基于转角法预紧的连杆螺栓预紧力测试装置及方法的研究

耿亮， 杨建坤， 窦树霞

（1.中海油有限（天津）分公司，天津 300452；2.中海油能源发展油田建设工程公司，天津 300452）

0 引言

大型柴油机连杆螺栓在连接连杆大端和连杆体时，常采用初始力矩加固定转角方法预紧，连杆螺栓在预紧过程中由于被拉长而产生变形，难以直接测量实际施加力矩的大小，例如：某连杆预紧时，初始对连杆螺栓施加50 N·m力矩，然后将其旋转120°，本文基于电测量方法连杆螺栓在预紧过程中不同的力矩下的应变，获取螺栓轴向力与轴向应变的关系，最终计算得到螺栓的预紧力,试验结果为研究后期连杆螺栓预紧力对连杆工作过程中齿形的影响提供理论计算依据。

图1 应变片的全桥电路图

1 电测量方法原理

惠斯通电桥适用与检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电桥来测量。而4个应变片组成的全桥电路相对于其他性质的桥路来说更稳定更可靠，而且能够实现自动补偿，全桥电路将4个应变片分别联入4个桥臂，应变片的全桥电路图如图1所示，4个桥臂上的应变片电阻分别引起如 R1＋ΔR1、R2＋ΔR2，R3＋ΔR3，R4＋ΔR4的变化时，应变信号

若4枚应变片完全相同，比例常数为K，且应变分别为 ε1，ε2，ε3，ε4；则上式可以写成下面的形式：

根据上述试验原理与电测量试验要求，分别对3根螺栓进行粘贴应变片。首先对连杆螺栓局部位置进行抛光打磨处理，并沿两横两竖方向粘贴4个电阻应变片，搭建惠斯通全桥电路，粘贴并焊接接线端子和引出线，根据应变片的方向标记应变片序号为1、2、3、4，根据引出线的位置标记线头为A、B、C、D，以对应应变仪接线输入端的编号。最后在应变片和标记上涂一层透明硅胶，做好绝缘防护措施，贴好应变片的螺栓如图2所示。

图2 贴好应变片的螺栓

2 连杆螺栓预紧力测试装置研制

为了能够测试连杆螺栓预紧过程中连杆螺栓的预紧力与连杆螺栓轴向伸长量的关系，我们需要开发研制一套连杆螺栓预紧力测试装置，该装置的设计需要解决以下两个问题：1）该装置满足试验机装卡要求的同时，还要保证结构强度；2）该装置在结构尽量紧凑时能够快速简便装卡，而且保留合理的布线空间和扳手空间。

根据上述要求，所设计的试验装置的三维模型如图3所示，并建立三维有限元模型校核该装置的结构强度，我们选用试验装置的材料为45钢，其屈服极限σs=320 MPa，该装置的有限元分析结果如图4所示，最大主应力小于250 MPa，故该装置结构安全，测试装置与试验用连杆螺栓实物如图5所示。

图3 试验装置的三维模型图

图4 试验装置有限元分析

3 测试方法

首先将圆柱头套在贴好应变片的螺栓两端，其一端以螺栓头定位，另一端通过螺纹连接定位，然后将上下两个圆柱套头分别装卡在液压试验机的上下卡头处，卡紧后通过液压试验机施加拉力于螺栓上，在拉伸标定的过程中，在液压机控制器处记录液压试验机拉力，通过智能应变仪记录因螺栓变形所产生的电信号，得到轴向力与电信号之间的关系。

图5 测试装置与试验用连杆螺栓实物

图6 连杆螺栓转角测量图

在连杆螺栓预紧过程中需要测量螺栓的转角，在测试装置上贴一张刻度盘，每格刻度为3°。在进行连杆螺栓预紧时首先加力矩50 N·m，到位后在螺栓上标记一个起始位置，并对齐转角的0°，每次拧动后，记录螺栓转过的角度即可，连杆螺栓转角测量图如图6所示。该刻度盘能够方便粘贴在测试装置上，并且读数简易，缺点就是不够精确，单位误差为±3°，但是其测量误差在试验的控制范围内。

4 连杆螺栓轴向力与应变信号之间的关系

对3根螺栓分别贴应变片测量，为了消除偶然误差对试验结果的影响，每根螺栓均测量2次，在英斯郎特液压伺服疲劳试验机上，对螺栓施加10～150 kN的轴向拉力，单次增量为10 kN，每个增量时间为5 s，每段载荷保持时间为5 s，用智能应变仪ZSY-16B采集应变片的应变信号。测量得到的螺栓轴向力与应变信号之间的关系如图7所示。

图7 轴向力与电信号数据离散点分布图

对试验所得的离散点进行线性拟合，线性相关系数R均大于0.99，表现为高度的线性关系，确认了测试元器件和测试仪器的良好状态，为后面的拧紧测试奠定基础。

考虑到螺栓在标定试验中处于单轴应力应变状态，根据测量电桥的桥路性质，螺栓在标定时的轴向应变进行换算式中μ为泊松比。

以100 kN载荷状态为例，此时应变信号e=3 700，则算得螺栓轴向应变

根据名义应力应变的计算方法，当连杆螺栓处于100kN的拉伸载荷状

式中：E为杨氏模量，E=2.1×105MPa；d为贴片处螺栓直径，d=21mm。

测量值与理论计算值的相对误差为0.07%，证明了标定测试结果的准确性。

5 连杆螺栓测试结果分析

将螺栓预紧测试装置卡紧在液压伺服试验机上，并连接智能应变仪，安装测试装置后将应变仪信号清零，再开始拧螺栓。将预制式力矩扳手设置为50 N·m，拧到位后，开始测量螺栓的应变，并将此时螺栓的转角记为0°，然后采用不同量程规格的力矩扳手（70～350N·m、300～1000N·m）对螺栓分别施加100 N·m，200 N·m，…，并分别记录拧紧力矩值、螺栓转角，以及螺栓应变信号，直到螺栓转角为120°为止。

根据拧紧测试得到的螺栓转角和螺栓应变信号，以及前面所述的标定试验中得到的轴向力与螺栓应变信号线性关系，可以计算得到螺栓轴向力和转角的映射关系。采用Origin Professional软件对离散数据点进行线性拟合，如图8所示。线性相关系数R分别为R1=0.98、R2=0.99、R3=0.99，体现出较好的线性关系。

图8 3根螺栓轴向力与转角分布图

从图8可以看出，转角与轴向力呈线性增长趋势，而且线性度较好，表明螺栓在预紧状态下，螺栓杆仍处于弹性范围。根据上述测试结果的统计分析，可计算得到连杆螺栓在50 N·m，120°预紧状态下，预紧力为175 kN。

6 结论

本文通过设计一套螺栓预紧力测试装置，对连杆螺栓进行预紧力测试，采用应变电测量原理，测量螺栓在预紧状态下的变形。通过对螺栓进行拉伸标定，建立轴向力和电信号之间的映射关系，然后根据标定结果对预紧测量结果进行映射转换，得到螺栓轴向力与螺栓预紧转角之间的关系。从标定结果和测试结果来看，均具有较好的线性度，通过计算得到在50 N·m，120°的预紧作用下，螺栓预紧力为175 kN，本文的研究结果为研究连杆螺栓预紧力对连杆啮合齿形的影响提供了依据。

［参考文献］

［1］赵经文，王宏钰.结构有限元分析［M］.北京：科学出版社，2001.

［2］王忠.机械工程材料［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［3］张明，苏小光，王妮.力学测试技术基础［M］.北京：国防工业出版社，2008.

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