基于扭矩法和超声法检测螺栓预紧力的误差分析

基于扭矩法和超声法检测螺栓预紧力的误差分析

范雪凯  金剑

杭州华新检测技术股份有限公司    浙江杭州    311215

摘要：螺栓预紧力可以通过多种方法进行控制。其中扭矩法和超声法控制是最简单易行,最常用的螺栓预紧力控制方法。但这两种控制螺栓预紧力的准确度较差,发散性很大。本文就对影响控制预紧力准确度的几个重要参数进行分析讨论。

关键词：扭矩法；超声法；螺栓预紧力；误差分析

Error analysis of bolt pretension test based on torque method and ultrasonic method

1Fan Xuekai，2Jin jian

Hangzhou Huaxin Testing Technology Co., Ltd

Hangzhou, Zhejiang    311215

Abstract: The bolt pretension force can be controlled by various methods. Torque method and ultrasonic control are the most simple and the most commonly used bolt pretension force control method. However, the accuracy of these two control bolts is poor and very pergent. This paper discusses several important parameters affecting the accuracy of pretension.

Key words: torque method; ultrasonic method; bolt pre-tightening force; error analysis

前言：

螺栓连接具有使用效率高、成本低、拆装方便、安全性高等优点，是航空航天、车辆、铁路、建筑等领域广泛应用的重要装配方式。在装配过程中，需要对螺栓施加合适的预紧力，以保障装配的安全性和可靠性。若螺栓预紧力过大，则会出现疲劳断裂等情况，造成安全隐患，引发安全事故。若螺栓预紧力过小，则会使装配结构之间因振动而发生松弛和滑移，影响装配设备的安全运行。螺栓装配的预紧力大小能够间接反映装配螺栓的连接情况

一、扭矩法和超声法

（一）扭矩法

在科学研究和实际工程应用中，扭矩法被誉为一种精确测量物体扭转力的方法。扭矩，作为一个描述物体受到旋转力的物理概念，在各类工程领域中都有着广泛的应用。扭矩法的主要原理是通过施加一个旋转力，然后精确测量这个力的大小，从而深入了解物体的扭转性能。扭矩法的测量工具主要包括各种类型的扭矩传感器和扭矩表。在实验室环境中，这些测量工具能够精确地捕捉到物体在旋转过程中所受到的扭矩大小，从而为研究人员提供有关物体扭转性能的重要数据。扭矩法测量结果的准确性，依赖于所使用的测量工具的精度和稳定性，以及实验过程中对各种干扰因素的控制。在工程领域，扭矩法发挥着重要的作用。工程师们常常利用扭矩法对机械零件、机器和设备的性能进行测试和评估。这一过程旨在确保这些设备在设计阶段就能满足预期的性能要求，并在实际使用过程中保持稳定运行。扭矩法在工程领域的应用范围广泛，包括汽车、航空航天、建筑、能源等多个领域。

（二）超声法

超声法是一种利用超声波进行检测、测量和成像的技术。在超声法中，通过发射超声波（高频声波，频率通常在20 kHz以上）并接收其在被测物体内部的传播情况来获取有关被测物体内部结构、形状、尺寸和缺陷等信息。超声波在不同材料中传播速度不同，因此可以根据超声波的传播时间和接收到的信号来确定被测物体的特征。超声法在医学诊断、材料检测、工业无损检测等领域都有广泛的应用，因为它非侵入性、快速、准确，并且可以检测到内部隐藏的缺陷和问题。

二、扭矩法测螺栓预紧力的误差

（一）摩擦系数的变化

摩擦系数产生的变化是扭矩法中对准确性产生影响的最重要因素之一。在对其进行紧固的过程中，螺栓与螺母之间存在的摩擦力会对扭矩的传递造成影响，进一步对最终预紧力的测量结果造成影响。摩擦系数会受到各种因素的干扰，包括表面的粗糙程度、润滑情况以及材料的特性等等，表面的粗糙度会对螺栓与螺母接触面的实际接触面积产生影响，进一步对摩擦系数的大小产生影响。润滑情况则会影响到摩擦力的大小和性质，而材料的特性，例如表面处理程度和表面硬度也会与摩擦系数的变化之间存在直接的关系。一旦这些因素出现了变化，摩擦系数也会随之发生改变，导致当前的扭矩值准确性下降。因此，在使用扭矩法进行测量时，必须对这些因素进行全方面的考虑和严格的控制，不断提高测量的可靠性和准确性。

