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用贴片光弹法研究螺栓预紧力
    发布日期:2019-01-02 

  螺栓是重要的紧固件,尤其是动力机械中螺栓作用更加明显。例如,内燃机功率大、质量大、振动大等特点决定了某些螺栓需要承受巨大的载荷。为了保证内燃机高速、平稳、安全和长时间的运行,螺栓的预紧力需要周密考虑和实施。预紧力不足,长期运行会松动并产生噪音,加速磨损;预紧力过头,超过螺栓强度,容易造成疲劳破坏。为了研究螺栓预紧力对螺栓的影响,在螺栓头部表面粘贴一片透明贴片-环氧树脂,该环氧树脂牌号618,浅黄色,厚度5mm,材料条纹值12.5KN/m级,用扭力扳手摒紧螺母产生一定预紧力,螺栓受力后导致环氧树脂贴片在偏振光场中产生条纹,该条纹是贴片的主应力差条纹(等色线)。通过分析该条纹,可对螺栓受力情况进行快速评价。

  1 反射光弹测量原理

  用光弹性材料[1](如环氧树脂)薄片贴在构件表面,构件受力时,该光弹贴片将随构件表面变形而变形,通过反射式光弹仪可以观测到光弹贴片中产生了与构件表面变形有关的应力光图,这是一种暂时双折射现象[2],即释放力后,相关条纹也随即消失。通过数码相机拍摄该应力光图获得光弹性实验数据,再通过计算获得待测构件表面应变或应力。反射光弹光路如下图1所示,箭头方向标明了光路。

  2 螺栓预紧力实验

  图2显示了螺栓固定时的状态,被固定工件4为上下两部分,通过螺栓1、螺母2及垫圈3连接,在螺栓1的头部粘贴光弹贴片5,将此连接放置在图1所示的光路中,光弹贴片5朝向光源。用扭力扳手(图3所示)对螺母2施加扭力,产生螺栓预紧力,螺栓头部主要受到的外力是螺栓根部与被固定工件接触面垂直的拉力、孔边对螺栓根部的剪切力以及接触面摩擦产生的扭转力等复杂组合。当施加不同扭矩时,影响螺栓头部的受力大小不同,通过图1的反射光弹仪获得相应的应力光图[3]也就有变化(图4所示)。

  扭力扳手是一种可施加设定扭矩的拧螺栓的工具。利用上图3的扭力扳手,笔者对不同直径的国标螺栓(M12、M14、M16)进行了比较实验,由于螺栓直径不同,其刚度也就有所差别,若施加相同的扭矩T,不同直径的螺栓产生的变形也相对不同,反映出来的应力光图除形状有差别外,条纹的级数也不同。从光弹性条纹级数分析[4]的角度去看,应力光图反映了螺栓头部在摒紧情况下受到挤压和剪切等复杂力作用下产生变形,导致光弹贴片受力的情况,只要正确判读条纹级数这一关键数据,通过式(1)代入材料条纹值及贴片厚度等参数,可以得到贴片的主应力差值。限于篇幅,只列举了M14六角头螺栓头部光弹贴片应力光图的实验结果,见下图4。

  3 实验中的几个关键问题

  实验发现:不同直径螺栓的应力光图形状上的不尽相同,可能是螺栓受力面不平整,或螺栓加工有误差,从而受力方向不是严格的垂直于螺栓头部,即受力方向也可能不同;实验方案中,光弹贴片的厚度、粘贴强度、材质均匀程度均是误差产生的重要组成部分;信息采集的过程是光线倾斜照射,数码相机接收信息时也是倾斜的,这种斜射带来的误差难以克服。这样观测到的光学效应是被测点一定宽度范围内的平均值。若采用下图所示的正交型反射式光弹光路布置,则可显著减少上述斜射误差,箭头方向标明了光路,见图5。

  正交型反射式光弹光路中置有一半反半透镜,入射光和反射光都垂直于贴片,增加的这一半反半透镜具有改变光线方向并平分光能的作用,从而保证光路的正交,且入射光与反射光均通过光弹贴片同一点,可不产生斜射误差。但是,该系统调整麻烦,且半反半透镜要损失部分光强。而对于目前大功率固体激光(如532nm固体泵浦激光功率可达150mw以上)或高能LED灯可以方便的获得的情况下,仍然可以接受。

  4 应力分析

  构件自由表面与贴片完全粘合,具有相同的变形[5],下面各公式下标b表示螺栓头,c表示光弹贴片。根据平面应力-光学定律,并考虑光线两次通过贴片,则贴片的主应力差为

  其中n为光弹条纹级次,f0为贴片材料的应力条纹值,该值为常数,可以通过表格[6]查到,t为贴片厚度。根据胡克定律,得贴片的主应变差为

  由此可知,由反射式光弹仪测得光弹贴片等差线的条纹级数n,再通过式(3)、(4)就可求出螺栓头部的表面主应变差和主应力差。条纹级数n是其中的关键数据,可以通过条纹补偿[7]的方式从图4所示的应力光图中求得。

  光弹条纹可直接获得主应力差,对于各点的主应力,需要补充条件,通过应力分离[8](如光弹条纹斜射法)或计算(切应力差法)的方式来获得。例如,切应力差法就要利用等差线和光弹另一重要数据—等倾线(即主应力方向线)通过从边界插值计算,可逐点求得主应力。本文重点为条纹最大级数与预紧力的关系。下表1显示了M12、M14、M16三种螺栓在不同扭矩(T)预紧力下,通过条纹补偿获得的最大条纹级数n(单位为级)。

  5 结论

  螺栓试件放置在光路中,在逐步加载过程中,可以看到主应力等差线逐步变化的过程,建立条纹最大级数与预紧力的关系,从而可确定施加合适的预紧力,既能满足足够的预紧力要求不致松动,又能保证螺栓预紧力不会过头,造成破坏。该方法灵敏度高、直观、简单等诸多优点,适合现场测量和检测。甚至在螺栓摒紧后,再粘贴光弹贴片,可长期监测螺栓头部的残余应力(或其释放)情况,类似于一种全场的实时光学应变片,从而对螺栓工作状态给出合适的评价;或者用有限元进行模拟计算,以期得到光弹条纹级数、扭矩、螺栓表面应力等直接关系,从而使得该方法极具推广应用价值。

  参考文献:

  [1] 蔡履中.光学(第三版)[M].北京:科学出版社,2007.

  [2] 成都地质学院岩石教研室.晶体光学[M].北京:地质出版社,1797.

  [3] 计欣华,张丽娜.数字光弹性相移法中全场等倾线和等差线相位[J].光学学报,2008,28(2):273-278.

  [4] 韩永胜,张东升,罗淼.用双波长法和相移法确定光弹性参数[J].工程力学,2008,25(2):62-65.

  [5] 陆鹏,张熹,吴君毅等.光弹性法在弹性联轴器挠性杆上的应用研究[J].柴油机,2008,30(5):48-50.

  [6] A.科斯柯,G.罗伯逊.光弹性应力分析[M].上海:上海科学技术出版社,1979.

  [7] 张熹.光测弹性力学在柴油机设计中的应用[R].船用柴油机(内参),1976(1).

  [8] 赵清澄.光测力学[M].上海:上海科学技术出版社,1982.

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