CN113155357A - 大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法 - Google Patents

Abstract

一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法，通过在支撑座上设置安装机构，顶升装置位于安装机构的固定梁和滑动梁之间的两端，测量标定***的压力传感器位于顶升装置的伸缩端和滑动梁下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁和滑动梁的工位孔固定，超声探头连接于螺栓下端端头位于固定梁下部，顶升装置向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定。本发明克服了原水轮机大型螺栓现有试验设备无法满足试验的同时标定，无法测得预紧力的问题，具有结构简单，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便的特点。

Description

大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法

技术领域

本发明属于水轮机试验技术领域，涉及一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法。

背景技术

螺栓是一种广泛应用的紧固件，大量应用于航空航天、船舶轮机、化工设备、能源等领域关键设备的紧固。这些设备或结构中所使用的螺栓，通过其轴向的伸长变形来获得紧固力。

超声波应力检测是基于超声波波速随应力状态改变而变化的声弹性原理，通过检测材料中超声波波速的变化而获取材料应力的。超声波应力检测具有对人体无害、对被测物无损伤、测量速度快等特点。

对于紧固安装就位的螺栓，如何在不对其进行松动情况下监测其预紧力是本实验台的主要目的。通过提前对某种型号规格的螺栓进行实验台标定，获取其预紧力与超声波波速的对应关系，则对于使用中的同型号的螺栓只需监测其超声波波速即可获得其实际预紧力。

目前，对于一些小直径（M30以下）的风电等领域螺栓通常在传统的液压数显拉伸试验机上进行拉伸标定实验，且30吨以上的拉伸机价格昂贵，实验费用高昂。上述手段对于小直径螺栓（M30以下）尚能应付，但是对于大型螺栓（M36以上），尤其是水轮机等设备上直径在M80以上，轴向拉力高达数百吨的螺栓拉伸却无能为力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法，结构简单，采用在支撑座上设置安装机构，顶升装置位于安装机构的固定梁和滑动梁之间的两端，测量标定***的压力传感器位于顶升装置的伸缩端和滑动梁下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁和滑动梁的工位孔固定，超声探头连接于螺栓下端端头位于固定梁下部，顶升装置向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，它包括支撑座、安装机构、顶升装置和测量标定***；所述安装机构的固定梁两端与支撑座上侧面连接，顶升装置位于固定梁上侧面两端与其连接，测量标定***的压力传感器位于滑动梁下侧面与顶升装置接触，超声探头位于固定梁下部。

所述支撑座为两个间隔布设的块状体，固定梁两端与块状体连接，超声探头位于两个块状体之间。

所述安装机构包括与固定梁两侧连接的侧板，以及位于两侧板之间竖直滑动的滑动梁。

所述固定梁和滑动梁的中心设置竖直贯穿的工位孔。

所述固定梁和滑动梁之间设置加长杆，加长杆与工位孔位于同一轴线。

所述顶升装置为液压千斤顶，其伸缩端竖直朝向滑动梁，压力传感器位于伸缩端端面和滑动梁下侧面之间。

所述液压千斤顶的油管接口位于侧板外侧。

所述测量标定***包括与PLC控制***电性连接的压力传感器和超声探头。

所述PLC控制***控制顶升装置施加的压力，并记录压力传感器和超声探头感应及探测的数据。

如上所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台的试验标定方法，它包括如下步骤：

S1,上件，将螺栓穿过固定梁和滑动梁上的工位孔，两端采用螺母配合，螺母分别与固定梁下侧面和滑动梁上侧面抵触；

S2,安装超声探头，将超声探头固定于螺栓下端的端头上；超声探头位于固定梁下部的空间内；

S3,复位，PLC控制***开机，对压力传感器和超声探头感应及探测的数据进行复位归零；

S4,顶升施压，PLC控制***控制两个顶升装置工作，顶升装置的伸缩端向上伸展驱动滑动梁向上运动，对螺栓施加轴向拉伸力，使压力传感器的压力值达到试验设定值；

S5,调整，在S4中，当两个顶升装置施加向上的顶升力时，两个压力传感器的压力值发生变化，并显示在PLC控制***的显示屏上，如其中一个压力传感器的压力值与另一个压力传感器的压力值不同时，PLC控制***控控制其中一个顶升装置的顶升力，直至两个压力传感器的压力值相等；

