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引言
中大型結(jié)構(gòu)體設(shè) 計(jì) 中，螺栓連接應(yīng)用非常廣泛，且 地 位十分重要。這是由于螺栓在載荷作用下會(huì)導(dǎo)致斷裂等 失效故障，引起連接失效，影響產(chǎn)品整體壽命和可靠性，甚 至引起嚴(yán)重事故。但 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 部 件 而 言（如 發(fā) 動(dòng) 機(jī)、風(fēng) 電 機(jī) 組、風(fēng)電葉片、火箭箭 體 等），螺栓承受著較大的變化沖擊 載荷，所處的力學(xué)環(huán)境條件和邊界條件異常復(fù)雜。這就導(dǎo) 致動(dòng)載荷情況下的疲勞強(qiáng)度計(jì)算、校核往往具有一定的局 限性，反而實(shí)際測(cè)量 分 析 意 義 更 大。但 事 實(shí) 上，很 少 采 用 直接螺栓受力分析，之所以無(wú)法實(shí)時(shí)分析螺栓受力，是 由 于多數(shù)情況下，很難直接獲取工作狀態(tài)下螺栓兩個(gè)端面的 力載荷［2］。
為解決這一問(wèn)題，實(shí)時(shí)獲取工作狀態(tài)下的螺栓力載荷， 本文提出一種測(cè)力螺栓結(jié)構(gòu)及手持式測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 方法，通過(guò)較為簡(jiǎn)便的方式，在高強(qiáng)螺栓內(nèi)增加感知應(yīng)變 片，不改變螺栓原有安裝方式，不增加串聯(lián)式力載荷傳感器，比較真實(shí)地實(shí)時(shí)記錄工作狀態(tài)下螺栓連接端的力載荷。這種直接把螺栓作為測(cè)力元件傳感器的方法主要以美國(guó) STRAINSERT測(cè)力螺栓為代表，國(guó)內(nèi)目前主要以研究所、高 校 為主要研究單位，尚未形成有影響力的系列產(chǎn)品。本文描 述的測(cè)力螺栓設(shè)計(jì)方案在精度與產(chǎn)品化方面同STRAINSERT 測(cè)力螺栓尚有一定差距，但采用本方法設(shè)計(jì)的測(cè)力螺栓應(yīng) 用結(jié)果表明，該測(cè)力螺栓及測(cè)量設(shè)備可以方便的用于結(jié)構(gòu) 體彎矩載荷試驗(yàn)中載荷測(cè)量及風(fēng)電葉片輪轂螺栓狀態(tài)監(jiān) 測(cè)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
1 測(cè)力螺栓設(shè)計(jì)
1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
測(cè)力螺栓結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)由螺栓、 應(yīng)變片、插頭等組成。該結(jié)構(gòu)的工作原理是：螺栓兩個(gè)連接 端面受力后，使螺栓本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸形變；該形變使應(yīng)變 片貼裝部位同時(shí)受到拉伸作用，產(chǎn)生形變；形變被應(yīng)變片感 知，進(jìn)而引起應(yīng)變片電阻線性變化［3］；應(yīng)變信號(hào)通過(guò)航空插 頭送至螺栓外部，被測(cè)試設(shè)備采集記錄。
螺栓側(cè)壁上貼裝有四處應(yīng)變片，其中兩片為感知應(yīng)變 片，兩片為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片［4］。4片應(yīng)變片組成全橋，滿足 橋路平衡的同時(shí)，既提高測(cè)試精度，又實(shí)現(xiàn)溫度和線路補(bǔ) 償。應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2所示。
1.2 強(qiáng)度校核計(jì)算
選用8.8級(jí)螺栓，其抗拉強(qiáng)度為800MPA，屈服強(qiáng)度為 640MPA［5］，建立有限元模型對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核。在 線 彈性區(qū)內(nèi)考核測(cè)力螺栓的強(qiáng)度變化，對(duì)測(cè)力螺栓進(jìn)行拉伸、 彎曲受力狀態(tài)下的強(qiáng)度變化分析。
當(dāng)被連接件受橫向載荷時(shí)，在螺栓預(yù)緊力作用下，被連 接件之間產(chǎn)生摩擦力來(lái)抵抗橫向載荷，而螺栓不直接承受 剪切，預(yù)緊力則可以折算入螺栓所受的拉力中。當(dāng)被連接 件所受的橫向載荷為 Q 時(shí)，為產(chǎn)生足夠的摩擦力抵抗 Q， 其所需要的最小預(yù)緊力FP 為［6］：
