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如何通過超聲波螺栓松動傳感器計算預緊力值

更新時間:2025-02-22   點擊次數(shù):75次

螺栓預緊力檢測對于確保設(shè)備的安全性和可靠性、提高設(shè)備的穩(wěn)定性、優(yōu)化螺栓連接設(shè)計以及指導螺栓維護和更換等方面都具有重要意義。近期客戶在使用超聲波螺栓松動傳感器的過程中,需要對被監(jiān)測的螺栓進行預緊力值的反饋,故本文根據(jù)客戶的實際應用需求,解釋說明預緊力變化值計算公式。

首先,簡單介紹一下森瑟科技的D401超聲波螺栓監(jiān)測傳感器,這款螺栓傳感器通過超聲波在金屬螺柱體內(nèi)進行聲波時間,來對金屬螺柱的變形位移量進行監(jiān)測后知道該螺栓是否失效或者過載;它的安裝極其簡單,對現(xiàn)在有螺栓的安裝、結(jié)構(gòu)、表面不做任何改變,只要在螺柱的表面貼裝上D401超聲波螺栓監(jiān)測傳感器就可以進行測量。主要應用于:風機塔筒螺栓、風機葉片螺栓、橋梁預緊螺栓、鐵路軌基預緊螺栓、高層建筑堅固螺栓等等。

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一、理解基本公式和變量

我們首先要明確超聲傳播時間公式:t*VT =2R(1+F/SE)(1+ βT)+2(L0-R)(1 + βT)。這個公式中包含了多個變量,每個變量都有其特定的物理意義。

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- t:代表測量聲時(單位為秒,S),它是在當前預緊力和溫度下超聲從端面出發(fā),到達對面并反射,最后返回端面的總時間聲時通過傳感器獲得。螺栓預緊狀態(tài)不變,而環(huán)境溫度變化也會改變聲時,故需要做溫度補償計算才能得到精確的預緊力。

- VT:是當前溫度下的縱波聲速(單位為米每秒,m/s),可以通過查螺栓材料特性表來獲得,例如對于20號鋼聲速參考附表1。

- R:表示形變區(qū)長度(單位為米,m),它是螺栓在受力過程中發(fā)生形變部分的長度。

- L0:為螺栓總長度(單位為米,m),這是螺栓總長度。

- F:是預緊力(單位為牛頓,N),即螺栓在安裝過程中被施加的扭力等導致的緊固力。

- S:為螺栓截面積(單位為平方米,m2),這個參數(shù)取決于螺栓的幾何形狀。

- E:代表彈性模量(單位為帕斯卡,Pa),同樣可以通過查螺栓材料特性表得到,例如20號鋼的彈性模量為2×1011Pa。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力。

- β:為熱膨脹系數(shù)(單位為每攝氏度,/℃),通過查螺栓材料特性表可獲取,例如20號鋼的熱膨脹系數(shù)為11.7×10-6/,熱膨脹系數(shù)體現(xiàn)了材料隨溫度變化而膨脹或收縮的特性。

- T:是溫度(單位為攝氏度,℃),它是影響超聲波聲速的重要環(huán)境因素之一。

二、預緊力計算原理

已知加扭力預緊螺栓后,測得聲時為t_0,溫度為T_0;后續(xù)測得聲時為t_1,溫度為T_1。

1. 對于初始狀態(tài)(t_0和T_0)- 將t=t_0和T=T_0代入超聲傳播時間公式t*VT=2R(1+F/SE)(1+ βT)+2(L0-R)(1 + βT),得到t_0*VT_0 = 2R(1 + F/SE)(1 + βT_0)+2(L0- R)(1 + βT_0)。此時,我們雖然有這個等式,但由于L0和R都沒有精確的初始值,因此并不能得到實際預緊力F的值。實際應用中,并不需要測量預緊力的值,當螺栓初始力矩打到標準值后,僅僅需要監(jiān)測預緊力隨時間的變化。

2.對于后續(xù)狀態(tài)(t_1和T_1)- 把t=t_1和T =T_1代入超聲傳播時間公式,得到t_1*VT_1 = 2R(1 + F/SE)(1 + β T_1)+2(L0- R)(1 + βT_1)。通過聯(lián)合初始狀態(tài)求解,可以得到預緊力F的變化量。

四、預緊力變化值計算如下

由上述的測量與溫度補償可知,加扭力預緊螺栓后,測得聲時為t0,溫度為T0;后續(xù)測得聲時為t1,溫度為T1求解得到預緊力變化值為

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可以看到,ΔF跟螺栓總長度無關(guān),僅跟形變區(qū)長度有關(guān)。ΔF還跟螺栓截面積和彈性模量有關(guān)。計算受到聲速隨溫度變化、材料熱膨脹的影響。為了精確計算,需要預先查找材料的相關(guān)參數(shù)。經(jīng)過補償后,可以得到不同溫度下的實時預緊力變化量ΔF。

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附表1:材料聲速參考值

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