拉鉚釘螺桿應(yīng)力測試誤差分析及修正

高豐順，成志強

（西南交通大學力學與工程學院，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。實驗采用壓阻式壓力傳感器和金屬應(yīng)變式傳感器進行拉鉚釘鉚固后在-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螺桿應(yīng)力測試的改進方法。

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，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，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體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象[3]。實驗采用箔式電阻應(yīng)變片進行測量，并以鋼質(zhì)材料制作的補償塊對測量電路進行溫度補償。

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)制成的半導體器件。半導體應(yīng)變片的工作原理是基于半導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散上4個阻值相同的半導體應(yīng)變電阻。當硅膜片兩邊存在壓力差時，在硅膜片上產(chǎn)生應(yīng)力，硅膜片上的4個等值電阻在應(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 預緊力測量結(jié)果分析

在常溫下測量螺桿的預緊力，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體材料的擴散技術(shù)，被連接成惠斯通電橋的4個電阻的阻值不可能制作得完全相等，擴散電阻的各個電阻溫度系數(shù)也不一定相等。基于這些原因，在組成橋路時容易產(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，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。測量之前對每個金屬應(yīng)變片的阻值進行檢驗，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緊力更接近于真實值。

3.2 溫度應(yīng)力測試結(jié)果分析

將試件置于控溫試驗箱中，采用兩種測量方法同時進行測量，測量結(jié)果如表1所示。考察溫度應(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，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，套環(huán)的收縮同樣要比螺桿快，但是由于預緊力的作用，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值，但是這個溫度是試驗箱內(nèi)的整體溫度，使用應(yīng)變式傳感器進行測量時，鋼質(zhì)補償塊暴露在試驗箱里，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箱中先降溫，后升溫，在降溫時試驗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：常溫零點和靈敏度溫度補償范圍是-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到最高使用溫度。實驗的溫度范圍為-50～70℃，已經(jīng)超出了常溫應(yīng)變式傳感器的使用范圍。但是實驗選用的應(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)當溫差（當前溫度-16℃）大于20℃時，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)力更接近于真實值。

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

4 測試方法改進

4.1 壓力傳感器零位輸出補償

通過測試結(jié)果分析，壓阻式壓力傳感器測得的預緊力誤差是因為零位輸出產(chǎn)生的，為得到精確的測量結(jié)果，必須對其補償。采用并串連調(diào)零，即在R3上串聯(lián)R5的同時，又在R4上并聯(lián)電阻RP，如圖3所示。適當選擇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漂移。

4.2 應(yīng)變式傳感器溫度補償

圖3 串并聯(lián)補償電路

圖4 雙絲半橋式溫度自補償計

由于補償塊與套環(huán)內(nèi)螺桿溫度變化并非完全相同，在貼片時可以選擇套環(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償應(yīng)變計。這是由兩種合金絲（或箔）組成2個敏感柵的應(yīng)變計，2個敏感柵分別接在電橋的相鄰2個橋臂，其中1個為測量柵，用于應(yīng)變測量，其電阻為R1；另一種合金絲構(gòu)成的絲柵為補償柵，用于補償溫度效應(yīng)，其電阻為 R2，通常 R2＜R1。為使電橋平衡，補償柵需串聯(lián)一個電阻RB，使R1=R2+RB，如圖4所示。這種應(yīng)變計的最大特點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)整補償臂的熱輸出，使應(yīng)變計在某種材料上實現(xiàn)溫度自補償。使用雙絲半橋式溫度自補償應(yīng)變計并結(jié)合橋路補償法，在每個測量溫度保溫一段時間后進行記錄，可將溫度誤差減低到最小。在預緊力測量后進行拆線重組裝并調(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)力進行測試，比較分析兩種測試方法的結(jié)果，因為零點輸出的影響，壓力傳感器測得的預緊力存在較大誤差；因為溫度誤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)補償電路和雙絲半橋式溫度自補償應(yīng)變計可有效修正。

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