基于超声法的缸盖螺栓预紧力测试与分析

0 引言

柴油发动机以其扭矩大、动力足、安全省油等优点得到广泛应用

。缸盖螺栓是发动机连接螺栓中最重要的螺栓，对缸体的密封性有重要影响

。工作时缸盖螺栓受发动机气缸内气体压力的交变作用和热负荷，工作环境最为恶劣，极易失效。装配时通过拧紧螺栓对缸盖、气缸垫和气缸套施加均匀、适当的压紧力，以保证发动机工作时燃烧室中冷却水和润滑油的密封可靠性。螺栓预紧力不足会影响燃烧室的密封效果，可导致发动机漏气；预紧力过大或散差过大，会造成气缸盖的过度变形、受力不均，使零部件机械负荷增大，可靠性下降。因此，准确测定螺栓的预紧力非常重要，要选取合适的螺栓预紧力范围，采取有效的手段控制并监测高强螺栓的预紧力，以确保高强螺栓的使用安全，保证紧固工艺稳定合理、受力情况精准可控。

实验材料东方百合‘索邦’购于北京市百合合作社。根据花被片花色积累的变化，对花蕾的9个发育时期(长度分别为5、6、7、8、9、10、11、12、13 cm)花蕾长11 cm时的11个组织部位(包括：外花被、内花被、花丝、花药、柱头、花柱、子房、上部叶、中下部叶、嫩茎和茎生根)(图1)及10种光照处理(分别为黑暗处理：1、2、4、8 h和光照处理：1、2、4、8、12、16 h)后的花蕾进行取样。样品均设置3个重复，采集后保存于 - 80℃ 冰箱备用。

1 超声法测量原理

本测试选用基于声弹性效应

的超声波测量法，该方法有以下优点：(1)测量方便，能在狭小空间内进行应力值的定量测量。(2)建立螺栓的特性应力曲线，可以根据观测到的回波信号在螺栓拧紧时将螺栓预紧力调到规定的设计预紧力。(3)超声波测量法建立的是螺栓轴向应力与超声波声时的关系，测量的是超声波传播时间，螺栓拧紧扭矩的大小和与工件接触面的状态无关，因此可以消除摩擦力等因素的影响。(4)超声波测量法可以测量已紧固螺栓的应力大小。通过事先标定出超声传播时间与螺栓轴向应力的关系，能够对在役螺栓的应力进行实时测量。

1.1 纵波法原理

当超声波在弹性介质中传播时，超声波沿着应力方向传播的速度会随应力的改变而发生变化，这种现象叫做声弹性现象，声弹性现象在弹性范围和非弹性范围内均存在。在不受应力时

，对于各向同性的固体介质，超声纵波在其中的传播声速

可表示为

该区山高坡陡，岩溶发育强烈，地下水埋藏深，从而直接影响了地下水的开发利用，造成了本区可利用的岩溶地下水资源随之逐年减少，远远满足不了经济社会发展对供水的需要。

(1-1)

式中，

、

为Lame常数，

为介质密度。

依据非线性声学和弹性理论，超声波在各向同性固体介质中沿应力方向传播时，纵波传播速度

与应力

关系如下式所示。

(1-2)

式中，

和

为三阶弹性常数。设：

2

=-(

+2

)[4

+10

+4

+

+2

]

[(

+2

)(3

+2

)]

(1-3)

我国关于企业所得税的相关条例中规定合理的会议费和差旅费可以在税前据实扣除。美的发生的这两项费用，可以提供真实的合法凭证，都可以不受扣除限额的限制，全部在税前扣除。美的财务人员在对业务招待费进行账务处理时，要将会议费、差旅费和业务招待费分别核算，如果将这两项费用计入业务招待费中，提高业务招待费的数额，可能会使其超过费用扣除的限额，增加企业所得税缴纳额。税法中严格规定业务招待费的扣除限额，美的可以根据临界点对业务招待费进行筹划，将业务招待费控制在临界点之内，使其不超过临界点，防止业务招待费增加企业所得税应纳税额。

=

(1+2

)

(1-4)

近年来，随着教育体制的改革，高校招生数量逐年增加，而图书馆流通部门是学生们的第二课堂，这就无疑加重了流通馆员的工作量，不仅如此，每天都是重复一些相同的工作，借书还书、整理书架、上书，单调乏味，纯属体力活，尤其是我们医学院校，专业书籍精装本很重，而且随着经费的大量投入，购书量增加，还需要经常倒架，更会费时费力。再就是流通部门是图书馆的窗口，每天接待大批量读者，这里面不乏有些素质较差，修养不高的学生，对待这类人就得格外精心，否则就会引起他们的不满，严重时会故意刁难工作人员，这也会加重馆员的心理负担，对工作产生厌烦情绪。