在螺栓與試件相接觸的端面施加均布載荷，其合力為 6100N，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。最大的應(yīng)力均出現(xiàn)在 螺栓根部，主要原因是因?yàn)樵摬课淮嬖谳^大的切應(yīng)力以及 正應(yīng)力，并且截面發(fā)生突變引起的應(yīng)力集中。測(cè)力螺栓最 大等效應(yīng)力為275MPA，此時(shí)測(cè)力螺栓受力遠(yuǎn)小于螺栓屈 服強(qiáng)度，滿足受力要求。
位移量云圖計(jì)算結(jié)果中的最大位移量除以螺栓長(zhǎng)度， 獲得的最大應(yīng)變量為283με，該結(jié)果將作為測(cè)量設(shè)備量程 選擇依據(jù)。2 測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì) 測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由信號(hào)適配 電路、單 片 機(jī)、人 機(jī) 交 互、存 儲(chǔ) 單 元、電 源 管 理 等5部 分 組 成。信號(hào)適配電路包括前級(jí)濾波、儀表放大器、調(diào)零及增益 電路、低通濾波、AD轉(zhuǎn)換、DA 調(diào)零輸出等電路。單片機(jī)采 用STM32L151，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)記錄、電源管理、人機(jī) 交互、數(shù)據(jù)傳輸?shù)瓤刂啤Ｈ藱C(jī)交互主要包括用于操作輸入 的按鍵、用于輸出的顯示屏及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?USB接口。存儲(chǔ)單元為單片 EEPROM 存儲(chǔ)芯片，完成數(shù)據(jù)記錄功能。電源管理包括內(nèi)置可充電鋰電池、充 電 電 路、電 量 檢 測(cè) 電 路、穩(wěn)壓電源、橋壓供電用對(duì)稱恒壓源等，完成設(shè)備及傳感 器供電、電量檢測(cè)等功能。
2.1 信號(hào)適配電路
信號(hào)適配電路完成惠斯通電橋差分信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的 轉(zhuǎn)換，包括放大、調(diào)零、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。
1）儀表放大器及前級(jí)濾波
惠斯通電橋檢測(cè)出的全載荷應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的電壓變化量 一般為幾十毫伏［7］，因此在信號(hào)適配電路的前端需要放置 專門(mén)的高增益儀表放大器。本文采用的是低噪音、低增益 漂移的儀表 放 大 器 AD8428。AD8428是 AD 公 司 出 產(chǎn) 的 2000倍固定增益超低噪音儀表放大器，其電壓噪音低達(dá) 1.3NV／√Hｚ，增益準(zhǔn)確度達(dá)到0.05％，非常適合本方案信 號(hào)小、放大倍數(shù)高、穩(wěn)定度高的需求。AD8428的外圍電路 非常簡(jiǎn)單，僅需少量電阻、電容、電感即可實(shí)現(xiàn)。
由于應(yīng)變片組成的惠斯通電橋與儀表放大器之間通過(guò) 較長(zhǎng)電纜傳輸信號(hào)，因此難免存在噪音的引入。另外測(cè)力 螺栓多數(shù)應(yīng)用在較為復(fù)雜的工作環(huán)境中，外部環(huán)境干擾也 會(huì)通過(guò)電纜輻射進(jìn)入信號(hào)中。測(cè)力螺栓的信號(hào)在 MV 級(jí)， 屬于小信號(hào)，為減少干擾影響，在儀表放大器前應(yīng)加入濾波 電路。信號(hào)傳輸線纜感應(yīng)到的一般為中高頻噪音，故在此 選擇 RC低通濾波器。低通濾波器的截止頻率選擇過(guò)高， 則部分中頻噪音 無(wú) 法 濾 除；選 擇 過(guò) 低，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程太 慢，影響信號(hào)分析［8］。依據(jù)彎矩載荷試驗(yàn)信號(hào)頻率特點(diǎn)，方 案中選擇低 通 截 止 頻 率 為 3.3KHｚ。C31 和 R31、C33 和 R33分別構(gòu)成兩個(gè) RC低通濾波器，濾除S＋、S－信號(hào)上的 噪音；C32電容的作用是消除共模噪音。
2）調(diào)零電路
