基于超聲法的缸蓋螺栓預(yù)緊力測試與分析

0 引言

柴油發(fā)動機(jī)以其扭矩大、動力足、安全省油等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用

。缸蓋螺栓是發(fā)動機(jī)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(shí)缸蓋螺栓受發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體壓力的交變作用和熱負(fù)荷，工作環(huán)境最為惡劣，極易失效。裝配時(shí)通過擰緊螺栓對缸蓋、氣缸墊和氣缸套施加均勻、適當(dāng)?shù)膲壕o力，以保證發(fā)動機(jī)工作時(shí)燃燒室中冷卻水和潤滑油的密封可靠性。螺栓預(yù)緊力不足會影響燃燒室的密封效果，可導(dǎo)致發(fā)動機(jī)漏氣；預(yù)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(jī)械負(fù)荷增大，可靠性下降。因此，準(zhǔn)確測定螺栓的預(yù)緊力非常重要，要選取合適的螺栓預(yù)緊力范圍，采取有效的手段控制并監(jiān)測高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，以確保高強(qiáng)螺栓的使用安全，保證緊固工藝穩(wěn)定合理、受力情況精準(zhǔn)可控。

實(shí)驗(yàn)材料東方百合‘索邦’購于北京市百合合作社。根據(jù)花被片花色積累的變化，對花蕾的9個發(fā)育時(shí)期(長度分別為5、6、7、8、9、10、11、12、13 cm)花蕾長11 cm時(shí)的11個組織部位(包括：外花被、內(nèi)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(jìn)行取樣。樣品均設(shè)置3個重復(fù)，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(yīng)

的超聲波測量法，該方法有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)測量方便，能在狹小空間內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力值的定量測量。(2)建立螺栓的特性應(yīng)力曲線，可以根據(jù)觀測到的回波信號在螺栓擰緊時(shí)將螺栓預(yù)緊力調(diào)到規(guī)定的設(shè)計(jì)預(yù)緊力。(3)超聲波測量法建立的是螺栓軸向應(yīng)力與超聲波聲時(shí)的關(guān)系，測量的是超聲波傳播時(shí)間，螺栓擰緊扭矩的大小和與工件接觸面的狀態(tài)無關(guān)，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(yīng)力大小。通過事先標(biāo)定出超聲傳播時(shí)間與螺栓軸向應(yīng)力的關(guān)系，能夠?qū)υ谝勐菟ǖ膽?yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

1.1 縱波法原理

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

，對于各向同性的固體介質(zhì)，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(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對供水的需要。

(1-1)

式中，

、

為Lame常數(shù)，

為介質(zhì)密度。

依據(jù)非線性聲學(xué)和彈性理論，超聲波在各向同性固體介質(zhì)中沿應(yīng)力方向傳播時(shí)，縱波傳播速度

與應(yīng)力

關(guān)系如下式所示。

(1-2)

式中，

和

為三階彈性常數(shù)。設(shè)：

2

=-(

+2

)[4

+10

+4

+

+2

]

[(

+2

)(3

+2

)]

(1-3)

我國關(guān)于企業(yè)所得稅的相關(guān)條例中規(guī)定合理的會議費(fèi)和差旅費(fèi)可以在稅前據(jù)實(shí)扣除。美的發(fā)生的這兩項(xiàng)費(fèi)用，可以提供真實(shí)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(cái)務(wù)人員在對業(yè)務(wù)招待費(fèi)進(jìn)行賬務(wù)處理時(shí)，要將會議費(fèi)、差旅費(fèi)和業(yè)務(wù)招待費(fèi)分別核算，如果將這兩項(xiàng)費(fèi)用計(jì)入業(yè)務(wù)招待費(fèi)中，提高業(yè)務(wù)招待費(fèi)的數(shù)額，可能會使其超過費(fèi)用扣除的限額，增加企業(yè)所得稅繳納額。稅法中嚴(yán)格規(guī)定業(yè)務(wù)招待費(fèi)的扣除限額，美的可以根據(jù)臨界點(diǎn)對業(yè)務(wù)招待費(fèi)進(jìn)行籌劃，將業(yè)務(wù)招待費(fèi)控制在臨界點(diǎn)之內(nèi)，使其不超過臨界點(diǎn)，防止業(yè)務(wù)招待費(fèi)增加企業(yè)所得稅應(yīng)納稅額。

