拉铆钉螺杆应力测试误差分析及修正

2012-07-14高丰顺成志强

中国测试 2012年2期

高丰顺，成志强

（西南交通大学力学与工程学院，四川成都 610031）

0 引言

拉铆钉是利用胡克定律原理，用拉铆钉专用设备在单向拉力的作用下，将套入的环状套环的金属挤压并充满到带有多条环状沟槽的螺杆凹槽内，使套环与螺杆形成100%的结合，产生永久紧固力。拉铆钉紧固件具有高紧固力、永不松动及高抗剪力等特性。实验采用压阻式压力传感器和金属应变式传感器进行拉铆钉铆固后在-50～70℃内钢质螺杆的轴向应力测试，测得的轴向应力由两部分组成，分别是拉铆钉预紧力和受钢质螺杆及铝质套环线膨胀系数差异影响引起的温度应力。比较两种方法的测试结果，有图1所示的差异。本文分析了测试差异产生的原因，并提出对拉铆钉铆固和温度变化时螺杆应力测试的改进方法。

图1 两种测试方法螺杆轴向应力测试结果比较

1 热应力

物体的温度发生变化时，它和不能自由伸缩的其他物体之间或是物体内部各部分之间相互约束所产生的应力称为热应力或温度应力[1]。

杆和套环的线膨胀系数分别为αc、αt，弹性螺模量为 Ec、Et，截面积为 Ac、At，预紧力为 Fc0、Ft0，温度内力为 Fct、Ftt，温度变化量为 Δt，常温下螺杆和套环的长度均为l。为简单起见，假定仅在长度方向上产生应力和应变。

常温下螺杆和套环上的预紧力平衡，温度变化后，它们的轴力平衡：

由式（1）可得温度变化引起的螺杆和套环上的内力相等。

变形几何方程和物理关系[2]为

Δlc=Δlt

式中：Δlc——螺杆的变形；

Δlt——套环的变形；

Δlct、ΔlcF——螺杆由温度变化和温度内力引起的变形；

Δltt、ΔltF——套环由温度变化和温度内力引起的变形。

联立式（1）和式（2），可求得螺杆温度应力为

由式（3）可知，当螺杆和套环的线膨胀系数、弹性模量、截面积变化不大时，螺杆温度应力与温度变化量为线性关系。

2 两种测量方法的工作原理

2.1 金属应变式传感器

电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形的变化而发生变化的现象[3]。实验采用箔式电阻应变片进行测量，并以钢质材料制作的补偿块对测量电路进行温度补偿。

2.2 压阻式压力传感器

压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的半导体器件。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用力而变化的压阻效应。其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上利用集成电路的工艺方法扩散上4个阻值相同的半导体应变电阻。当硅膜片两边存在压力差时，在硅膜片上产生应力，硅膜片上的4个等值电阻在应力作用下，阻值发生变化，一对变大，另一对变小，使电桥失去平衡，输出与被测压力成比例的电压[4]。

3 测量结果分析

3.1 预紧力测量结果分析

在常温下测量螺杆的预紧力，比较两种方法的测量结果，使用金属应变式压力传感器测得的轴向应力均值为368.7MPa，使用压阻式压力传感器测得的轴向应力均值为395.6MPa，大于应变传感器的测量结果，相对误差为6.8%。产生这种差异的原因是电桥存在零位输出以及两种测试方法的误差。由于压阻式压力传感器采用半导体材料的扩散技术，被连接成惠斯通电桥的4个电阻的阻值不可能制作得完全相等，扩散电阻的各个电阻温度系数也不一定相等。基于这些原因，在组成桥路时容易产生零位漂移和零位温度漂移[5-6]。零位输出电压即在不加任何输入下电桥的输出电压时，若使用惠斯通电桥，电源电压为3V，R1=R2=R3=R，R4=0.99R，则输出电压为

可求得零位输出电压为7.5mV。在压力传感器的测试结果中，存在较大的零位输出，因此测试结果往往偏大。测量之前对每个金属应变片的阻值进行检验，使用的各金属应变片阻值基本相同，所以零位输出很小，应变式传感器测得的螺杆预紧力更接近于真实值。

