一种螺钉受力测试的方法

石子贡 刘剑 农德海 韦磊 宋少勇

【摘 要】螺钉受力大小可以通过理论计算获得，但在动载荷的作用下，螺钉受力大小很难确定，只能在样机试制阶段，通过测试螺钉实际受力，最后确定量产机所选螺钉的规格。传统的测力螺钉其成本昂贵；采购周期长；测试螺钉的通用性差。论文介绍一种自制垫套传感器测试螺钉受力的方法，该方法主要优点有：传感器制造成本低；传感器制造周期短；传感器可以适应较多的测试位置。

【Abstract】 The force size of the screw can be obtained by theoretical calculation. But under the action of dynamic load， it is difficult to determine the force size of screws. Only during the trial stage of the prototype， through testing the actual force of the screw， the specification of the screw selected by the mass production machine is finally determined. The cost of traditional force measuring screws is high， the purchasing period is long， and the generality of test screws is poor. The paper introduces a method of testing screw force with self-made pad sleeve sensor. The main advantages of this method are： low manufacturing cost of sensor， short manufacturing period of sensor， and the sensor can be adapted to more test locations.

【关键词】微应变；垫套传感器；二元一次方程；多项式

【Keywords】 microstrain； cushion sensor；linear equation in two unknowns； polynomial

【中图分类号】TU391 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0183-02

1 引言

钢材具有特定的弹性模量，在受到外负载力的情况下发生弹性形变，在未发生塑性变形的情况下，外负载力撤消后，能够恢复原来的形状。将应变片粘贴于钢材上，施加固定值的力，应变片与钢材产生相同的变形量，反过来如测得应变量，同样可以得到钢材的形变量，即可得到钢材实际受力大小。

2 垫套传感器设计

2.1 垫套选材

42CrMo有较高的疲劳强度和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，而且无明显的回火脆性，热处理后的弹性模量高，选用作为垫套制作材料。

2.2 垫套设计计算

本案举例测试螺钉规格为：M20×90-12.9DK，其拉断力299kN，根据螺钉外形尺寸及应变片外形尺寸设计垫套尺寸，如图1所示：

垫套内径22mm，垫套外径30mm，

垫套抗压强度校核：

抗压力F=562kN>299kN

垫套抗压强度远大于螺栓拉断力，垫套满足螺钉被拉断情况下未发生塑性变形，满足测试条件。

3 垫套传感器参数标定

本文介绍测试螺钉受力的方法，是使用可以测试到形变量的垫套传感器，装配于螺钉与油缸端盖之间。采集形变量，传输到电脑。经过公式计算后可以直接转换成力的大小。

3.1 传感器的标定

如图2所示，使用压力机加载多组固定值的力在垫套上，采集垫套上应变片不同的形变量，即可得到力与形变量的关系（图2-a）。油缸上螺钉受力后垫套变形（图2-b）与压力机标定垫套原理相同。

3.2 数据采集分析

压力机设定变量的加载力到垫套上，采集到应变片相应的应变量，将力的大小与应变量一一对应，采集数据写入Excel表格，使用图表显示并自动生成趋势线（多项式），如图3所示。

3.3 推导公式

决定系数：R2=（总平方和-残差平方和）/总平方和；当R2=1时，微应变数据全部落在拟合曲线多项式上。通过数据分析，传感器数据比较稳定，（R2=0.999），因此，可以进行测试和数据分析。

傳感器多项式：y=-0.005x2-12.44x+439.9

y——微应变，垫套受压，为负值

x——压力值

压力机确定了力与应变量的关系，只需采集油缸垫套传感器的形变量，即可计算螺钉实际受力大小；解二元一次方程得螺钉大小为：

4 测试方案和结果分析

4.1 测试方案

举例测试铲斗油缸螺钉受力，原理如图4所示：将垫套2装配于螺钉1与油缸端盖之间，垫套2的形变会使应变片3产生相同的形变，将应变片3的模拟信号变量的电阻传输到数据采集仪器6，数据采集仪6将数字信号传输入笔记本电脑8，笔记本通过相应的软件程序，经过公式计算后将数据输出。

4.2 测试结果

采集油缸正常循环作业数据，测试结果表明，在负载变化时，可以在电脑中读取到变量的数据，根据测试数据了解到，在油缸伸出到最大行程时，冲击端盖螺钉产生的力是最大。单个螺钉受力达到210kN，再根据强度比较，螺钉所受的实际载荷小于螺钉拉断力，判定螺栓设计满足使用要求。

5 结论

垫套传感器可以承受的压力大于螺钉拉断力，在测试过程未发生塑性变形，可以重复多次使用；可以使用多种测试场合；通过自制传感器，可以有效测试螺钉受力。