=

(1+2

)

(1-4)

近年來，隨著教育體制的改革，高校招生數(shù)量逐年增加，而圖書館流通部門是學(xué)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(fù)一些相同的工作，借書還書、整理書架、上書，單調(diào)乏味，純屬體力活，尤其是我們醫(yī)學(xué)院校，專業(yè)書籍精裝本很重，而且隨著經(jīng)費(fèi)的大量投入，購書量增加，還需要經(jīng)常倒架，更會費(fèi)時(shí)費(fèi)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(zhì)較差，修養(yǎng)不高的學(xué)生，對待這類人就得格外精心，否則就會引起他們的不滿，嚴(yán)重時(shí)會故意刁難工作人員，這也會加重館員的心理負(fù)擔(dān)，對工作產(chǎn)生厭煩情緒。

=

(1+

)

(1-5)

式中，

為聲彈性系數(shù)，

為無應(yīng)力狀態(tài)下的超聲縱波聲速。

式(1-5)描述了應(yīng)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度為

攝氏度，則溫度為

攝氏度時(shí)，溫度變化量Δ

為

-

，則無應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的超聲縱波聲速，

為溫度對縱波影系數(shù)。

由式(1-5)和式(1-6)可知溫度和應(yīng)力共同作用下的超聲波聲速

(

,

)表示為

(

,

)=

(1-

Δ

)(1+

)

(1-7)

設(shè)

為無應(yīng)力狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溫度

攝氏度下螺栓總長，無應(yīng)力狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溫度

攝氏度下超聲波聲時(shí)(超聲波在螺栓中往返一次的時(shí)間)

表示為

(1-8)

如本年度均未及時(shí)補(bǔ)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(bào)期，首次匯算清繳申報(bào)的時(shí)間在2020年3月1日到6月30日。在匯算清繳申報(bào)期里，可以再進(jìn)行申報(bào)，重新計(jì)算全年應(yīng)繳稅額，進(jìn)行多退少補(bǔ)。

接受理論本為一種文學(xué)批評理論,高舉讀者本身就是作品能動構(gòu)成的旗幟，認(rèn)為在作者，作品與讀者的三元關(guān)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(dá)成讀者的預(yù)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(xué)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(shù)量級為 10-11，所以

<<1，根據(jù)式(1-9)可將式(1-12)寫為溫度為

攝氏度時(shí)螺栓受到應(yīng)力前后聲時(shí)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(diǎn)——[D].石家莊：河北大學(xué)優(yōu)秀論文數(shù)，2012：8.

超聲波聲時(shí)為夾緊部分聲時(shí)和未夾緊部分聲時(shí)之和，溫度為

時(shí)，在應(yīng)力

作用下， 超聲波聲時(shí)

(

,

)表示為

(1-11)

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

(1-12)

為標(biāo)準(zhǔn)溫度下無應(yīng)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(shí)，夾緊部分長度為

(1+

Δ

)，在螺栓受到應(yīng)力時(shí)，其夾緊部分會被拉長，設(shè)

為溫度為

攝氏度時(shí)螺栓受應(yīng)力伸長后的夾緊長度，螺栓伸長示意圖如圖1(a)所示。根據(jù)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(jìn)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(fù)第（3）步，若無次要告警，則完成檢修，流程轉(zhuǎn)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(guān)的靈敏度系數(shù)。

式(1-4)中的

稱為縱波三階彈性常數(shù)，為后續(xù)計(jì)算方便，設(shè)

=2

，上式化為

則螺栓的預(yù)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(shí)，螺栓將受溫度影響，其長度會發(fā)生變化，設(shè)螺栓材料溫度膨脹系數(shù)為

，則無應(yīng)力狀態(tài)下的超聲波聲時(shí)

(0,)

表示為

1.2 超聲測量系統(tǒng)

圖2是典型的螺栓預(yù)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(jī)、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(yàn)測定可知

為10-11 m

/ N數(shù)量級，作二級近似得：

2個月規(guī)培結(jié)束后,對PBL組及SBME-PBL組學(xué)員進(jìn)行理論知識與實(shí)踐成績考核,實(shí)踐考核主要包括病例分析與神經(jīng)系統(tǒng)檢查結(jié)果的評估。并由學(xué)員填寫問卷調(diào)查表,問卷內(nèi)容包括是否有助于提高自學(xué)能力、學(xué)習(xí)興趣、臨床思維能力、知識的系統(tǒng)性掌握、臨床實(shí)踐的適應(yīng)操作能力、基礎(chǔ)知識的掌握、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。各項(xiàng)調(diào)查回答為同意或不同意,兩組問卷結(jié)果以百分比形式呈現(xiàn)。