3.2 温度应力测试结果分析

将试件置于控温试验箱中，采用两种测量方法同时进行测量，测量结果如表1所示。考察温度应力随温度的变化关系，如图2所示。铁的线膨胀系数为12×10-6/℃，而铝的线膨胀系数为 23×10-6/℃，约为铁的2倍。在温度升高时，套环的膨胀量大于螺杆，这将引起螺杆产生额外的轴向拉力。温度降低时，套环的收缩同样要比螺杆快，但是由于预紧力的作用，二者仍然紧密连接在一起，因此螺杆上产生额外的轴向压力。由图2可以看出，使用压力传感器和应变式传感器测得的温度应力在随温度变化趋势上是相同的，但是应变式传感器测得的拉压应力值均大于压力传感器的测量结果。

表1 温度应力测量结果

图2 两种测试方法温度应力测试结果比较

测试记录的数据是在某一温度的瞬时值，但是这个温度是试验箱内的整体温度，使用应变式传感器进行测量时，钢质补偿块暴露在试验箱里，而贴有应变片的钢质螺杆包裹在套环内，这就造成了补偿片和应变片载体的温度变化并非完全相同，因此应变测试中存在温度误差。由于测试过程中试验箱中先降温，后升温，在降温时试验箱空气中的水汽凝结成水滴，将使应变片受潮，可能引起粘合强度降低，影响测量精度。常温与高温应变式传感器制造工艺的根本区别：常温零点和灵敏度温度补偿范围是-10～50℃，使用范围外延至-20～60℃；而高温传感器的上限温度必须达到最高使用温度。实验的温度范围为-50～70℃，已经超出了常温应变式传感器的使用范围。但是实验选用的应变片和粘结剂均仅适用于常温条件，由此造成的灵敏度系数温度误差、零漂、温漂、蠕变是不可避免的，这些都将对测试结果产生影响。在非常温条件下，导线电阻受温度影响也会产生热输出[7]。观察压力传感器测得的温度应力，发现当温差（当前温度-16℃）大于20℃时，温度应力的变化呈现良好的线性关系，与式（3）所得的温度应力随温度变化关系一致。虽然仍存在灵敏度温度系数和非线性误差的影响，压力传感器测得的温度应力更接近于真实值。

综合上述分析，选用应变式传感器测得的预紧力和压力传感器测得的温度应力，可得到一组相对准确的螺杆轴向应力。

4 测试方法改进

4.1 压力传感器零位输出补偿

通过测试结果分析，压阻式压力传感器测得的预紧力误差是因为零位输出产生的，为得到精确的测量结果，必须对其补偿。采用并串连调零，即在R3上串联R5的同时，又在R4上并联电阻RP，如图3所示。适当选择R5和RP的值[8]，可以使电桥失调为零，且在调零后温度变化不会引起零点漂移。

4.2 应变式传感器温度补偿

图3 串并联补偿电路

图4 双丝半桥式温度自补偿计

由于补偿块与套环内螺杆温度变化并非完全相同，在贴片时可以选择套环外的螺杆部分。如果需要考察套环内螺杆的应力状况，可以采用双丝半桥式温度自补偿应变计。这是由两种合金丝（或箔）组成2个敏感栅的应变计，2个敏感栅分别接在电桥的相邻2个桥臂，其中1个为测量栅，用于应变测量，其电阻为R1；另一种合金丝构成的丝栅为补偿栅，用于补偿温度效应，其电阻为 R2，通常 R2＜R1。为使电桥平衡，补偿栅需串联一个电阻RB，使R1=R2+RB，如图4所示。这种应变计的最大特点是能够用在不同线膨胀系数的材料上，可以通过改变RB来调整补偿臂的热输出，使应变计在某种材料上实现温度自补偿。使用双丝半桥式温度自补偿应变计并结合桥路补偿法，在每个测量温度保温一段时间后进行记录，可将温度误差减低到最小。在预紧力测量后进行拆线重组装并调零是十分必要的。