北京理工大學機械與車輛學院 邢 堃 劉檢華 唐承統(tǒng)

內(nèi)蒙古第一機械制造集團有限公司工藝研究所 王 卓 耿朝勇 易 新

螺栓（或螺釘）連接可在被連接件間產(chǎn)生很大的夾緊力，加之便于裝拆，標準化后易于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且成本低、價格便宜、具有互換性，成為航空航天等機電產(chǎn)品裝配中最為廣泛的連接方法。螺栓連接最根本的目的是在被連接件間產(chǎn)生可靠的夾緊力，即螺栓內(nèi)部的預緊力[1]。螺栓連接的預緊力控制直接影響著整個產(chǎn)品的裝配質量及可靠性，預緊力太大容易造成螺栓失效，預緊力不足則容易造成螺栓的松動。

螺栓連接的預緊力在擰緊過程中很難進行直接的監(jiān)測與控制，工程中往往通過扭矩法、轉角法等間接方法來實現(xiàn)螺栓連接預緊力的控制，從而達到緊固的目的。而目前工程中應用最為普遍的擰緊方法為扭矩法，使螺栓擰緊質量的控制過分依賴于擰緊力矩，忽略了扭矩法實施的前提條件是扭矩系數(shù)為常數(shù)。而在實際工程應用中，扭矩系數(shù)并非恒定不變，這導致螺紋連接結構中預緊力離散度過大，嚴重影響產(chǎn)品整體可靠性。同時，機械裝配中的螺栓連接經(jīng)常是多個螺栓成組使用，對螺栓組連接中的預緊力進行控制也更為困難。

由于扭矩法的應用在工程中可能產(chǎn)生嚴重的質量問題，經(jīng)常需要對擰緊力矩以及相應的擰緊工藝進行評估和評價，而最直接有效的評價方法則是測量螺紋結構中所產(chǎn)生的預緊力。螺栓組的擰緊工藝相比單個螺栓更為復雜，增加了擰緊順序、復擰次數(shù)等因素，僅僅通過控制擰緊力矩很難在一個螺栓組中獲得均勻一致的夾緊力，而通過直接測量螺栓組連接中各螺栓的預緊力可以快速有效地對螺栓組的擰緊工藝進行評價。

工程中除了對擰緊工藝過程評價之外，評價螺栓組擰緊之后在振動等環(huán)境中的防松性能也需要準確獲得螺栓連接的預緊力并進行實時監(jiān)測。

目前工程中螺栓預緊力的測量主要有以下幾種方法。

（1）螺栓桿上貼應變片的方法[2]。

該方法可直接獲得螺栓或螺栓組的預緊力，但存在很多限制：首先，該方法在實施過程中需要在每一個被測螺栓的螺桿上貼多個應變片，不僅繁瑣，而且對操作者粘貼應變片的水平要求較高；其次，該方法要求被試螺栓與被連接件之間留出足夠的空間放置應變片引線，且在被連接件上要有可以引出應變片引線的空隙。

（2）直接測長法。

直接測長法通過在螺栓擰緊前和擰緊后分別測量螺栓的長度，對比兩次數(shù)據(jù)得出螺栓擰緊之后的伸長量，根據(jù)螺栓的有效連接長度以及螺栓剛度計算得到擰緊后螺栓的預緊力。該方法可以比較精確地測得螺栓預緊力，但受被連接件形式的限制較大，不能測量箱體等盲孔螺栓組的預緊力。

（3）超聲波法[3]。

超聲波法是依據(jù)超聲波在不同應力狀態(tài)的螺栓內(nèi)部傳播速度不同的原理實現(xiàn)螺栓預緊力的測量。該方法為無損檢測方法，測試較為方便，但需要對螺栓兩個端面進行預處理，測量時需要耦合劑且測量精度受操作者影響較大，也不適合螺栓組在振動等環(huán)境中的預緊力監(jiān)測。另外，由于傳感器體積的限制，只能測量規(guī)格較大的螺栓。

（4）其他方法。

為了準確獲得螺栓連接的預緊力，研究者們想了很多辦法，如湘電風能有限公司的尹耀安等人將螺栓預緊力轉化為液壓壓力，間接實現(xiàn)預緊力的測量[4]；東風汽車有限公司的嚴春雨提出了一種螺栓組連接整體預緊力測試方法[5]。但這些方法大都針對特定應用領域而開發(fā)或需要將螺栓裝入特殊的裝置，無法對任意螺栓組中各螺栓預緊力進行監(jiān)測，也不能對現(xiàn)場、振動等環(huán)境中螺栓組的預緊力進行直接測量。

