一种螺钉受力测试的方法

石子贡，刘剑，农德海，韦磊，宋少勇

（广西柳工机械股份有限公司挖掘机研究院，广西柳州545007）

1 引言

钢材具有特定的弹性模量，在受到外负载力的情况下发生弹性形变，在未发生塑性变形的情况下，外负载力撤消后，能够恢复原来的形状。将应变片粘贴于钢材上，施加固定值的力，应变片与钢材产生相同的变形量，反过来如测得应变量，同样可以得到钢材的形变量，即可得到钢材实际受力大小。

2 垫套传感器设计

2.1 垫套选材

42CrMo有较高的疲劳强度和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，而且无明显的回火脆性，热处理后的弹性模量高，选用作为垫套制作材料。

2.2 垫套设计计算

本案举例测试螺钉规格为：M20×90-12.9DK，其拉断力299kN，根据螺钉外形尺寸及应变片外形尺寸设计垫套尺寸，如图1所示：

垫套内径22mm，垫套外径30mm，

垫套抗压强度校核：

图1 垫套设计尺寸图

F=A[δ]=π（322-222）mm2×930MPa=562kN

式中：[δ]——42CrMo材料屈服点强度：930MPa

A——垫套受力面积

抗压力F=562kN＞299kN

垫套抗压强度远大于螺栓拉断力，垫套满足螺钉被拉断情况下未发生塑性变形，满足测试条件。

3 垫套传感器参数标定

本文介绍测试螺钉受力的方法，是使用可以测试到形变量的垫套传感器，装配于螺钉与油缸端盖之间。采集形变量，传输到电脑。经过公式计算后可以直接转换成力的大小。

3.1 传感器的标定

如图2所示，使用压力机加载多组固定值的力在垫套上，采集垫套上应变片不同的形变量，即可得到力与形变量的关系（图2-a）。油缸上螺钉受力后垫套变形（图2-b）与压力机标定垫套原理相同。

图2 螺钉受力测试方法与垫套受力原理相同

3.2 数据采集分析

压力机设定变量的加载力到垫套上，采集到应变片相应的应变量，将力的大小与应变量一一对应，采集数据写入Excel表格，使用图表显示并自动生成趋势线（多项式），如图3所示。

图3 垫套传感器测试数据

3.3 推导公式

决定系数：R2=（总平方和-残差平方和）/总平方和；当R2=1时，微应变数据全部落在拟合曲线多项式上。通过数据分析，传感器数据比较稳定，（R2=0.999），因此，可以进行测试和数据分析。

传感器多项式：y=-0.005x2-12.44x+439.9

y——微应变，垫套受压，为负值

x——压力值

压力机确定了力与应变量的关系，只需采集油缸垫套传感器的形变量，即可计算螺钉实际受力大小；解二元一次方程得螺钉大小为：

4 测试方案和结果分析

4.1 测试方案

举例测试铲斗油缸螺钉受力，原理如图4所示：将垫套2装配于螺钉1与油缸端盖之间，垫套2的形变会使应变片3产生相同的形变，将应变片3的模拟信号变量的电阻传输到数据采集仪器6，数据采集仪6将数字信号传输入笔记本电脑8，笔记本通过相应的软件程序，经过公式计算后将数据输出。

图4 测试系统框图

4.2 测试结果

采集油缸正常循环作业数据，测试结果表明，在负载变化时，可以在电脑中读取到变量的数据，根据测试数据了解到，在油缸伸出到最大行程时，冲击端盖螺钉产生的力是最大。单个螺钉受力达到210kN，再根据强度比较，螺钉所受的实际载荷小于螺钉拉断力，判定螺栓设计满足使用要求。

5 结论

垫套传感器可以承受的压力大于螺钉拉断力，在测试过程未发生塑性变形，可以重复多次使用；可以使用多种测试场合；通过自制传感器，可以有效测试螺钉受力。