拉鉚釘螺桿應(yīng)力測試誤差分析及修正

高豐順，成志強(qiáng)

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

拉鉚釘是利用胡克定律原理，用拉鉚釘專用設(shè)備在單向拉力的作用下，將套入的環(huán)狀套環(huán)的金屬擠壓并充滿到帶有多條環(huán)狀溝槽的螺桿凹槽內(nèi)，使套環(huán)與螺桿形成100%的結(jié)合，產(chǎn)生永久緊固力。拉鉚釘緊固件具有高緊固力、永不松動及高抗剪力等特性。實(shí)驗(yàn)采用壓阻式壓力傳感器和金屬應(yīng)變式傳感器進(jìn)行拉鉚釘鉚固后在-50～70℃內(nèi)鋼質(zhì)螺桿的軸向應(yīng)力測試，測得的軸向應(yīng)力由兩部分組成，分別是拉鉚釘預(yù)緊力和受鋼質(zhì)螺桿及鋁質(zhì)套環(huán)線膨脹系數(shù)差異影響引起的溫度應(yīng)力。比較兩種方法的測試結(jié)果，有圖1所示的差異。本文分析了測試差異產(chǎn)生的原因，并提出對拉鉚釘鉚固和溫度變化時(shí)螺桿應(yīng)力測試的改進(jìn)方法。

圖1 兩種測試方法螺桿軸向應(yīng)力測試結(jié)果比較

1 熱應(yīng)力

物體的溫度發(fā)生變化時(shí)，它和不能自由伸縮的其他物體之間或是物體內(nèi)部各部分之間相互約束所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力或溫度應(yīng)力[1]。

桿和套環(huán)的線膨脹系數(shù)分別為αc、αt，彈性螺模量為 Ec、Et，截面積為 Ac、At，預(yù)緊力為 Fc0、Ft0，溫度內(nèi)力為 Fct、Ftt，溫度變化量為 Δt，常溫下螺桿和套環(huán)的長度均為l。為簡單起見，假定僅在長度方向上產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。

常溫下螺桿和套環(huán)上的預(yù)緊力平衡，溫度變化后，它們的軸力平衡：

由式（1）可得溫度變化引起的螺桿和套環(huán)上的內(nèi)力相等。

變形幾何方程和物理關(guān)系[2]為

Δlc=Δlt

式中：Δlc——螺桿的變形；

Δlt——套環(huán)的變形；

Δlct、ΔlcF——螺桿由溫度變化和溫度內(nèi)力引起的變形；

Δltt、ΔltF——套環(huán)由溫度變化和溫度內(nèi)力引起的變形。

聯(lián)立式（1）和式（2），可求得螺桿溫度應(yīng)力為

由式（3）可知，當(dāng)螺桿和套環(huán)的線膨脹系數(shù)、彈性模量、截面積變化不大時(shí)，螺桿溫度應(yīng)力與溫度變化量為線性關(guān)系。

2 兩種測量方法的工作原理

2.1 金屬應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象[3]。實(shí)驗(yàn)采用箔式電阻應(yīng)變片進(jìn)行測量，并以鋼質(zhì)材料制作的補(bǔ)償塊對測量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.2 壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用力而變化的壓阻效應(yīng)。其核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上利用集成電路的工藝方法擴(kuò)散上4個(gè)阻值相同的半導(dǎo)體應(yīng)變電阻。當(dāng)硅膜片兩邊存在壓力差時(shí)，在硅膜片上產(chǎn)生應(yīng)力，硅膜片上的4個(gè)等值電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，一對變大，另一對變小，使電橋失去平衡，輸出與被測壓力成比例的電壓[4]。

3 測量結(jié)果分析

3.1 預(yù)緊力測量結(jié)果分析

在常溫下測量螺桿的預(yù)緊力，比較兩種方法的測量結(jié)果，使用金屬應(yīng)變式壓力傳感器測得的軸向應(yīng)力均值為368.7MPa，使用壓阻式壓力傳感器測得的軸向應(yīng)力均值為395.6MPa，大于應(yīng)變傳感器的測量結(jié)果，相對誤差為6.8%。產(chǎn)生這種差異的原因是電橋存在零位輸出以及兩種測試方法的誤差。由于壓阻式壓力傳感器采用半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散技術(shù)，被連接成惠斯通電橋的4個(gè)電阻的阻值不可能制作得完全相等，擴(kuò)散電阻的各個(gè)電阻溫度系數(shù)也不一定相等?；谶@些原因，在組成橋路時(shí)容易產(chǎn)生零位漂移和零位溫度漂移[5-6]。零位輸出電壓即在不加任何輸入下電橋的輸出電壓時(shí)，若使用惠斯通電橋，電源電壓為3V，R1=R2=R3=R，R4=0.99R，則輸出電壓為

可求得零位輸出電壓為7.5mV。在壓力傳感器的測試結(jié)果中，存在較大的零位輸出，因此測試結(jié)果往往偏大。測量之前對每個(gè)金屬應(yīng)變片的阻值進(jìn)行檢驗(yàn)，使用的各金屬應(yīng)變片阻值基本相同，所以零位輸出很小，應(yīng)變式傳感器測得的螺桿預(yù)緊力更接近于真實(shí)值。