在螺栓軸向應(yīng)力采集模式下，由計(jì)算機(jī)向測量系統(tǒng)主機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)特定脈沖信號的輸出，激勵超聲發(fā)生器發(fā)射相應(yīng)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(jīng)過帶通濾波﹑增益放大和過閾值測量，由超聲波聲時(shí)采集電路通過精密時(shí)基脈沖測量出超聲波沿螺栓軸向來回傳導(dǎo)一次的聲時(shí)差值，進(jìn)而計(jì)算出螺栓軸向應(yīng)力，其聲時(shí)采集精度可達(dá)0.1 ns。

2 螺栓預(yù)緊力標(biāo)定試驗(yàn)

根據(jù)測量原理，標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)超聲波在螺栓中渡越時(shí)間的精確測量和螺栓軸向?qū)嶋H所受應(yīng)力大小的精確測量。整個標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)臺架、超聲波檢測模塊、應(yīng)力檢測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊四部分組成。螺栓預(yù)緊力標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

基于縱波法測量螺栓預(yù)緊力需要得到螺栓聲時(shí)差與軸向應(yīng)力的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，利用萬能試驗(yàn)機(jī)在0 kN至150 kN范圍內(nèi)以30 kN為步長進(jìn)行加載，同時(shí)使用超聲系統(tǒng)測量不同聲時(shí)差時(shí)刻對應(yīng)的軸向拉力大小。通過式(1-16)計(jì)算并獲取聲時(shí)差與預(yù)緊力之間關(guān)系，并修正螺栓材料相關(guān)的補(bǔ)償系數(shù)，最終通過二階函數(shù)擬合制作三種螺栓的標(biāo)定曲線，至此完成標(biāo)定試驗(yàn)。

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(yù)加載，通過預(yù)加載作用可使結(jié)構(gòu)提前進(jìn)入正常工作狀態(tài)，試件安裝的支承部分接觸密實(shí)，并可以檢查儀器及設(shè)備的工作可靠性，但加載值不宜超過該試件開裂試驗(yàn)荷載計(jì)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(yù)緊力的影響，分別對螺栓編號，其簡圖如圖4所示。

根據(jù)技術(shù)文件要求進(jìn)行擰緊，在保證安裝精度的基礎(chǔ)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(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測試。

在螺栓全部松開后進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)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(yīng)的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測試。(6)缸蓋縫合絲對后，對所有螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行測試。

4 螺栓預(yù)緊力測試結(jié)果

所有螺栓進(jìn)行加載之前對其初始狀態(tài)下的預(yù)緊力進(jìn)行了測試，各螺栓第一階段加載后的預(yù)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(yù)緊力約增加19.4kN；之后每施加一次60°的扭角，預(yù)緊力約增加20.2kN；所有螺栓在經(jīng)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(yù)緊力值較為接近，平均預(yù)緊力約為80.8kN。這一階段的預(yù)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(jīng)過50N·m扭矩和240°扭角后，平均預(yù)緊力約為108kN，5、6、7、8號螺栓經(jīng)過50N·m扭矩和210°扭角后，平均預(yù)緊力約為81kN。緊固后的螺栓預(yù)緊力分布并不均勻，數(shù)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(yù)緊力最大，約為112.2kN，最大偏差約為35.8kN。螺栓預(yù)緊力在前五步與扭矩或轉(zhuǎn)角基本呈線性關(guān)系，到第六步所有螺栓預(yù)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(yù)緊力普遍下降，約下降28.6%，減小27kN。圖6為第二階段試驗(yàn)螺栓預(yù)緊力曲線圖。

5 總結(jié)與展望

本測試主要研究了螺栓預(yù)緊力超聲測量方法，分析了螺栓緊固工藝與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系，制定了螺栓預(yù)緊力超聲測試的標(biāo)定文件，分析了緊固工藝與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系，為科學(xué)制定相關(guān)擰緊標(biāo)準(zhǔn)提供了測試依據(jù)。

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