=

(1+

)

(1-5)

式中，

为声弹性系数，

为无应力状态下的超声纵波声速。

式(1-5)描述了应力对超波声速的影响。超声波声速受温度变化影响，并且温度变化会引起螺栓长度的改变。设标准温度为

摄氏度，则温度为

摄氏度时，温度变化量Δ

为

-

，则无应力状态下超声波声速

表示为：

式中，

为螺栓材料的杨氏模量。

=

(1-

Δ

)

(1-6)

式中，

为无应力状态标准温度下的超声纵波声速，

为温度对纵波影系数。

由式(1-5)和式(1-6)可知温度和应力共同作用下的超声波声速

(

,

)表示为

(

,

)=

(1-

Δ

)(1+

)

(1-7)

设

为无应力状态标准温度

摄氏度下螺栓总长，无应力状态标准温度

摄氏度下超声波声时(超声波在螺栓中往返一次的时间)

表示为

(1-8)

如本年度均未及时补充信息也不要紧。次年的3月1日到6月30日是个人的汇算清缴申报期，首次汇算清缴申报的时间在2020年3月1日到6月30日。在汇算清缴申报期里，可以再进行申报，重新计算全年应缴税额，进行多退少补。

接受理论本为一种文学批评理论,高举读者本身就是作品能动构成的旗帜，认为在作者，作品与读者的三元关系中，读者绝不仅仅是被动的部分，没有读者的积极参与或未达成读者的预期视野，那一部作品的历史生命将是不可思议的。它旨在打破文学作品封闭的圆圈，从一个崭新的视角重新审视作品，即接受理论的视角。

(1-9)

由于

的数量级为 10-11，所以

<<1，根据式(1-9)可将式(1-12)写为温度为

摄氏度时螺栓受到应力前后声时差的形式，如图1(

)所示，则有

(1-10)

① 杨彼岸.在虞美人草中的藤尾死因的再探索——以漱石的个人主义为视点——[D].石家庄：河北大学优秀论文数，2012：8.

超声波声时为夹紧部分声时和未夹紧部分声时之和，温度为

时，在应力

作用下， 超声波声时

(

,

)表示为

(1-11)

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

(1-12)

为标准温度下无应力状态的螺栓夹紧长度，则

-

为未夹紧部分长度，受温度影响，在温度为

摄氏度时，夹紧部分长度为

(1+

Δ

)，在螺栓受到应力时，其夹紧部分会被拉长，设

为温度为

摄氏度时螺栓受应力伸长后的夹紧长度，螺栓伸长示意图如图1(a)所示。根据胡克定律，则有

(1-13)

令

（3）首先两端分别在 DDF处自环，检查 SDH是否还有次要告警，若告警不消除，则需要对 SDH支路板和DDF进行检修，SDH检修为更换支路板，DDF检修为检查DDF接口有无虚焊、连接是否契合等。若无次要告警，环回方式改成如下，在其中一端DDF处环回给对端，观察对端是否有次要告警，若还有告警则需要重复第（3）步，若无次要告警，则完成检修，流程转入第（4）步。

(1-14)

则有

=

[

(,)

-

0,

]

(1-15)

其中

是与温度、螺栓规格和夹紧长度有关的灵敏度系数。

式(1-4)中的

称为纵波三阶弹性常数，为后续计算方便，设

=2

，上式化为

则螺栓的预紧力

，可表示为如下形式：

=

[

(,)

-

0,

]

(1-16)

式中，

为等效截面积。

温度为

摄氏度时，螺栓将受温度影响，其长度会发生变化，设螺栓材料温度膨胀系数为

，则无应力状态下的超声波声时

(0,)

表示为

1.2 超声测量系统

图2是典型的螺栓预紧力测量系统的原理框图。超声测量系统主要包括有：超声波接发器、测量系统主机、温度传感器、超声波测量软件等组成。

将式(1-3)代入式(1-2)，由试验测定可知

为10-11 m

/ N数量级，作二级近似得：

2个月规培结束后,对PBL组及SBME-PBL组学员进行理论知识与实践成绩考核,实践考核主要包括病例分析与神经系统检查结果的评估。并由学员填写问卷调查表,问卷内容包括是否有助于提高自学能力、学习兴趣、临床思维能力、知识的系统性掌握、临床实践的适应操作能力、基础知识的掌握、团队协作能力等。各项调查回答为同意或不同意,两组问卷结果以百分比形式呈现。