調(diào)零電路用于在惠斯通電橋未處于平衡狀態(tài)時(shí)，通過(guò) 信號(hào)補(bǔ)償?shù)姆绞绞巩?dāng)前電信號(hào)處于零點(diǎn)附近?；菟雇姌?的測(cè)量電路常用的配平調(diào)零方式有兩種，一種是在橋路電 路上并聯(lián)可調(diào)電阻，通過(guò)改變電阻阻值配平橋路，該方式多 用于手動(dòng)調(diào)零；一種是在電路放大器中利用加法電路原理， 為偏置信號(hào)疊加反相電信號(hào)，該方式可用 DA 電路實(shí)現(xiàn)，因 此可用于系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零。測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備采用 STM32 單片機(jī)內(nèi) 置 DA 電 路 生 成 0～3.3 V 模 擬 電 壓 信 號(hào)，經(jīng) AD706運(yùn)放轉(zhuǎn)換成－5～＋5V 調(diào)零電壓信號(hào)。
轉(zhuǎn)換后的調(diào)零電壓信號(hào)送至儀表放大器的VREF引 腳， 根據(jù)儀表放大器的輸出公式：
設(shè)定 DA，使VREF輸出與調(diào)零前VOUT相當(dāng)?shù)姆聪嘈盘?hào)，即 可將VOUT調(diào)至零點(diǎn)附近。
3）低通濾波電路
同前級(jí)濾波電路不同，放大器后端、AD 前端的低通濾 波起到濾除分析頻率外的混疊成分、消除放大器電路噪音 的作用。根據(jù)彎矩載荷信號(hào)的頻率范圍，此處的低通濾波 電路的截止頻率設(shè)定至 Hｚ級(jí)，因此本方案采用低頻超穩(wěn) 態(tài)高精度運(yùn)放 AD706，搭建4階低通濾波器。AD706具有高直流精度，最大偏置電壓僅100μV，峰 峰噪音僅0.5μV，10Hｚ以內(nèi)的工作特性尤其出色。上述 4階低通濾波器設(shè)計(jì)截止頻率約為1Hｚ。
本方 案 的 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器 采 用 的 是 24 位 AD 芯 片 CS1237。CS1237是一款高精度、低功耗 SIGMA－DELTA模數(shù) 轉(zhuǎn)換芯片，一路差分輸入通道，內(nèi)置兩階 SIGMA－DELTA調(diào)制 器，通過(guò)低噪音放大器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PGA 放大，放大倍數(shù)可選：1、2、64、128。在 PGA＝128時(shí)，有效分辨率可達(dá)20位。
CS1237采用兩線制 SPI接 口，其 中 DOUT管 腳 是 雙 向 管腳，需要注意時(shí)序操作時(shí)是讀取寄存器還是寫(xiě)入寄存器。
2.2 單片機(jī)
單片機(jī)采用的STM32系列 ARM 內(nèi)核低功耗控制器 STM32L151。STM32系列單片機(jī)具有豐富的片上資源， 集成度高，接口豐富，功耗控制優(yōu)秀，可大幅縮減硬件設(shè)計(jì) 投資和周期［9－12］。STM32L151芯片是32位CORTEｘ－M3內(nèi) 核，32 MHｚ工 作 頻 率，83 個(gè)I／O 口，128KFLASH存 儲(chǔ) 空 間，24個(gè)通道12位 ADC，2通道12位 DAC，1個(gè) USB2.0 接口，3個(gè) USART 串 口，2個(gè) SPI接 口，2個(gè)I2 C 接 口，10 個(gè)定時(shí)器，2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器。資 源 非 常 豐 富，正 好 能 夠 滿足 設(shè) 備 對(duì) I／O 接 口、DAC、SPI接 口、USB2.0 接 口 的 需求。
2.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)
測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備的人機(jī)交互包括3個(gè)部分，一是鍵 盤(pán)輸入設(shè)計(jì)；二是液晶顯示屏；三是 USB數(shù)據(jù)傳輸。
1）鍵盤(pán)輸入設(shè)計(jì)
測(cè)量設(shè)備的鍵盤(pán)采用薄膜式按鍵設(shè)計(jì)，貼在手持式機(jī) 殼面板上，由 FPC1.0MM－10P接插件引入機(jī)殼內(nèi)，壓 接 在 電路板插座上。鍵盤(pán)按鍵共有17個(gè)，分別是“0～9”、“↑”、 “↓”、“→”、“←”、“。”、開(kāi)關(guān)鍵、“MENU”菜單鍵。按鍵形成 陣列組合后經(jīng)驅(qū)動(dòng)送至單片機(jī)的I／O 口，由單片機(jī)掃描端 口識(shí)別按鍵操作。
2）液晶顯示屏