3.2 溫度應(yīng)力測試結(jié)果分析

將試件置于控溫試驗(yàn)箱中，采用兩種測量方法同時(shí)進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1所示?？疾鞙囟葢?yīng)力隨溫度的變化關(guān)系，如圖2所示。鐵的線膨脹系數(shù)為12×10-6/℃，而鋁的線膨脹系數(shù)為 23×10-6/℃，約為鐵的2倍。在溫度升高時(shí)，套環(huán)的膨脹量大于螺桿，這將引起螺桿產(chǎn)生額外的軸向拉力。溫度降低時(shí)，套環(huán)的收縮同樣要比螺桿快，但是由于預(yù)緊力的作用，二者仍然緊密連接在一起，因此螺桿上產(chǎn)生額外的軸向壓力。由圖2可以看出，使用壓力傳感器和應(yīng)變式傳感器測得的溫度應(yīng)力在隨溫度變化趨勢上是相同的，但是應(yīng)變式傳感器測得的拉壓應(yīng)力值均大于壓力傳感器的測量結(jié)果。

表1 溫度應(yīng)力測量結(jié)果

圖2 兩種測試方法溫度應(yīng)力測試結(jié)果比較

測試記錄的數(shù)據(jù)是在某一溫度的瞬時(shí)值，但是這個(gè)溫度是試驗(yàn)箱內(nèi)的整體溫度，使用應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測量時(shí)，鋼質(zhì)補(bǔ)償塊暴露在試驗(yàn)箱里，而貼有應(yīng)變片的鋼質(zhì)螺桿包裹在套環(huán)內(nèi)，這就造成了補(bǔ)償片和應(yīng)變片載體的溫度變化并非完全相同，因此應(yīng)變測試中存在溫度誤差。由于測試過程中試驗(yàn)箱中先降溫，后升溫，在降溫時(shí)試驗(yàn)箱空氣中的水汽凝結(jié)成水滴，將使應(yīng)變片受潮，可能引起粘合強(qiáng)度降低，影響測量精度。常溫與高溫應(yīng)變式傳感器制造工藝的根本區(qū)別：常溫零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償范圍是-10～50℃，使用范圍外延至-20～60℃；而高溫傳感器的上限溫度必須達(dá)到最高使用溫度。實(shí)驗(yàn)的溫度范圍為-50～70℃，已經(jīng)超出了常溫應(yīng)變式傳感器的使用范圍。但是實(shí)驗(yàn)選用的應(yīng)變片和粘結(jié)劑均僅適用于常溫條件，由此造成的靈敏度系數(shù)溫度誤差、零漂、溫漂、蠕變是不可避免的，這些都將對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。在非常溫條件下，導(dǎo)線電阻受溫度影響也會產(chǎn)生熱輸出[7]。觀察壓力傳感器測得的溫度應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫差（當(dāng)前溫度-16℃）大于20℃時(shí)，溫度應(yīng)力的變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，與式（3）所得的溫度應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系一致。雖然仍存在靈敏度溫度系數(shù)和非線性誤差的影響，壓力傳感器測得的溫度應(yīng)力更接近于真實(shí)值。

綜合上述分析，選用應(yīng)變式傳感器測得的預(yù)緊力和壓力傳感器測得的溫度應(yīng)力，可得到一組相對準(zhǔn)確的螺桿軸向應(yīng)力。

4 測試方法改進(jìn)

4.1 壓力傳感器零位輸出補(bǔ)償

通過測試結(jié)果分析，壓阻式壓力傳感器測得的預(yù)緊力誤差是因?yàn)榱阄惠敵霎a(chǎn)生的，為得到精確的測量結(jié)果，必須對其補(bǔ)償。采用并串連調(diào)零，即在R3上串聯(lián)R5的同時(shí)，又在R4上并聯(lián)電阻RP，如圖3所示。適當(dāng)選擇R5和RP的值[8]，可以使電橋失調(diào)為零，且在調(diào)零后溫度變化不會引起零點(diǎn)漂移。

4.2 應(yīng)變式傳感器溫度補(bǔ)償

圖3 串并聯(lián)補(bǔ)償電路

圖4 雙絲半橋式溫度自補(bǔ)償計(jì)

由于補(bǔ)償塊與套環(huán)內(nèi)螺桿溫度變化并非完全相同，在貼片時(shí)可以選擇套環(huán)外的螺桿部分。如果需要考察套環(huán)內(nèi)螺桿的應(yīng)力狀況，可以采用雙絲半橋式溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。這是由兩種合金絲（或箔）組成2個(gè)敏感柵的應(yīng)變計(jì)，2個(gè)敏感柵分別接在電橋的相鄰2個(gè)橋臂，其中1個(gè)為測量柵，用于應(yīng)變測量，其電阻為R1；另一種合金絲構(gòu)成的絲柵為補(bǔ)償柵，用于補(bǔ)償溫度效應(yīng)，其電阻為 R2，通常 R2＜R1。為使電橋平衡，補(bǔ)償柵需串聯(lián)一個(gè)電阻RB，使R1=R2+RB，如圖4所示。這種應(yīng)變計(jì)的最大特點(diǎn)是能夠用在不同線膨脹系數(shù)的材料上，可以通過改變RB來調(diào)整補(bǔ)償臂的熱輸出，使應(yīng)變計(jì)在某種材料上實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。使用雙絲半橋式溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)并結(jié)合橋路補(bǔ)償法，在每個(gè)測量溫度保溫一段時(shí)間后進(jìn)行記錄，可將溫度誤差減低到最小。在預(yù)緊力測量后進(jìn)行拆線重組裝并調(diào)零是十分必要的。

5 結(jié)束語

使用金屬應(yīng)變式傳感器和壓阻式壓力傳感器對鉚固后拉鉚釘鋼質(zhì)螺桿的軸向應(yīng)力進(jìn)行測試，比較分析兩種測試方法的結(jié)果，因?yàn)榱泓c(diǎn)輸出的影響，壓力傳感器測得的預(yù)緊力存在較大誤差；因?yàn)闇囟日`差和測量方法的不足，應(yīng)變式傳感器測得的溫度應(yīng)力存在較大誤差，采用串并聯(lián)補(bǔ)償電路和雙絲半橋式溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)可有效修正。

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