基于超聲法的缸蓋螺栓預緊力測試與分析

0 引言

柴油發(fā)動機以其扭矩大、動力足、安全省油等優(yōu)點得到廣泛應用

。缸蓋螺栓是發(fā)動機連接螺栓中最重要的螺栓，對缸體的密封性有重要影響

。工作時缸蓋螺栓受發(fā)動機氣缸內氣體壓力的交變作用和熱負荷，工作環(huán)境最為惡劣，極易失效。裝配時通過擰緊螺栓對缸蓋、氣缸墊和氣缸套施加均勻、適當的壓緊力，以保證發(fā)動機工作時燃燒室中冷卻水和潤滑油的密封可靠性。螺栓預緊力不足會影響燃燒室的密封效果，可導致發(fā)動機漏氣；預緊力過大或散差過大，會造成氣缸蓋的過度變形、受力不均，使零部件機械負荷增大，可靠性下降。因此，準確測定螺栓的預緊力非常重要，要選取合適的螺栓預緊力范圍，采取有效的手段控制并監(jiān)測高強螺栓的預緊力，以確保高強螺栓的使用安全，保證緊固工藝穩(wěn)定合理、受力情況精準可控。

實驗材料東方百合‘索邦’購于北京市百合合作社。根據花被片花色積累的變化，對花蕾的9個發(fā)育時期(長度分別為5、6、7、8、9、10、11、12、13 cm)花蕾長11 cm時的11個組織部位(包括：外花被、內花被、花絲、花藥、柱頭、花柱、子房、上部葉、中下部葉、嫩莖和莖生根)(圖1)及10種光照處理(分別為黑暗處理：1、2、4、8 h和光照處理：1、2、4、8、12、16 h)后的花蕾進行取樣。樣品均設置3個重復，采集后保存于 - 80℃ 冰箱備用。

1 超聲法測量原理

本測試選用基于聲彈性效應

的超聲波測量法，該方法有以下優(yōu)點：(1)測量方便，能在狹小空間內進行應力值的定量測量。(2)建立螺栓的特性應力曲線，可以根據觀測到的回波信號在螺栓擰緊時將螺栓預緊力調到規(guī)定的設計預緊力。(3)超聲波測量法建立的是螺栓軸向應力與超聲波聲時的關系，測量的是超聲波傳播時間，螺栓擰緊扭矩的大小和與工件接觸面的狀態(tài)無關，因此可以消除摩擦力等因素的影響。(4)超聲波測量法可以測量已緊固螺栓的應力大小。通過事先標定出超聲傳播時間與螺栓軸向應力的關系，能夠對在役螺栓的應力進行實時測量。

1.1 縱波法原理

當超聲波在彈性介質中傳播時，超聲波沿著應力方向傳播的速度會隨應力的改變而發(fā)生變化，這種現象叫做聲彈性現象，聲彈性現象在彈性范圍和非彈性范圍內均存在。在不受應力時

，對于各向同性的固體介質，超聲縱波在其中的傳播聲速

可表示為

該區(qū)山高坡陡，巖溶發(fā)育強烈，地下水埋藏深，從而直接影響了地下水的開發(fā)利用，造成了本區(qū)可利用的巖溶地下水資源隨之逐年減少，遠遠滿足不了經濟社會發(fā)展對供水的需要。

(1-1)

式中，

、

為Lame常數，

為介質密度。

依據非線性聲學和彈性理論，超聲波在各向同性固體介質中沿應力方向傳播時，縱波傳播速度

與應力

關系如下式所示。

(1-2)

式中，

和

為三階彈性常數。設：

2

=-(

+2

)[4

+10

+4

+

+2

]

[(

+2

)(3

+2

)]

(1-3)

我國關于企業(yè)所得稅的相關條例中規(guī)定合理的會議費和差旅費可以在稅前據實扣除。美的發(fā)生的這兩項費用，可以提供真實的合法憑證，都可以不受扣除限額的限制，全部在稅前扣除。美的財務人員在對業(yè)務招待費進行賬務處理時，要將會議費、差旅費和業(yè)務招待費分別核算，如果將這兩項費用計入業(yè)務招待費中，提高業(yè)務招待費的數額，可能會使其超過費用扣除的限額，增加企業(yè)所得稅繳納額。稅法中嚴格規(guī)定業(yè)務招待費的扣除限額，美的可以根據臨界點對業(yè)務招待費進行籌劃，將業(yè)務招待費控制在臨界點之內，使其不超過臨界點，防止業(yè)務招待費增加企業(yè)所得稅應納稅額。

=

(1+2

)

(1-4)

近年來，隨著教育體制的改革，高校招生數量逐年增加，而圖書館流通部門是學生們的第二課堂，這就無疑加重了流通館員的工作量，不僅如此，每天都是重復一些相同的工作，借書還書、整理書架、上書，單調乏味，純屬體力活，尤其是我們醫(yī)學院校，專業(yè)書籍精裝本很重，而且隨著經費的大量投入，購書量增加，還需要經常倒架，更會費時費力。再就是流通部門是圖書館的窗口，每天接待大批量讀者，這里面不乏有些素質較差，修養(yǎng)不高的學生，對待這類人就得格外精心，否則就會引起他們的不滿，嚴重時會故意刁難工作人員，這也會加重館員的心理負擔，對工作產生厭煩情緒。