在螺栓轴向应力采集模式下，由计算机向测量系统主机发出控制指令，实现特定脉冲信号的输出，激励超声发生器发射相应的纵波信号。超声接收器接收到螺栓另一端面的回波反射信号后，经过带通滤波﹑增益放大和过阈值测量，由超声波声时采集电路通过精密时基脉冲测量出超声波沿螺栓轴向来回传导一次的声时差值，进而计算出螺栓轴向应力，其声时采集精度可达0.1 ns。

2 螺栓预紧力标定试验

根据测量原理，标定试验系统需要实现超声波在螺栓中渡越时间的精确测量和螺栓轴向实际所受应力大小的精确测量。整个标定试验系统由试验台架、超声波检测模块、应力检测模块和数据处理模块四部分组成。螺栓预紧力标定试验系统的原理框图如图3所示。

基于纵波法测量螺栓预紧力需要得到螺栓声时差与轴向应力的对应函数关系，利用万能试验机在0 kN至150 kN范围内以30 kN为步长进行加载，同时使用超声系统测量不同声时差时刻对应的轴向拉力大小。通过式(1-16)计算并获取声时差与预紧力之间关系，并修正螺栓材料相关的补偿系数，最终通过二阶函数拟合制作三种螺栓的标定曲线，至此完成标定试验。

3 螺栓拧紧顺序方案

6缸螺栓分布如图4所示，螺栓的拧紧工艺共分为两个阶段，第一阶段为预加载，通过预加载作用可使结构提前进入正常工作状态，试件安装的支承部分接触密实，并可以检查仪器及设备的工作可靠性，但加载值不宜超过该试件开裂试验荷载计算的70%；第二阶段为螺栓的紧固阶段，完成缸盖的最终安装。为了便于测量拧紧工艺对螺栓预紧力的影响，分别对螺栓编号，其简图如图4所示。

根据技术文件要求进行拧紧，在保证安装精度的基础上，第一阶段的加载工艺方式如下：(1)首先对所有螺栓的初始轴向力进行测试；(2)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序依次对螺栓施加力矩约50N·m，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(3)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序依次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(4)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序再次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(5)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序再次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试。

在螺栓全部松开后进行第二阶段的加载，加载方式如下：(1)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序依次对螺栓施加力矩约50N·m，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(2)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序依次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(3)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序再次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(4)按1-2-3-4-5-6-7-8的顺序再次对螺栓拧紧扭角约60°，并对相应的螺栓预紧力进行测试；(5)按1-2-3-4的顺序依次对螺栓拧紧扭角约60°，按5-6-7-8的顺序依次对螺栓拧紧扭角约30°，并对相应的螺栓预紧力进行测试。(6)缸盖缝合丝对后，对所有螺栓的预紧力进行测试。

4 螺栓预紧力测试结果

所有螺栓进行加载之前对其初始状态下的预紧力进行了测试，各螺栓第一阶段加载后的预紧力的变化如图5所示。在初始状态下螺栓的轴向力接近于零，螺栓施加约50N·m的力矩后，平均预紧力约增加19.4kN；之后每施加一次60°的扭角，预紧力约增加20.2kN；所有螺栓在经过一次50N·m的力矩和三次60°的扭角后，对称位置的螺栓之间的预紧力值较为接近，平均预紧力约为80.8kN。这一阶段的预加载作用可以很好地使试件安装的支承部分充分接触，更好地发挥了各个螺栓的紧固作用。

在第二阶段中，1、2、3、4号螺栓经过50N·m扭矩和240°扭角后，平均预紧力约为108kN，5、6、7、8号螺栓经过50N·m扭矩和210°扭角后，平均预紧力约为81kN。紧固后的螺栓预紧力分布并不均匀，数值较离散，个别螺栓偏差较大，6号螺栓上的力最小为76.4kN，5号螺栓上的预紧力最大，约为112.2kN，最大偏差约为35.8kN。螺栓预紧力在前五步与扭矩或转角基本呈线性关系，到第六步所有螺栓预紧力明显下降，表明螺栓可能发生屈服。缸盖缝合丝对后，螺栓的预紧力普遍下降，约下降28.6%，减小27kN。图6为第二阶段试验螺栓预紧力曲线图。

5 总结与展望

本测试主要研究了螺栓预紧力超声测量方法，分析了螺栓紧固工艺与螺栓预紧力的关系，制定了螺栓预紧力超声测试的标定文件，分析了紧固工艺与螺栓预紧力的关系，为科学制定相关拧紧标准提供了测试依据。

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