耿亮， 楊建坤， 竇樹(shù)霞

（1.中海油有限（天津）分公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津 300452）

0 引言

大型柴油機(jī)連桿螺栓在連接連桿大端和連桿體時(shí)，常采用初始力矩加固定轉(zhuǎn)角方法預(yù)緊，連桿螺栓在預(yù)緊過(guò)程中由于被拉長(zhǎng)而產(chǎn)生變形，難以直接測(cè)量實(shí)際施加力矩的大小，例如：某連桿預(yù)緊時(shí)，初始對(duì)連桿螺栓施加50 N·m力矩，然后將其旋轉(zhuǎn)120°，本文基于電測(cè)量方法連桿螺栓在預(yù)緊過(guò)程中不同的力矩下的應(yīng)變，獲取螺栓軸向力與軸向應(yīng)變的關(guān)系，最終計(jì)算得到螺栓的預(yù)緊力,試驗(yàn)結(jié)果為研究后期連桿螺栓預(yù)緊力對(duì)連桿工作過(guò)程中齒形的影響提供理論計(jì)算依據(jù)。

圖1 應(yīng)變片的全橋電路圖

1 電測(cè)量方法原理

惠斯通電橋適用與檢測(cè)電阻的微小變化，應(yīng)變片的電阻變化也可以用這個(gè)電橋來(lái)測(cè)量。而4個(gè)應(yīng)變片組成的全橋電路相對(duì)于其他性質(zhì)的橋路來(lái)說(shuō)更穩(wěn)定更可靠，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，全橋電路將4個(gè)應(yīng)變片分別聯(lián)入4個(gè)橋臂，應(yīng)變片的全橋電路圖如圖1所示，4個(gè)橋臂上的應(yīng)變片電阻分別引起如 R1＋ΔR1、R2＋ΔR2，R3＋ΔR3，R4＋ΔR4的變化時(shí)，應(yīng)變信號(hào)

若4枚應(yīng)變片完全相同，比例常數(shù)為K，且應(yīng)變分別為 ε1，ε2，ε3，ε4；則上式可以寫(xiě)成下面的形式：

根據(jù)上述試驗(yàn)原理與電測(cè)量試驗(yàn)要求，分別對(duì)3根螺栓進(jìn)行粘貼應(yīng)變片。首先對(duì)連桿螺栓局部位置進(jìn)行拋光打磨處理，并沿兩橫兩豎方向粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變片，搭建惠斯通全橋電路，粘貼并焊接接線端子和引出線，根據(jù)應(yīng)變片的方向標(biāo)記應(yīng)變片序號(hào)為1、2、3、4，根據(jù)引出線的位置標(biāo)記線頭為A、B、C、D，以對(duì)應(yīng)應(yīng)變儀接線輸入端的編號(hào)。最后在應(yīng)變片和標(biāo)記上涂一層透明硅膠，做好絕緣防護(hù)措施，貼好應(yīng)變片的螺栓如圖2所示。

圖2 貼好應(yīng)變片的螺栓

2 連桿螺栓預(yù)緊力測(cè)試裝置研制

為了能夠測(cè)試連桿螺栓預(yù)緊過(guò)程中連桿螺栓的預(yù)緊力與連桿螺栓軸向伸長(zhǎng)量的關(guān)系，我們需要開(kāi)發(fā)研制一套連桿螺栓預(yù)緊力測(cè)試裝置，該裝置的設(shè)計(jì)需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：1）該裝置滿足試驗(yàn)機(jī)裝卡要求的同時(shí)，還要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；2）該裝置在結(jié)構(gòu)盡量緊湊時(shí)能夠快速簡(jiǎn)便裝卡，而且保留合理的布線空間和扳手空間。

根據(jù)上述要求，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置的三維模型如圖3所示，并建立三維有限元模型校核該裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，我們選用試驗(yàn)裝置的材料為45鋼，其屈服極限σs=320 MPa，該裝置的有限元分析結(jié)果如圖4所示，最大主應(yīng)力小于250 MPa，故該裝置結(jié)構(gòu)安全，測(cè)試裝置與試驗(yàn)用連桿螺栓實(shí)物如圖5所示。

圖3 試驗(yàn)裝置的三維模型圖

圖4 試驗(yàn)裝置有限元分析

3 測(cè)試方法

首先將圓柱頭套在貼好應(yīng)變片的螺栓兩端，其一端以螺栓頭定位，另一端通過(guò)螺紋連接定位，然后將上下兩個(gè)圓柱套頭分別裝卡在液壓試驗(yàn)機(jī)的上下卡頭處，卡緊后通過(guò)液壓試驗(yàn)機(jī)施加拉力于螺栓上，在拉伸標(biāo)定的過(guò)程中，在液壓機(jī)控制器處記錄液壓試驗(yàn)機(jī)拉力，通過(guò)智能應(yīng)變儀記錄因螺栓變形所產(chǎn)生的電信號(hào)，得到軸向力與電信號(hào)之間的關(guān)系。