=

(1+

)

(1-5)

式中，

為聲彈性系數，

為無應力狀態(tài)下的超聲縱波聲速。

式(1-5)描述了應力對超波聲速的影響。超聲波聲速受溫度變化影響，并且溫度變化會引起螺栓長度的改變。設標準溫度為

攝氏度，則溫度為

攝氏度時，溫度變化量Δ

為

-

，則無應力狀態(tài)下超聲波聲速

表示為：

式中，

為螺栓材料的楊氏模量。

=

(1-

Δ

)

(1-6)

式中，

為無應力狀態(tài)標準溫度下的超聲縱波聲速，

為溫度對縱波影系數。

由式(1-5)和式(1-6)可知溫度和應力共同作用下的超聲波聲速

(

,

)表示為

(

,

)=

(1-

Δ

)(1+

)

(1-7)

設

為無應力狀態(tài)標準溫度

攝氏度下螺栓總長，無應力狀態(tài)標準溫度

攝氏度下超聲波聲時(超聲波在螺栓中往返一次的時間)

表示為

(1-8)

如本年度均未及時補充信息也不要緊。次年的3月1日到6月30日是個人的匯算清繳申報期，首次匯算清繳申報的時間在2020年3月1日到6月30日。在匯算清繳申報期里，可以再進行申報，重新計算全年應繳稅額，進行多退少補。

接受理論本為一種文學批評理論,高舉讀者本身就是作品能動構成的旗幟，認為在作者，作品與讀者的三元關系中，讀者絕不僅僅是被動的部分，沒有讀者的積極參與或未達成讀者的預期視野，那一部作品的歷史生命將是不可思議的。它旨在打破文學作品封閉的圓圈，從一個嶄新的視角重新審視作品，即接受理論的視角。

(1-9)

由于

的數量級為 10-11，所以

<<1，根據式(1-9)可將式(1-12)寫為溫度為

攝氏度時螺栓受到應力前后聲時差的形式，如圖1(

)所示，則有

(1-10)

① 楊彼岸.在虞美人草中的藤尾死因的再探索——以漱石的個人主義為視點——[D].石家莊：河北大學優(yōu)秀論文數，2012：8.

超聲波聲時為夾緊部分聲時和未夾緊部分聲時之和，溫度為

時，在應力

作用下， 超聲波聲時

(

,

)表示為

(1-11)

聯立式(1-6)、式(1-7)、式(1-8)、式(1-10)和式(1-11)可得

(1-12)

為標準溫度下無應力狀態(tài)的螺栓夾緊長度，則

-

為未夾緊部分長度，受溫度影響，在溫度為

攝氏度時，夾緊部分長度為

(1+

Δ

)，在螺栓受到應力時，其夾緊部分會被拉長，設

為溫度為

攝氏度時螺栓受應力伸長后的夾緊長度，螺栓伸長示意圖如圖1(a)所示。根據胡克定律，則有

(1-13)

令

（3）首先兩端分別在 DDF處自環(huán)，檢查 SDH是否還有次要告警，若告警不消除，則需要對 SDH支路板和DDF進行檢修，SDH檢修為更換支路板，DDF檢修為檢查DDF接口有無虛焊、連接是否契合等。若無次要告警，環(huán)回方式改成如下，在其中一端DDF處環(huán)回給對端，觀察對端是否有次要告警，若還有告警則需要重復第（3）步，若無次要告警，則完成檢修，流程轉入第（4）步。

(1-14)

則有

=

[

(,)

-

0,

]

(1-15)

其中

是與溫度、螺栓規(guī)格和夾緊長度有關的靈敏度系數。

式(1-4)中的

稱為縱波三階彈性常數，為后續(xù)計算方便，設

=2

，上式化為

則螺栓的預緊力

，可表示為如下形式：

=

[

(,)

-

0,

]

(1-16)

式中，

為等效截面積。

溫度為

攝氏度時，螺栓將受溫度影響，其長度會發(fā)生變化，設螺栓材料溫度膨脹系數為

，則無應力狀態(tài)下的超聲波聲時

(0,)

表示為

1.2 超聲測量系統(tǒng)

圖2是典型的螺栓預緊力測量系統(tǒng)的原理框圖。超聲測量系統(tǒng)主要包括有：超聲波接發(fā)器、測量系統(tǒng)主機、溫度傳感器、超聲波測量軟件等組成。

將式(1-3)代入式(1-2)，由試驗測定可知

為10-11 m

/ N數量級，作二級近似得：

2個月規(guī)培結束后,對PBL組及SBME-PBL組學員進行理論知識與實踐成績考核,實踐考核主要包括病例分析與神經系統(tǒng)檢查結果的評估。并由學員填寫問卷調查表,問卷內容包括是否有助于提高自學能力、學習興趣、臨床思維能力、知識的系統(tǒng)性掌握、臨床實踐的適應操作能力、基礎知識的掌握、團隊協作能力等。各項調查回答為同意或不同意,兩組問卷結果以百分比形式呈現。