顯示設(shè)備采用2.4寸液晶顯示屏，分辨率320×240像 素，TTL電平串口接口控制，串口控制波特率最大可設(shè)置 至115200BPS，顯示顏色65K色。
3）USB數(shù)據(jù)傳輸
USB 數(shù)據(jù)傳輸接口采用 STM32L151 芯 片 內(nèi) 置 USB2.0接口，工作在虛擬串口模式［13］。連接計(jì)算機(jī)后，用 戶可在電腦上操作數(shù)據(jù)讀取程序，從測(cè)量設(shè)備存儲(chǔ)器中讀 取既往記錄數(shù)據(jù)。
2.4 存儲(chǔ)單元
由于測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備的采樣率僅1～20Hｚ，數(shù)據(jù)量 不大，按容量計(jì)算公式計(jì)算：
式中：ME 為 總 數(shù) 據(jù) 容 量；S采 為 采 樣 率（按 最 大 20 Hｚ計(jì) 算）；T為采樣時(shí)間（按工作5小時(shí)計(jì)算）；2代表每次采樣2 字節(jié)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)量為 M 級(jí)，因此不用選擇 FLASH存儲(chǔ)芯片、SD 存 儲(chǔ)卡等常用大容量存儲(chǔ)單元。但是 STM32L151芯片內(nèi)的 128KFLASH存儲(chǔ)空間是 不 夠 的。方 案 選 擇 單 片 EEPROM 存儲(chǔ)芯片24LC1025，該芯片為I2 C接口，1024KB容量，典 型工況3MS頁(yè)寫(xiě)入時(shí)間，超100萬(wàn)次擦除寫(xiě)入壽命，寫(xiě)電 流5MA，讀電流450μA。
2.5 電源管理
測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備的電源管理分為3個(gè)部分：充電電 路、工作穩(wěn)壓電路及橋壓供電電路。
1）充電電路
充電電路主要由電池充電管理及電量檢測(cè)管理兩部分 組成。電池充電電路選用具有 USB接口兼容的線性電池管 理芯片 TP4056。TP4056采用8管腳小外形封裝，充電電 流可達(dá)1A，具有軟啟動(dòng)限制浪涌電流、輸出端防反灌功 能，可自動(dòng)再充電，十分適合于便攜式測(cè)試領(lǐng)域。本方案充 電電流設(shè)置為500MA。電量檢測(cè)管理采用的是低功耗四通道電壓監(jiān)測(cè)集成電 路CN1185，按電池電壓線性監(jiān)測(cè)電池容量。CN1185消耗 電流僅為7.3μA，比較器翻轉(zhuǎn)閾值精度2.5％，輸出端可以 驅(qū)動(dòng)LED或與微處理器I／O 口直接連接，非常合適于監(jiān)測(cè) 電池電壓。
2）工作穩(wěn)壓電路
工作穩(wěn)壓電路主要負(fù)責(zé)將電池電壓轉(zhuǎn)換成工作用的各 直流電壓。穩(wěn)壓電路第一 級(jí) 是 用 LT3471構(gòu)成的升降壓電路，提 供±8 V 電 壓，該電壓供橋壓及二級(jí)穩(wěn)壓電壓使用。LT3471是 一 款 僅 3 MM ×3 MM DFN 封 裝 的 雙 通 道 1.3A、1.2MHｚ升壓／負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器，具有體積小，高輸入 輸出電壓的特點(diǎn)，外圍器件相對(duì)較少。穩(wěn)壓電路第二級(jí)是產(chǎn)生各電路工作電壓，主 要 為：由 LM7805生成的5V 電壓；由 LM7905生成的－5V 電壓；由 LM1117－3.3 生 成 的 3.3 V 電 壓；由 REF03 生 成 的 2.5V基準(zhǔn)電壓等。
3）橋壓供電電路
測(cè)力螺栓的傳感器輸出信號(hào)具有信號(hào)小、易受干擾的 特點(diǎn)，且應(yīng)變信號(hào)的輸出與橋壓品質(zhì)有直接關(guān)系，因此橋壓 供電電路的選擇至關(guān)重要。本方案采用運(yùn)放 AD822搭建一種對(duì)稱恒壓源橋壓供 電電路，保證橋壓輸出恒壓穩(wěn)定。
3 軟件設(shè)計(jì)
測(cè)力螺栓測(cè)量設(shè)備軟件主要是安裝于單片機(jī)內(nèi)的嵌入式 系統(tǒng)軟件，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備信號(hào)采集、橋路平衡調(diào)零、電源管 理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、界面顯示、鍵盤(pán)響應(yīng)等功能。
軟件采用 C代碼編程，編譯環(huán)境為 MDK5。程序流程 如圖6所示。程序起始是初始化，初始化內(nèi)容包括：初始化時(shí)鐘、SPI 端口、UART 串 口、I／O 口、CS1237模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器、內(nèi) 置 DA 模塊、USB接口、顯示屏等［14］。
