CN112857638B - 一种钻孔测内应力设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种钻孔测内应力设备及其测量方法，属于检测技术领域，包括定位盘及其底部的可调节高度的支撑杆；所述定位盘上呈环形设置有可旋转和升降的测量钻头，中心设置有可旋转和升降的主钻头；所述测量钻头的侧壁上的相对两面设置有应变片；所述定位盘上设置有用于固定测量钻头和/或支撑杆的固定装置。本发明以钻紧钉孔的方法实现了在将材料应变进行传导，避免了传统测量手段对应变片的浪费。由于不需要在材料上贴应变片，从而在一定程度上提高了钻孔测应力的效率。

Description

一种钻孔测内应力设备及其测量方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体为一种钻孔测内应力设备及其测量方法。

背景技术

如图1所示，通过在被测材料的测量点附近贴上四个应变片，然后在四个应变片排布的中央钻孔，钻孔后中间小孔处的材料被去除后，材料内部应力的初始平衡会被打破，小孔周围材料的内应力会被释放，从而导致小孔周围的应变片发生变形，通过应变仪测量应变片的变形，然后采用一定的算法计算出小孔处材料的内应力。这是一种机械的方法测量残余应力。

另外还有无损检测残余应力的设备，如X射线衍射仪中子衍射仪。

目前X射线和中子射线衍射检测技术，存在放射性强和成本很高等特点，也存在穿透力若测量深度浅等缺点，难以在工程应用中普及和应用场景受限。

图1中所示的钻孔方法测量应力时,对应变片的要求精度高，对应变片的粘贴方法要求高，应变片使用一次后无法重复使用，造成一定的浪费，由于应变的粘贴麻烦，也会导应力致测量效率的低下。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种钻孔测内应力设备及其测量方法，以钻紧钉孔的方法实现了在将材料应变进行传导，避免了传统测量手段对应变片的浪费。由于不需要在材料上贴应变片，从而在一定程度上提高了钻孔测应力的效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钻孔测内应力设备，包括定位盘及其底部的可调节高度的支撑杆；所述定位盘上呈环形设置有可旋转和升降的测量钻头，中心设置有可旋转和升降的主钻头；所述测量钻头的侧壁上的相对两面设置有应变片；所述定位盘上设置有用于固定测量钻头和/或支撑杆的固定装置。

作为上述技术方案的进一步改进：所述测量钻头和主钻头上端头设置有与电钻相配合的螺帽。

作为上述技术方案的进一步改进：所述固定装置为设置在定位盘侧边的紧定螺钉。

作为上述技术方案的进一步改进：所述紧定螺钉带有蝶形螺帽。

作为上述技术方案的进一步改进：所述支撑杆底部设置有支撑底座。

作为上述技术方案的进一步改进：所述支撑杆为穿过定位盘设置的螺杆。

作为上述技术方案的进一步改进：所述测量钻头的侧壁上相对两面设置有竖直平面，竖直平面上安装应变片。

作为上述技术方案的进一步改进：所述定位盘上设置有用于固定对应测量钻头的夹持装置；所述夹持装置由两个通过铰接轴铰接在定位盘上的相对设置的可摆动的夹持块组成；所述的铰接轴平行于对应测量钻头与应力测量点之间的连线设置；所述夹持块下端设置有夹持臂；所述夹持臂上设置有夹持垫；所述夹持块朝向紧定螺钉的一侧下方设置有用于与紧定螺钉相配合的斜面。

作为上述技术方案的进一步改进：所述夹持垫上设置有与测量钻头侧壁相配合的圆弧凹面；同一夹持臂上设置有两个夹持垫，两个夹持垫呈间距设置。

采用上述一种钻孔测内应力设备进行测量的方法，包括如下步骤：

1、将定位盘通过支撑杆支撑在被测材料表面上；调节各个支撑杆的高度，使得定位盘与被测材料表面平行；

2、通过电钻驱动贴有应变片的测量钻头钻入被测材料表面，同时使得应变片所处的竖直平面垂直于应力测量点与测量钻头之间的连线；

3、拧紧紧定螺钉使得测量钻头和支撑杆与定位盘的位置不会变化和发生松动；

4、将应变片连接到应变仪上；

5、通过电钻驱动主钻头钻入被测材料上的应力测量点，在应力测量点处形成钻孔，然后再拔出主钻头，通过应变仪获取应变片的应力变化，从而得到钻孔处的应力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

该设备实现了无需在被测材料上贴应变片这一精细繁琐的过程，完成钻孔测应力。该设备主要以钻紧钉孔的方法实现了在将材料应变进行传导；也避免了传统测量手段对应变片的浪费。由于不需要在材料上贴应变片，从而在一定程度上提高了钻孔测应力的效率。