在螺栓軸向應力采集模式下，由計算機向測量系統(tǒng)主機發(fā)出控制指令，實現特定脈沖信號的輸出，激勵超聲發(fā)生器發(fā)射相應的縱波信號。超聲接收器接收到螺栓另一端面的回波反射信號后，經過帶通濾波﹑增益放大和過閾值測量，由超聲波聲時采集電路通過精密時基脈沖測量出超聲波沿螺栓軸向來回傳導一次的聲時差值，進而計算出螺栓軸向應力，其聲時采集精度可達0.1 ns。

2 螺栓預緊力標定試驗

根據測量原理，標定試驗系統(tǒng)需要實現超聲波在螺栓中渡越時間的精確測量和螺栓軸向實際所受應力大小的精確測量。整個標定試驗系統(tǒng)由試驗臺架、超聲波檢測模塊、應力檢測模塊和數據處理模塊四部分組成。螺栓預緊力標定試驗系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

基于縱波法測量螺栓預緊力需要得到螺栓聲時差與軸向應力的對應函數關系，利用萬能試驗機在0 kN至150 kN范圍內以30 kN為步長進行加載，同時使用超聲系統(tǒng)測量不同聲時差時刻對應的軸向拉力大小。通過式(1-16)計算并獲取聲時差與預緊力之間關系，并修正螺栓材料相關的補償系數，最終通過二階函數擬合制作三種螺栓的標定曲線，至此完成標定試驗。

3 螺栓擰緊順序方案

6缸螺栓分布如圖4所示，螺栓的擰緊工藝共分為兩個階段，第一階段為預加載，通過預加載作用可使結構提前進入正常工作狀態(tài)，試件安裝的支承部分接觸密實，并可以檢查儀器及設備的工作可靠性，但加載值不宜超過該試件開裂試驗荷載計算的70%；第二階段為螺栓的緊固階段，完成缸蓋的最終安裝。為了便于測量擰緊工藝對螺栓預緊力的影響，分別對螺栓編號，其簡圖如圖4所示。

根據技術文件要求進行擰緊，在保證安裝精度的基礎上，第一階段的加載工藝方式如下：(1)首先對所有螺栓的初始軸向力進行測試；(2)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序依次對螺栓施加力矩約50N·m，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(3)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序依次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(4)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序再次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(5)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序再次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試。

在螺栓全部松開后進行第二階段的加載，加載方式如下：(1)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序依次對螺栓施加力矩約50N·m，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(2)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序依次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(3)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序再次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(4)按1-2-3-4-5-6-7-8的順序再次對螺栓擰緊扭角約60°，并對相應的螺栓預緊力進行測試；(5)按1-2-3-4的順序依次對螺栓擰緊扭角約60°，按5-6-7-8的順序依次對螺栓擰緊扭角約30°，并對相應的螺栓預緊力進行測試。(6)缸蓋縫合絲對后，對所有螺栓的預緊力進行測試。

4 螺栓預緊力測試結果

所有螺栓進行加載之前對其初始狀態(tài)下的預緊力進行了測試，各螺栓第一階段加載后的預緊力的變化如圖5所示。在初始狀態(tài)下螺栓的軸向力接近于零，螺栓施加約50N·m的力矩后，平均預緊力約增加19.4kN；之后每施加一次60°的扭角，預緊力約增加20.2kN；所有螺栓在經過一次50N·m的力矩和三次60°的扭角后，對稱位置的螺栓之間的預緊力值較為接近，平均預緊力約為80.8kN。這一階段的預加載作用可以很好地使試件安裝的支承部分充分接觸，更好地發(fā)揮了各個螺栓的緊固作用。

在第二階段中，1、2、3、4號螺栓經過50N·m扭矩和240°扭角后，平均預緊力約為108kN，5、6、7、8號螺栓經過50N·m扭矩和210°扭角后，平均預緊力約為81kN。緊固后的螺栓預緊力分布并不均勻，數值較離散，個別螺栓偏差較大，6號螺栓上的力最小為76.4kN，5號螺栓上的預緊力最大，約為112.2kN，最大偏差約為35.8kN。螺栓預緊力在前五步與扭矩或轉角基本呈線性關系，到第六步所有螺栓預緊力明顯下降，表明螺栓可能發(fā)生屈服。缸蓋縫合絲對后，螺栓的預緊力普遍下降，約下降28.6%，減小27kN。圖6為第二階段試驗螺栓預緊力曲線圖。

5 總結與展望

本測試主要研究了螺栓預緊力超聲測量方法，分析了螺栓緊固工藝與螺栓預緊力的關系，制定了螺栓預緊力超聲測試的標定文件，分析了緊固工藝與螺栓預緊力的關系，為科學制定相關擰緊標準提供了測試依據。

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