螺栓紧固超声波测试系统

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超声波有个特性:超声波传递到两边密度差异较大的界面时会反弹。

我们在螺栓头部往杆部发出超声波时开始计时,等到收到从杆端反弹回来的超声波时再计时,计算时间差。超声波的时间差代表了螺栓长度。

在螺栓自由状态下,记录一个原始时间差Ts,在螺栓拧紧过程中,超声设备不停的发送超声波信号并持续记录时间差Tt ,螺栓伸长率=(Tt-Ts)/Ts。

超声波在钢铁中的传播速度跟材质、温度、密度、弹性模量、受力状态等参数相关。

通常在钢铁中传播速度大约在6000m/s左右,6000m/s =0.006mm/ns,假设M6螺栓长度为1倍直径=6mm。非受力状态下,超声波在螺栓中的传递时间为:

2倍*(6mm0.006mm/ns)=2000ns

当螺栓发生0.2%非比例伸长时超声波在螺栓中的传递时间为:

1.002*2倍*(6mm0.006mm/ns)=2004ns

超声波信号的延时增加量为4纳秒,因此只有超声系统的飞行时间精度小于4ns我们才能准确捕捉到0.2%非比例伸长。作为一款实时动态测量系统并且有时需要在螺栓弹性段使用,这就要求超声波系统的飞行时间精度更小。因为在弹性段超声波信号的延时更小。

弹性变形阶段:

通过螺栓伸长率和螺栓的弹性模量,可“近似”推导出螺栓所受轴力。

缺点:由于弹性模量是在拉力机上以纯拉受力状态下测得的,而在实际装配时除了轴向拉力,螺栓还受到扭矩转换过来的剪切力。受力状态并不完全相同。因此,该方式得到的力值为近似值。

塑性变形阶段:

无法通过螺栓伸长率和螺栓的弹性模量推导轴力。

因此我们需要给螺栓动态施加拉力,并在此过程中记录螺栓所受轴力和超声波信号,并建立一个超声信号和轴力信号之间的一个比值关系。我们称之为螺栓的“超声波标定”。

实物模拟拧紧相同特性的螺栓时,利用所测量的超声信号和“超声波标定”时所获得的超声波和轴力的比值关系,反推出轴力数据。

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