初始化完成后，程序首先檢測(cè)是否連接 USB。連接的 前提是測(cè)量設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間已連接 USB線纜，計(jì)算機(jī)主 機(jī)已經(jīng)向STM32單片機(jī)內(nèi)置 USB模塊發(fā)起并完成枚舉過(guò) 程。枚舉完成后，計(jì)算機(jī)主機(jī)完成驅(qū)動(dòng)加載，并 與 STM32 單片機(jī)建立數(shù)據(jù)交換連接。程序檢測(cè)到連接建立標(biāo)志，則 認(rèn)為 USB已經(jīng)連接，軟件進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸程序，顯示屏顯示 通訊界面，開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸流程。程序未檢測(cè)到連接建立標(biāo) 志，則認(rèn)為 USB未連接，軟件將進(jìn)入功能選擇程序，顯示屏 顯示功能選擇界面，并提供靈敏度設(shè)置、調(diào)零程序、報(bào)警閾 值設(shè)置、進(jìn)入采集狀態(tài)和關(guān)機(jī)等5項(xiàng)功能選擇。
靈敏度設(shè)置界面用于設(shè)置當(dāng)前測(cè)力螺栓傳感器編號(hào)、 靈敏度系數(shù)，以保證程序正確計(jì)算載荷力值。
調(diào)零程序功能用于進(jìn)入調(diào)零程序，進(jìn)入后設(shè)備將自動(dòng) 調(diào)零，并顯示調(diào)零進(jìn)度、調(diào)零結(jié)果、當(dāng)前零線等。調(diào)零程序 采用逐次逼近法選擇合適的 DA 輸出值，將當(dāng)前 AD 采集 值調(diào)整至零點(diǎn)附近。
報(bào)警閾值設(shè)置功能用于設(shè)定載荷力值的報(bào)警上下限。報(bào)警上限用于提示用戶載荷過(guò)大超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措 施；報(bào)警下限用于提示用戶當(dāng)前載荷過(guò)小，可能發(fā)生螺栓松 動(dòng)、斷裂等故障；報(bào)警上限應(yīng)大于報(bào)警下限。
進(jìn)入采集狀態(tài)功能選擇后，軟件將啟動(dòng) AD 進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集，將采集到 AD原碼經(jīng)靈敏度換算后折算成力值，力值 數(shù)據(jù)一方面保存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，一方面顯示在數(shù)據(jù)采集 界面上。數(shù)據(jù)緩存區(qū)是存儲(chǔ)器的頁(yè)面容量大小，數(shù)據(jù)緩存 區(qū)滿，則向存儲(chǔ)器新的一頁(yè)中寫(xiě)入當(dāng)前緩存區(qū)數(shù)據(jù)，然后緩 存區(qū)清零，準(zhǔn)備寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)［15］。數(shù) 據(jù) 顯 示 界 面 中，如 果 當(dāng)前數(shù)據(jù)未超限，則以白色字體顯示采集力值；如果當(dāng)前數(shù) 據(jù)超上限，則以紅色字體顯示采集力值；如果當(dāng)前數(shù)據(jù)超下 限，則以藍(lán)色字體顯示采集力值。
各功 能 界 面 中，按 下 相 應(yīng) 按 鍵，程 序 則 執(zhí) 行 相 應(yīng) 的 返 回、輸入、確認(rèn)、關(guān)機(jī)等操作。
4 標(biāo)校與測(cè)試
4.1 標(biāo)校
測(cè)力螺栓及測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，首先進(jìn)行測(cè)力螺栓 的標(biāo)校。標(biāo)校方 法 如 圖7所 示。將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與測(cè)力 螺栓串聯(lián)，施加拉力載荷。施加力載荷通過(guò)設(shè)計(jì)好的工裝 實(shí)現(xiàn)，以消除方位對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響［16］。同時(shí)測(cè)力螺栓連 接手持式測(cè)量設(shè)備測(cè)試應(yīng)變數(shù)據(jù)（手持式測(cè)量設(shè)備已經(jīng)過(guò) 標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng) 變 儀 標(biāo) 定 ）。力傳感器型號(hào)為 BK－2B（靈 敏 度 2.412MV／V，7.96KN／MV），由微應(yīng)變測(cè)試儀 DH3842讀 取載荷應(yīng)變量。