圖5 測(cè)試裝置與試驗(yàn)用連桿螺栓實(shí)物

圖6 連桿螺栓轉(zhuǎn)角測(cè)量圖

在連桿螺栓預(yù)緊過(guò)程中需要測(cè)量螺栓的轉(zhuǎn)角，在測(cè)試裝置上貼一張刻度盤(pán)，每格刻度為3°。在進(jìn)行連桿螺栓預(yù)緊時(shí)首先加力矩50 N·m，到位后在螺栓上標(biāo)記一個(gè)起始位置，并對(duì)齊轉(zhuǎn)角的0°，每次擰動(dòng)后，記錄螺栓轉(zhuǎn)過(guò)的角度即可，連桿螺栓轉(zhuǎn)角測(cè)量圖如圖6所示。該刻度盤(pán)能夠方便粘貼在測(cè)試裝置上，并且讀數(shù)簡(jiǎn)易，缺點(diǎn)就是不夠精確，單位誤差為±3°，但是其測(cè)量誤差在試驗(yàn)的控制范圍內(nèi)。

4 連桿螺栓軸向力與應(yīng)變信號(hào)之間的關(guān)系

對(duì)3根螺栓分別貼應(yīng)變片測(cè)量，為了消除偶然誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每根螺栓均測(cè)量2次，在英斯郎特液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)螺栓施加10～150 kN的軸向拉力，單次增量為10 kN，每個(gè)增量時(shí)間為5 s，每段載荷保持時(shí)間為5 s，用智能應(yīng)變儀ZSY-16B采集應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)。測(cè)量得到的螺栓軸向力與應(yīng)變信號(hào)之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 軸向力與電信號(hào)數(shù)據(jù)離散點(diǎn)分布圖

對(duì)試驗(yàn)所得的離散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，線性相關(guān)系數(shù)R均大于0.99，表現(xiàn)為高度的線性關(guān)系，確認(rèn)了測(cè)試元器件和測(cè)試儀器的良好狀態(tài)，為后面的擰緊測(cè)試奠定基礎(chǔ)。

考慮到螺栓在標(biāo)定試驗(yàn)中處于單軸應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)測(cè)量電橋的橋路性質(zhì)，螺栓在標(biāo)定時(shí)的軸向應(yīng)變進(jìn)行換算式中μ為泊松比。

以100 kN載荷狀態(tài)為例，此時(shí)應(yīng)變信號(hào)e=3 700，則算得螺栓軸向應(yīng)變

根據(jù)名義應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算方法，當(dāng)連桿螺栓處于100kN的拉伸載荷狀

式中：E為楊氏模量，E=2.1×105MPa；d為貼片處螺栓直徑，d=21mm。

測(cè)量值與理論計(jì)算值的相對(duì)誤差為0.07%，證明了標(biāo)定測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 連桿螺栓測(cè)試結(jié)果分析

將螺栓預(yù)緊測(cè)試裝置卡緊在液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上，并連接智能應(yīng)變儀，安裝測(cè)試裝置后將應(yīng)變儀信號(hào)清零，再開(kāi)始擰螺栓。將預(yù)制式力矩扳手設(shè)置為50 N·m，擰到位后，開(kāi)始測(cè)量螺栓的應(yīng)變，并將此時(shí)螺栓的轉(zhuǎn)角記為0°，然后采用不同量程規(guī)格的力矩扳手（70～350N·m、300～1000N·m）對(duì)螺栓分別施加100 N·m，200 N·m，…，并分別記錄擰緊力矩值、螺栓轉(zhuǎn)角，以及螺栓應(yīng)變信號(hào)，直到螺栓轉(zhuǎn)角為120°為止。

根據(jù)擰緊測(cè)試得到的螺栓轉(zhuǎn)角和螺栓應(yīng)變信號(hào)，以及前面所述的標(biāo)定試驗(yàn)中得到的軸向力與螺栓應(yīng)變信號(hào)線性關(guān)系，可以計(jì)算得到螺栓軸向力和轉(zhuǎn)角的映射關(guān)系。采用Origin Professional軟件對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，如圖8所示。線性相關(guān)系數(shù)R分別為R1=0.98、R2=0.99、R3=0.99，體現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。

圖8 3根螺栓軸向力與轉(zhuǎn)角分布圖

從圖8可以看出，轉(zhuǎn)角與軸向力呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且線性度較好，表明螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下，螺栓桿仍處于彈性范圍。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，可計(jì)算得到連桿螺栓在50 N·m，120°預(yù)緊狀態(tài)下，預(yù)緊力為175 kN。

6 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一套螺栓預(yù)緊力測(cè)試裝置，對(duì)連桿螺栓進(jìn)行預(yù)緊力測(cè)試，采用應(yīng)變電測(cè)量原理，測(cè)量螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的變形。通過(guò)對(duì)螺栓進(jìn)行拉伸標(biāo)定，建立軸向力和電信號(hào)之間的映射關(guān)系，然后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對(duì)預(yù)緊測(cè)量結(jié)果進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換，得到螺栓軸向力與螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。從標(biāo)定結(jié)果和測(cè)試結(jié)果來(lái)看，均具有較好的線性度，通過(guò)計(jì)算得到在50 N·m，120°的預(yù)緊作用下，螺栓預(yù)緊力為175 kN，本文的研究結(jié)果為研究連桿螺栓預(yù)緊力對(duì)連桿嚙合齒形的影響提供了依據(jù)。

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