高强度发动机螺栓轴向应力的测量

赵新玉，王英华，张佳莹

(大连交通大学 材料科学与工程学院，大连 116028)

螺栓是一种利用螺母与螺纹产生的紧固应力对结构进行连接的工具，广泛应用于船舶、建筑、车辆、航空航天等领域，而螺栓的轴向预紧力是影响螺栓寿命以及使用状态的重要因素[1]。虽然采用超声单纵波测量技术也能够有效得到螺栓的轴向应力，但该法需要测量螺栓的原始长度，故发动机上无法拆卸的螺栓不能使用该测量法[2]。

目前,采用超声波对螺栓进行应力分析的研究有很多。赵春华等[3]提出使用超声技术在线实时检测风电机组螺栓的轴向应力；韩玉强等[4]对使用声弹性法测量螺栓的影响因素进行了研究；何存富等[5]研究了温度对测量精度的影响；贾雪等[6]详细论述了基于声弹性理论的超声螺栓应力测量原理，同时研究了温度对波速的影响。综上所述，各国的学者对超声波螺栓载荷的测量方法均进行了深入研究，但还是无法解决单纵波对已紧固螺栓和未知长度螺栓的测量问题。

笔者采用声弹性理论的横纵波无损测量方法，建立了超声横纵波螺栓测量系统，并通过采用横纵波一体化探头以及1 GHz的高频数据采集卡提高了测量精度和稳定性。对发动机缸体及轴承上的高强度螺栓进行了实际轴力测量，并与预加载轴力进行对比，验证了系统测量的准确性。

1 超声测量螺栓应力的原理

考虑微小质点沿x轴振动(纵波)的情况，弹性固体中一维平面纵波通过力学平衡得到(只x方向变化，F=ma)