（二）螺栓和螺母表面的状态

表面的粗糙程度以及润滑情况等多方面因素会对扭矩传递产生一定的影响。在对螺栓进行紧固的过程中，螺栓以及螺母之间的接触表面质量会对扭矩的传递效率产生着直接的影响。如果当前的表面相对来说较为光滑，能够有效的实现摩擦力的减少，从而更好的完成扭矩传递工作。如果当前的表面较为粗糙，或者是分布情况不太均匀，就会导致摩擦力的不断增加，使得扭矩传递存在不准确或者是不稳定的情况。除此之外。润滑情况也会对扭矩传递工作效果造成影响。适当的润滑能够实现摩擦力的有效降低，提高扭矩传递工作的工作效率。如果缺乏润滑，就会导致传递不够均匀，或者是在传递的过程中出现卡滞等情况。因此，在使用扭矩法进行测量的过程中，必须对表面的粗糙程度和润滑程度进行相应的关注和优化，并且采取各种措施来对其进行有效的控制，保障扭矩传递具有更高的稳定性和准确性。。

（三）扭矩扳手的精度

扭矩扳手在现代化工业和机械领域中往往发挥着非常重要的作用，也被广泛应用在施加螺栓预警力和测量预警力等工作之中。作为一种非常重要的测量工具来说，扭矩扳手自身的精准程度会对测量结果的准确性和可靠性产生直接的影响。测量机制包括调节机构以及扭矩传感器等几个部分。扭矩传感器主要负责将施加到当前扳手上的扭矩进行转换时形成电信号，从而更好的完成扭矩值测量，而调节机构则能够实现对于控制扳手的扭矩输出进行测量，确保最终结果的准确性。如果当前扭矩扳手的测量机制存在着准确性较低或者是调节机制不灵活等情况，就会导致最终的测量结果不够准确。从而对后续工业生产和机械领域的生产质量造成不良影响，威胁到安全性。

三、超声法测螺栓预紧力的误差

（一）超声传感器的准确性

超声传感器的精度对于预紧力的测量结果有着非常重要的影响。超声传感器主要应用是对螺栓以及螺母之间存在的预紧力进行测量，其运作的工作原理就是根据超声波在当前螺栓内部的具体传播时间来对螺栓的应变变化进行进一步的计算，从而能够对预紧力的具体情况进行相应的推断。但是如果当前超声传感器的精度较低，就可能会导致最终的传播时间存在着一定的误差，一旦存在误差就会对预紧力的计算结果造成直接的不良影响，超声传感器在当前工作中所产生的精度问题很可能会导致预紧力测量结果出现一定的偏差。一旦存在偏差，就会对后续设备使用的性能和安全性造成不良影响，甚至可能会造成当前设备出现故障，出现一定的安全事故。

（二）材料的声速

材料的声速会对超声波在当前材料中传播的具体速度产生直接的影响，进一步影响到最终的测量结果。超声波在当前材料中的传播速度往往是根据材料的密度以及材料的弹性模量等多方面特性来进行计算的。不同材料往往具有着不同的声速，而声速一旦出现变化，就会对超声波的传播速度造成不良影响。因此，如果测量对象的材料声速存在差异，就会导致其超声波传播速度出现一定的变化，进一步对最终的测量结果准确性造成影响。为了能够更好的实现对于这种误差影响的优化控制，就必须要在测量的过程中对材料的声速特性进行充分的考量，并且根据实际的情况对其进行进一步的优化改正。如此一来，能够保证测量结果具有更高的准确性和可靠性，不断提高工作效率和工作安全性。

（三）螺栓的几何形状

螺栓的几何形状很可能会导致超声波在传播时出现散射和反射等问题，从而进一步对最终测量准确性造成影响。如果超声波遇到螺栓的表面或者是几何结构等变化情况，就会产生反射现象和反射现象，进一步影响到超声波的传播路径，使其发生改变，一旦出现这种改变，就会使得当前接收到的信号出现相应的变化，进而对后续测量的准确性和可靠性造成影响，如果螺栓表面存在不完整等问题，或者出现了凹陷和凸起的情况，都可能会导致超声波出现散射或者反射等现象，进一步导致干扰信号的出现，对预警力的准确测量造成不良影响，为了能够更好的对这一问题进行解决，就需要使用更加科学合理的超声传感器以及信号处理算法进行应用，从而最大限度的对超声波的散射反应和反射反应进行有效控制，不断提高测量可靠性。除此之外，针对螺栓进行适当的清洁和处理工作，也能够进一步降低几何形状可能会对测量结果造成的不良影响。

结束语：总而言之，在采用扭矩法检测螺栓预紧力时，由于不同螺栓接头接触部分的摩擦状态不同，因此通过标定获得一批螺栓中某一根或几根螺栓的扭矩系数，再使用该系数对螺栓预紧力进行批量计算时会引入检测误差。在采用超声法检测螺栓预紧力时，由于超声换能器对被测螺栓表面状态（如光滑度等）有一定要求，因此在非实验室环境下，若被测螺栓的测量接触面达不到要求，则测量结果会受到较大影响。因此在实际采用这两种方法进行检测时应注意规避。

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