片贴近螺纹根部(图1的C点)。测量桥采用半桥连接法,分别测试螺栓头部圆弧过渡处和螺纹根部应力集中部位的应变。测试时用测力螺栓替代工作螺栓。测试结束后将测力螺栓取出,再装上新的工作螺栓,实测表明,在静载和动载工况下测试信号良好,图2为动载工况下记录的2个测点信号曲线。0 s9 e- A$ a# Y3 J/ F7 e
由文献[1]知,45钢强化处理后,其屈服强度为σ012=660MPa>214MPa,故虎克定律σ=E·ε适时,换算时取弹性模量E=210GPa=210×103MPa。; r- z/ x- F& e9 i% U Y3 _/ L0 v$ g
从曲线图看出,测力螺栓螺纹根部的实际承载应力最大值为214MPa,已接近许用承载应力值245MPa[1],说明该种高强度螺栓在载荷作用下的强度储备已很少,考虑到螺栓是在交变应力下工作,螺栓的持久极限更小,故发生螺栓断裂是必然的。
4 M) r4 e& d: H) U应说明的是,为了贴片需要,将测力螺栓的栓杆上、下表面加工成平面(各削去2mm),加剧了原有的应力集中[5],使测试值大于真值。但对于工程上而言,其结果是偏于安全的,故满足工程要求。$ `4 J# ?- Y- P3 G# ?4 ], U* n
还有一点不可忽视的是,测力螺栓颈部以压应力为主,表明螺栓是受拉—弯组合变形,而非单纯的拉伸变形,且以弯曲为主。这说明该螺栓的受力比原设计计算假定的工况更复杂、更恶劣,应予重视。+ n& ]) d2 e+ G
3 结论+ H3 ^; }* J, Q& A5 p. f: V
本文介绍了用于电测的测力螺栓的设计制作与使用的原则和方法。实例表明使用应变电测法对高强度螺栓的工作应力进行测试是可行的,测试的结果可信,能满足工程上要求。该方法的应用,便于对金属结构的螺栓连接进行失效分析,也可用于螺栓应力的实时监测。
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% s* J2 z( n5 a* J5 Z[ 本帖最后由 mideas 于 2007-11-22 14:27 编辑 ] |
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发表于 2007-11-22 14:12:25
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1)螺纹成形时产生裂纹，螺栓因之而脆断；(2)杆部与头部交接处表面脱碳、使局部强度降低而断裂；(3)装配时扭矩过大，螺栓明显缩颈而断裂；(4)原材料中心存在裂纹。
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