針對目前螺栓組連接中的預緊力測量沒有較好的直接測量方法的現(xiàn)狀，提出了一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預緊力測量方法，可直接測量成組螺栓連接中的各螺栓在擰緊過程以及擰緊之后的預緊力變化曲線，同時該方法便于裝配現(xiàn)場、振動等環(huán)境中監(jiān)測螺栓組擰緊過程中以及擰緊之后的預緊力。

1 基本原理

該測量方法的測試系統(tǒng)總體結構示意圖如圖1所示。為了直接獲得螺栓組的預緊力而不是通過擰緊或松動力矩評價擰緊過程，設計了一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過多個墊片式力傳感器采集螺栓組中各螺栓預緊力，并開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)的采集。該螺栓組連接的預緊力測試系統(tǒng)主要由3部分組成：墊片式力傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和專用數(shù)據(jù)采集軟件。

墊片式力傳感器獲得螺栓擰緊過程中以及擰緊之后的預緊力原始電信號，該信號需要經(jīng)過調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集卡采集，從而進一步轉化為可讀的預緊力信號，其原理圖如圖2所示。采集的預緊力信號經(jīng)過濾波等數(shù)據(jù)處理后進行顯示和存儲。其中信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)采集部分由圖1中所示的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，數(shù)據(jù)處理以及顯示、存儲由專用數(shù)據(jù)采集軟件來完成。

圖1 測試系統(tǒng)總體結構示意圖Fig.1 Diagram of overall structure of test system

圖2 測試系統(tǒng)基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of test system

為了便于在實驗室、裝配現(xiàn)場等任意場合方便測量螺栓組的預緊力，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)封裝為便攜式箱體結構，且支持自身鋰電池供電和外部電源供電兩種工作模式；而專用數(shù)據(jù)采集軟件安裝在筆記本計算機上，同樣既可以自身供電又可以外部電源供電。另一方面，為了測試振動環(huán)境下螺栓組的預緊力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率最高能達到1kHz，而為了測試螺栓組長時間保持時的松動性能，數(shù)據(jù)采樣時間間隔最大可達到24h。

2 墊片式力傳感器

為了直接測得螺栓中的預緊力，通過墊片式力傳感器進行采集。該傳感器為筒形結構，中間有孔可供螺栓穿過。傳感器的主體為筒形彈性體，彈性體四周貼有應變片，組成平衡電橋。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供給傳感器5V的驅動電壓，當螺栓中有預緊力產(chǎn)生時，電橋失去平衡，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器中的反饋電信號，就有了螺栓預緊力的原始電信號。

墊片式力傳感器的彈性體剛度很大，外徑約為25mm的傳感器便可測得最大54kN的力。由于該類傳感器體積較小，應變片分布相對集中，所以對偏載比較敏感，在使用時最好選用傳感器通徑略大于螺栓外徑的傳感器型號，例如測量M10的螺栓時選用通徑為10.16mm的傳感器。當傳感器通徑大于螺栓規(guī)格時，為了避免偏載，也可以配合精密襯套使用，但襯套高度應低于傳感器高度，否則將導致傳感器無法正常工作。

為了保護傳感器在測試過程中不被磨損，并且保證傳感器不受偏載，在使用墊片式力傳感器時最好在傳感器兩側安裝高硬度的抗磨墊圈配合使用。在靠近螺栓頭部的墊圈側應該使用和實際裝配時相同的墊圈，從而保障在擰緊過程中的支撐面摩擦情況不變。在擰緊之前，需先將所有的墊圈、傳感器等按順序穿在螺桿上，如圖3所示。

圖3 墊片式力傳感器安裝示意圖Fig.3 Diagram of gasket force sensor installation

墊片式力傳感器的另外一個特點是自身的諧振頻率較高，高達幾十kHz，可以以較高的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，適合在振動等環(huán)境下使用。本文在使用時設計的數(shù)據(jù)采集最高頻率為6.25kHz。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

由傳感器獲得原始的預緊力電信號后，需要先經(jīng)過信號調(diào)理才能轉化為可被數(shù)據(jù)采集卡識別的預緊力數(shù)據(jù)，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集卡獲得經(jīng)過調(diào)理后的傳感器力信號后，通過USB通訊接口上傳到數(shù)據(jù)采集軟件，由數(shù)據(jù)采集軟件來完成預緊力數(shù)據(jù)的轉化、濾波、存儲與顯示。