附图说明

图1为现有的钻孔测内应力的方式示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的放大结构示意图；

图4为本发明钻入测量材料后的侧视图；

图5为支撑杆的结构示意图；

图6为测量钻头的结构示意图；

图7为带有夹持装置的定位盘结构示意图；

图8为夹持装置的俯视图；

图9为夹持装置处于打开状态的主视图；

图10为夹持装置处于锁紧状态的示意图；

图11为紧定螺钉的一种结构示意图；

图12为测量方法流程图。

图中：1、应变片；2、定位盘；3、支撑杆；4、测量钻头；5、主钻头；6、紧定螺钉；7、被测材料；8、电钻；31、支撑底座；21、螺纹孔；22、定位孔；23、主钻孔；25、夹持装置；251、夹持块；252、夹持臂；253、夹持垫；254、斜面；255、弹簧；61、旋转头。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参阅图1至图11，在一种具体的实施方式中，一种钻孔测内应力设备，包括定位盘2及其底部的可调节高度的支撑杆3；所述定位盘2上呈环形设置有可旋转和升降的测量钻头4，中心设置有可旋转和升降的主钻头5；所述测量钻头4的侧壁上的相对两面设置有应变片1；所述定位盘2上设置有用于固定测量钻头4和/或支撑杆3的固定装置。

作为上述技术方案的优选实施例：所述测量钻头4和主钻头5上端头设置有与电钻8相配合的螺帽。电钻8的前端接口可以与测量钻头4或者主钻头5的上端螺帽配合套接，通过电钻8来驱动测量钻头或主钻头旋转，钻入被测材料中。

如图3所示，作为上述技术方案的优选实施例：所述固定装置为设置在定位盘2侧边的紧定螺钉6。

如图2-3所示，为了便于手动旋转，作为上述技术方案的优选实施例：所述紧定螺钉6带有蝶形螺帽。

如图5所示，为了提高支撑稳定性，作为上述技术方案的优选实施例：所述支撑杆3底部设置有支撑底座31。其中支持底座31可旋转的与支撑杆3连接，当支撑杆3旋转调节高度时，支撑底座31与被测材料接触，不发生旋转，从而使得支撑杆3不会损伤被测材料。

如图5所示，为了便于调节高度，作为上述技术方案的优选实施例：所述支撑杆3为穿过定位盘2设置的螺杆。定位盘2上设置有螺纹孔21，支撑杆3穿过螺纹孔21设置，旋转支撑杆3时，即可调节定位盘2的高度；当调节高度达到要求后，可以通过旋转紧定螺钉6，使得紧定螺钉6穿过螺纹孔21顶住支撑杆3，实现对支撑杆3的固定。

如图6所示，为了提高应变片1的安装稳定性，提高应力变化的测量准确性，作为上述技术方案的优选实施例：所述测量钻头4的侧壁上相对两面设置有竖直平面，竖直平面上安装应变片1。

如图7-11所示，作为上述技术方案的优选实施例：所述定位盘2上设置有用于固定对应测量钻头4的夹持装置25；所述夹持装置25由两个通过铰接轴铰接在定位盘2上的相对设置的可摆动的夹持块251组成；所述的铰接轴平行于对应测量钻头4与应力测量点之间的连线设置；所述夹持块251下端设置有夹持臂252；所述夹持臂252上设置有夹持垫253；所述夹持块252朝向紧定螺钉6的一侧下方设置有用于与紧定螺钉6相配合的斜面254。

通过紧定螺钉6顶住斜面254可以使得两个相对设置的夹持块251进行翻转，从而使得下端的夹持臂252从两侧夹持固定住测量钻头4。

通过采用专门设置的夹持装置25来固定测量钻头4可以提高应变片1对被测材料的检测准确度，其中夹持装置25采用两个通过铰接轴铰接在定位盘2上的相对设置的可摆动的夹持块251组成；铰接轴平行于对应测量钻头4与应力测量点之间的连线设置；可以消除通过普通的紧定螺钉直接顶住造成的测量钻头4在测量钻头4与应力测量点之间的连线所处的竖直平面内发生的变形，提高测量结果准确度。

如图7-11所示，作为上述技术方案的优选实施例：所述夹持垫253上设置有与测量钻头4侧壁相配合的圆弧凹面；同一夹持臂252上设置有两个夹持垫253，两个夹持垫253呈间距设置。采用共计四个夹持垫253对测量钻头4进行夹持，可以降低夹持装置对测量钻头4的挤压变形概率，提高应力测量准确性。