首輪共選取5套測(cè)力螺栓樣機(jī)進(jìn)行標(biāo)校，圖8為其中 4＃測(cè)力螺栓標(biāo)校數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)對(duì)比圖。
測(cè)試 結(jié) 果 表 明，5 套測(cè)力螺栓的靈敏度系數(shù)在區(qū) 間 7.6～8.2之間，一致性較好，最大誤差范圍4％～6％。標(biāo) 定精度在預(yù)期范圍內(nèi)。
4.2 穩(wěn)定性測(cè)試
測(cè)力螺栓的主要用途在于監(jiān)測(cè)螺栓預(yù)緊力隨蠕變的 衰減情況，力值測(cè)試的穩(wěn)定性是主要參數(shù)之一。因此標(biāo)校 后隨即進(jìn)行了零位測(cè)試和不同力值下螺栓的穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試的零位如圖9所示，測(cè)試時(shí)間為21.8MIN，軸 力 測(cè)試螺栓的零位較為穩(wěn)定。
在不同力值情況下測(cè)試了螺栓的穩(wěn)定性，如 圖10所 示。通過(guò)2.5H的測(cè)試，軸力測(cè)試螺栓的力值穩(wěn)定。
4.3 強(qiáng)度測(cè)試
2016年3月在北京普匯材料測(cè)試有限公司開(kāi)展了測(cè) 力螺栓拉伸試驗(yàn)，并測(cè)試了測(cè)力螺栓最大承載能力。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，開(kāi)設(shè)中心孔的測(cè)力螺栓最大承載力為 原 有 螺 栓 的 91.35％，斷裂位置為未旋合螺紋處。參 照 GJB3375－1998《普通螺紋螺栓、螺釘通用規(guī)范》，測(cè)力螺栓 承載能力滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
5 結(jié)論
本文提出了一種軸力測(cè)量螺栓及其手持式測(cè)試設(shè)備 的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法，直接通過(guò)安裝在螺栓本體上的應(yīng) 變片得到螺栓的軸向力值，克服了現(xiàn)有螺栓帶有通孔、線 路纏繞、影響裝 配 的 問(wèn) 題，具 有 靈 敏 度 高、精 度 高 的 特 點(diǎn)。配合手持式測(cè)量設(shè)備，可以方便的應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)、武器 裝備、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)靜／動(dòng)力試驗(yàn)界面力測(cè)量、螺 栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)、軸力測(cè)量、螺栓預(yù)緊力測(cè)量、斷裂過(guò)程分析等 測(cè)量與測(cè)試功能，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
但當(dāng)前設(shè)計(jì)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，由于螺栓測(cè)試片安裝空間 有限，貼裝應(yīng)變片困難，安裝工藝效率較低；力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，測(cè)試靈敏度和精度有待提升。后續(xù)將在前期研究 的基礎(chǔ)上，嘗試改變力傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度及測(cè)量精度。同時(shí)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，規(guī)范安裝工藝及制作流程，以進(jìn) 一步拓展實(shí)際應(yīng)用。
作者：張玉璽 周興廣 鄧 哲 馬平昌 劉 玥 劉 芳 （北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 北京 １０００７６）
來(lái)源：《電 子 測(cè) 量 技 術(shù)》2020年4月
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評(píng)論