信號調(diào)理在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)通過電路完成，將各個通道的傳感器原始電信號放大為數(shù)據(jù)采集卡可以識別的電信號。

數(shù)據(jù)采集主要由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡完成。測試螺栓組的預緊力時，需要用多個墊片式力傳感器采集各個螺栓的預緊力，數(shù)據(jù)采集卡需要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所設計的所有通道進行數(shù)據(jù)采集。筆者所設計的采集系統(tǒng)為16通道，即數(shù)據(jù)采集卡需要對16通道的傳感器信號進行同步數(shù)據(jù)采集。

雖然數(shù)據(jù)采集卡支持多個通道的輸入，但一次卻只能讀取一個通道的數(shù)值。通過數(shù)據(jù)采集軟件設置數(shù)據(jù)采集卡在分組模式下工作，圖4為數(shù)據(jù)采集卡的實際工作時序圖： 1到16分別為16個通道，每個峰值表示該通道存儲一個數(shù)據(jù)，最下邊一行中每個峰值則表示數(shù)據(jù)采集卡記錄一個數(shù)字。由數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)的時序可知，數(shù)據(jù)采集卡依次對各個通道讀數(shù)并依次存儲到采集卡的緩存中，每個通道讀取4個數(shù)字作為一組，每組數(shù)據(jù)之間設置采樣間隔。每個小組內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡對每個通道讀數(shù)的頻率為100kHz，16通道分別讀取4個數(shù)用時總計為0.01×16×4=0.64ms，組間隔設置為0.36ms。每個分組內(nèi)各個通道的4個數(shù)值通過采集卡上傳到專用數(shù)據(jù)采集軟件后，進行去最大、去最小的簡單濾波，剩余兩個數(shù)取平均值作為該通道的一個讀數(shù)，實現(xiàn)各個通道1kHz的數(shù)據(jù)采集。盡管每個通道的數(shù)據(jù)并非同時采集，但各個通道間同次讀數(shù)的時間間隔最大為0.15ms，可以近似認為各個通道同時讀數(shù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集卡工作時序圖Fig.4 Data acquisition card working sequence diagram

數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)保存在自身的緩存內(nèi)部，由專用數(shù)據(jù)采集軟件將這些數(shù)據(jù)從采集卡緩存中通過USB接口讀入計算機緩存，然后再進行后期數(shù)據(jù)處理及存儲與顯示。仍以16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)采集軟件從采集卡讀到的是從1到16各個通道依次排列的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)采集卡的驅動程序可以確保數(shù)據(jù)從計算機端讀入時是連續(xù)的而且不會丟失。數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)所設置的數(shù)據(jù)采集卡的工作時序對讀取回來的數(shù)據(jù)包進行拆包，經(jīng)過去最大、去最小的簡單濾波后，對每組數(shù)據(jù)中剩余的兩個數(shù)取平均值，并經(jīng)過轉化得到1kHz采樣頻率的原始預緊力信號。

墊片式力傳感器存在非線性特征，尤其在載荷較小時。完成原始預緊力數(shù)值的計算后，要對預緊力數(shù)值進行非線性矯正，矯正參數(shù)在專用數(shù)據(jù)采集軟件可由用戶設置。為了保障傳感器的使用安全，根據(jù)設置的傳感器最大量程以及矯正之后的預緊力數(shù)值對傳感器進行過載判斷，如果發(fā)現(xiàn)某一通道發(fā)生過載即立刻發(fā)出過載警告信號。