如图12所示，采用上述一种钻孔测内应力设备进行测量的方法，包括如下步骤：

1、将定位盘2通过支撑杆3支撑在被测材料7表面上；调节各个支撑杆3的高度，使得定位盘2与被测材料7表面平行；

2、通过电钻8驱动贴有应变片1的测量钻头4钻入被测材料7表面浅层即可，同时使得应变片1所处的竖直平面垂直于应力测量点与测量钻头4之间的连线；

3、拧紧紧定螺钉6使得测量钻头4和支撑杆3与定位盘2的位置不会变化和发生松动；

4、将应变片1连接到应变仪上；

5、通过电钻8驱动主钻头5钻入被测材料7上的应力测量点，在应力测量点处形成钻孔，然后再拔出主钻头5，此时钻孔周围的内应力释放，孔周围的材料会以主钻头所钻孔处为中心发生轻微的“坍塌”或者“扩散”，此时这种微小变形会使测量钻头发生“悬臂式”的变形，从而使得测量钻头上应变片发生变形，从而完成了应变的测量，后通过算法计算出钻孔处的应力。

本发明具体工作原理：

结合钻孔这种机械测量材料内部应力方法的基本原理，本发明设计一种快速钻孔测材料内应力的设备，实现了无需在被测材料上粘贴应变片即可完成应变应力测量的高效率。

各部件的主要功能如下：

电钻：驱动主钻头和测量钻头在材料上钻孔；

主钻头：在被测材料上钻孔，该主钻头所钻孔处即为应力测量所在点位；

测量钻头：用于在被测材料上钻比较小的孔，每个测量钻头上贴有两个应变片，如图6所示。

支撑杆：用来调节保证定位盘与被测材料之间的距离和平行状态；该装置底部可以有轻微粘性，可以轻微粘在被测材料的表面；

定位盘：确定主钻头和测量钻头之间的相对位置；

应变片：粘贴在测量钻头上用来测量测量钻头的变形。

紧定螺钉：从定位盘侧面拧入，用来将测量钻头和/或支撑杆固定在定位盘上。

夹持装置：用于与紧定螺钉配合，实现对测量钻头的固定以及消除紧定螺钉直接挤压造成的测量钻头变形，提高测量准确性。

改变定位盘的尺寸和形状；改变测量钻头和支撑杆等装置的数量；改变但不限于以上零件的数量和形状，都视为同一设备。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钻孔测内应力设备，其特征在于，包括定位盘（2）及其底部的可调节高度的支撑杆（3）；所述定位盘（2）上呈环形设置有可旋转和升降的测量钻头（4），中心设置有可旋转和升降的主钻头（5）；所述测量钻头（4）的侧壁上相对两面设置有竖直平面，竖直平面上安装应变片（1）；所述定位盘（2）上设置有用于固定测量钻头（4）和/或支撑杆（3）的固定装置；

所述主钻头（5）用于在被测材料（7）上钻孔，钻孔处即为应力测量所在点位；所述测量钻头（4）用于在被测 材料（7）上钻孔，感应钻孔处的应力变化；通过应变仪获取应变片（1）的应力变化，从而通过算法得到应力测量所在点位的应力。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述测量钻头（4）和主钻头（5）上端头设置有与电钻（8）相配合的螺帽。

3.根据权利要求1所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述固定装置为设置在定位盘（2）侧边的紧定螺钉（6）。

4.根据权利要求3所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述紧定螺钉（6）带有蝶形螺帽。

5.根据权利要求1所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述支撑杆（3）底部设置有支撑底座（31）。

6.根据权利要求1所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述支撑杆（3）为穿过定位盘（2）设置的螺杆。

7.根据权利要求1所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述定位盘（2）上设置有用于固定对应测量钻头（4）的夹持装置（25）；所述夹持装置（25）由两个通过铰接轴铰接在定位盘（2）上的相对设置的可摆动的夹持块（251）组成；所述的铰接轴平行于对应测量钻头（4）与应力测量点之间的连线设置；所述夹持块（251）下端设置有夹持臂（252）；所述夹持臂（252）上设置有夹持垫（253）；所述夹持块（251 ）朝向紧定螺钉（6）的一侧下方设置有用于与紧定螺钉（6）相配合的斜面（254）。

8.根据权利要求7所述的一种钻孔测内应力设备，其特征在于，所述夹持垫（253）上设置有与测量钻头（4）侧壁相配合的圆弧凹面；同一夹持臂（252）上设置有两个夹持垫（253），两个夹持垫（253）呈间距设置。

9.采用权利要求1-8任一项所述的一种钻孔测内应力设备进行测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将定位盘（2）通过支撑杆（3）支撑在被测材料（7）表面上；调节各个支撑杆（3）的高度，使得定位盘（2）与被测材料（7）表面平行；

通过电钻（8）驱动贴有应变片（1）的测量钻头（4）钻入被测材料（7）表面，同时使得应变片（1）所处的竖直平面垂直于应力测量点与测量钻头（4）之间的连线；

拧紧紧定螺钉（6）使得测量钻头（4）和支撑杆（3）与定位盘（2）的位置不会变化和发生松动；

将应变片（1）连接到应变仪上；

通过电钻（8）驱动主钻头（5）钻入被测材料（7）上的应力测量点，在应力测量点处形成钻孔，然后再拔出主钻头（5），通过应变仪获取应变片（1）的应力变化，从而得到钻孔处的应力。

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