矯正后的預緊力數(shù)值暫存在專用數(shù)據(jù)采集軟件的主緩存內(nèi)。當采樣頻率設置為1kHz時，直接將該數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫。當設置采樣時間間隔大于1ms時，為了兼顧數(shù)據(jù)采集的實時性與穩(wěn)定性，要進行預緊力數(shù)據(jù)的二次濾波，二次濾波的濾波數(shù)據(jù)長度根據(jù)用戶設置的采樣時間間隔自動調(diào)整：當采樣時間間隔大于1ms小于4ms時，二次濾波采用算法為取平均值，濾波長度為采樣間隔，以ms為單位取整；當采樣時間間隔大于4ms小于20ms時，濾波數(shù)據(jù)長度仍為采樣時間間隔，以ms為單位取整，然后對需要進行濾波的數(shù)據(jù)進行排序，取排序后中間1/3數(shù)據(jù)的平均值，得到一個二次濾波之后的數(shù)據(jù)點；當采樣時間間隔大于等于20ms時，取20為濾波數(shù)據(jù)長度，濾波算法仍為排序后取中間1/3數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)采樣時間間隔進行動態(tài)二次濾波后，各個通道的預緊力數(shù)據(jù)存儲在一個緩存數(shù)組里，等待數(shù)據(jù)存儲。除了采樣時間間隔外，為了監(jiān)測螺栓組擰緊之后的預緊力變化情況，數(shù)據(jù)采集軟件還提供了采樣軸力間隔功能。在設置的采樣時間間隔基礎上，在存入緩存數(shù)組前進行判斷，只有當某一通道軸力值與緩存數(shù)組中上一條數(shù)據(jù)對應該通道的軸力值之差的絕對值超過所設置的采樣軸力間隔時，才存入緩存數(shù)組。

在采集和處理數(shù)據(jù)的同時，需要對當前采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示，所有預緊力的數(shù)值都在數(shù)據(jù)采集軟件端顯示?？紤]人眼能分辨的最小時間間隔，此處用一個間隔為100ms的時鐘來定時刷新顯示的預緊力值。為了保障顯示的實時性，刷新時顯示的數(shù)據(jù)為當前主緩存中最新的20條數(shù)據(jù)進行濾波之后的數(shù)值，濾波算法和二次濾波所采用的算法相同。

由于從數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)、濾波及數(shù)據(jù)處理、顯示等都需要有固定的時間間隔，以保障不會丟失數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)存儲對實時性要求相對較弱，所以除數(shù)據(jù)存儲之外其他的數(shù)據(jù)處理任務均由時鐘來嚴格控制時間間隔，而存儲數(shù)據(jù)則在CPU空閑時進行。為了節(jié)省存儲時間，存儲數(shù)據(jù)采用二進制文本數(shù)據(jù)庫的格式進行保存。當數(shù)據(jù)采集停止后，可以通過數(shù)據(jù)采集軟件將二進制文件中的數(shù)據(jù)導出到Excel文件中方便查看。

4 螺栓組預緊力測量裝置

依據(jù)以上測量原理及方法，研制了螺栓組的預緊力測量裝置，如圖5所示。該測量裝配共有16個通道，可同時連接16個傳感器對16個螺栓擰緊過程中的預緊力進行實時監(jiān)測。

螺栓組的預緊力測量裝置主要分為以下5個模塊：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示，如圖6所示。螺栓組預緊力測量裝置的具體實施步驟主要有：

（1）連接墊片式力傳感器、測試箱體、計算機，并打開數(shù)據(jù)采集軟件；

圖5 研制的螺栓組預緊力測量裝置Fig.5 Preload measuring device of bolt group

（2）設置試驗名稱、日期、試驗者等相關試驗信息；

（3）開啟測試箱體電源，使系統(tǒng)及傳感器預熱10min；

（4）設置工作通道、數(shù)據(jù)采集間隔、非線性調(diào)整，并對使用的各個通道進行清零操作；

（5）將各墊片式力傳感器及墊圈按順序穿過螺栓；

（6）若要記錄擰緊過程中的預緊力變化，則先點擊“開始采集”按鈕開始數(shù)據(jù)采集后再擰緊螺栓，若需要監(jiān)測擰緊之后的預緊力變化規(guī)律，則在擰緊螺栓之后再點擊“開始采集”按鈕；

（7）數(shù)據(jù)采集結束后按下“停止采集”，導出數(shù)據(jù)到Excel表格；

（8）關閉電源和數(shù)據(jù)采集軟件，斷開墊片傳感器、測試箱體、計算機的連接。

利用以上所述的螺栓組預緊力測量方法測量螺栓組預緊力時，要對墊圈傳感器及螺栓裝配位置進行編號，每個要測量的螺栓裝配編號都應有唯一的傳感器通道號。實際測量時，還應選擇適合的通道數(shù)以及對應的傳感器數(shù)目。

由于工程中螺栓組螺栓的總數(shù)目大多是變化的，當螺栓組中螺栓數(shù)目小于等于采集系統(tǒng)的最大可用通道數(shù)時，可以直接采用本測量裝置進行測量；當螺栓組中螺栓數(shù)目較多且不適合每個螺栓配置一個墊片傳感器時，則應該采取分組測量的方式。以圖7所示的16個螺栓連接的異形法蘭面連接為例，假設多通道預緊力測量系統(tǒng)最大支持通道數(shù)為8，當研究如圖7所示的螺栓組連接的擰緊工藝或防松性能時，除了確定相應的工藝參數(shù)以及測試條件外，還應對螺栓進行分組。圖7給出3種分組方案，當然可以按照擰緊順序的先后或其他規(guī)則對所有螺栓進行分組，每個分組中螺栓數(shù)目最多為可用的墊圈傳感器數(shù)目，然后用測試系統(tǒng)進行多次重復測試，實現(xiàn)各個螺栓的預緊力監(jiān)測。每次試驗，測試系統(tǒng)采集不同螺栓分組的預緊力數(shù)據(jù)，且每次試驗擰緊工藝以及測試條件應該控制嚴格一致。

圖6 預緊力測量系統(tǒng)結構框圖Fig.6 Structure diagram of preload measuring system

5 實例驗證

為了驗證本文所述測量方法及系統(tǒng)的有效性，筆者利用自己設計的測量系統(tǒng)針對某車輛傳動箱體的一側端蓋的螺釘組連接進行了實物驗證，如圖8所示。圖示箱體的被測試面由8個M10的螺栓將軸承座與箱體連接。箱體為鑄鋁箱體，鑲嵌鋼絲螺套形成內(nèi)螺紋，而軸承座為合金鋼材質。

對箱體中的8個螺栓按順時針順序編號，試驗時螺栓編號與傳感器編號一一對應。試驗以兩種順序擰緊各個螺栓，即順序擰緊1-2-3-4-5-6-7-8和對稱擰緊1-5-3-7-2-6-4-8。

驗證試驗主要包括兩組，第一組試驗分別按照兩種擰緊順序對8個螺栓擰緊，通過采集軟件監(jiān)測預緊力，當達到21kN時停止擰緊。圖9為某次擰緊時所采集的數(shù)據(jù)，圖示數(shù)據(jù)表明在該箱體中螺栓的擰緊順序對預緊力的影響很小。

第二組試驗用定扭矩扳手將螺栓擰緊至50N·m，表1為試驗所采集的各個螺栓的預緊力數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出，單獨通過力矩扳手控制擰緊力矩很難在螺栓組連接中的各個螺栓內(nèi)獲得一致的預緊力。

實例驗證表明，單獨控制螺栓擰緊過程中的擰緊力矩并不能很好地實現(xiàn)預緊力控制的目的，且本文所述的測量方法能夠有效地監(jiān)測螺栓組中的預緊力變化，為螺栓及螺栓組連接的擰緊工藝提供了有效的評價手段和方法。

圖7 某法蘭面螺栓分組測量示意圖Fig.7 Grouping test diagram of flange bolts

圖8 螺栓組擰緊試驗實物圖Fig.8 Test of bolt group tightening

圖9 螺栓組擰緊試驗數(shù)據(jù)曲線圖Fig.9 Tightening test of bolt group

表1 力矩扳手擰緊試驗 kN

6 結束語

螺栓（或螺釘）連接是航空航天等機電產(chǎn)品裝配中最常用到的連接方法之一。針對目前螺栓組連接中的預緊力測量難、螺栓連接質量過分依賴擰緊力矩的問題，筆者提出了一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預緊力測量方法，試驗表明該方法測量方便，且能夠有效監(jiān)測螺栓組擰緊過程中以及擰緊之后的預緊力。

該測量設備適合在實驗室、裝配現(xiàn)場、振動等環(huán)境直接測量螺栓及螺栓組中的預緊力，為制定及評價螺栓組擰緊工藝、研究螺栓組在振動等工況環(huán)境下的防松等提供了有效措施。

[1] 熊云奇，張瓊敏，淮進，等.螺紋緊固件摩擦性能評述.汽車科技，1998(6):12-18.

[2] 天津大學.一種測試螺栓預緊力的裝置及其控制方法：中國，102519652[P]. 2012-06-27.

[3] 杜剛民，李東風，曹樹.螺栓軸向應力超聲測量技術.無損檢測：試驗研究，2006，28(1)：20-25.

[4] 湘電風能有限公司.一種螺栓預緊力檢測儀：中國，201611293[P]. 2010-10-20.

[5] 東風汽車有限公司.螺栓組預緊力測量裝置：中國，201083575[P]. 2008-07-09.