S6,标定，在两个压力传感器的压力值到达试验设定值的过程中，超声探头获取螺栓声时变化信息，并显示在PLC控制***的显示屏上，PLC控制***将获取的声时变化信息与螺栓轴向拉伸力进行逐一对应，实现对螺栓轴向应力测量标定；

在S1中，当试验螺栓的长度受限时，采用加长杆与被拉伸螺栓一端配合，加长杆另一端穿过滑动梁上工位孔与螺母连接。

一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，它包括支撑座、安装机构、顶升装置和测量标定***；安装机构的固定梁两端与支撑座上侧面连接，顶升装置位于固定梁上侧面两端与其连接，测量标定***的压力传感器位于滑动梁下侧面与顶升装置接触，超声探头位于固定梁下部。结构简单，通过在支撑座上设置安装机构，顶升装置位于安装机构的固定梁和滑动梁之间的两端，测量标定***的压力传感器位于顶升装置的伸缩端和滑动梁下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁和滑动梁的工位孔固定，超声探头连接于螺栓下端端头位于固定梁下部，顶升装置向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便。

在优选的方案中，支撑座为两个间隔布设的块状体，固定梁两端与块状体连接，超声探头位于两个块状体之间。结构简单，使用时，支撑座用于支撑安装机构，并使固定梁悬空，便于安装实验螺栓和使超声探头悬空。

在优选的方案中，安装机构包括与固定梁两侧连接的侧板，以及位于两侧板之间竖直滑动的滑动梁。结构简单，使用时，顶升装置驱动滑动梁向运动拉伸螺栓，滑动梁向上运动时沿两侧板滑动，提高拉伸时的稳定性。

在优选的方案中，固定梁和滑动梁的中心设置竖直贯穿的工位孔。结构简单，使用时，贯穿于固定梁和滑动梁的工位孔用于安装试验螺栓，螺母与试验螺栓两端配合分别与固定梁和滑动梁抵触。

在优选的方案中，固定梁和滑动梁之间设置加长杆，加长杆与工位孔位于同一轴线。结构简单，试验时，当试验螺栓的长度过短时，采用加长杆一端与试验螺栓连接，加长杆另一端穿过滑动梁的工位孔与螺母连接，适应性好。

在优选的方案中，顶升装置为液压千斤顶，其伸缩端竖直朝向滑动梁，压力传感器位于伸缩端端面和滑动梁下侧面之间。结构简单，使用时，顶升装置向上顶升时压力传感器感应顶升压力，液压千斤顶的液压元气控制元件与PLC控制***连接，由PLC控制***控制液压千斤顶的顶升量，当两个压力传感器的压力感应值不等时，其中一个压力传感器调整顶升量，最终达到螺栓试验设定值。

在优选的方案中，液压千斤顶的油管接口位于侧板外侧。结构简单，安装时，液压千斤顶的油管接口位于侧板外侧，便于安装连接油压***，且顶升过程中不与固定梁和滑动梁接触。

在优选的方案中，测量标定***包括与PLC控制***电性连接的压力传感器和超声探头。结构简单，使用时，在进行螺栓超声应力测量标定实验时，将超声探头安装在双头螺柱的下端面，测量到的声时变化与双头螺柱承受的轴向拉伸力逐一对应，实现了螺栓超声应力测量的标定。

在优选的方案中，PLC控制***控制顶升装置施加的压力，并记录压力传感器和超声探头感应及探测的数据。结构简单，使用时，通过PLC控制***控制顶升装置的顶升力及顶升形成，提高控制精度有利于提高试验精度，试验时，压力传感器感应的压力值和超声探头探测的声时变化数值由PLC控制***记录，并逐一对比，便于实时观察数值变化，动态实时记录螺栓试验测量值和标定值。

在优选的方案中，如上大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台的试验标定方法，它包括如下步骤：

S1,上件，将螺栓穿过固定梁和滑动梁上的工位孔，两端采用螺母配合，螺母分别与固定梁下侧面和滑动梁上侧面抵触；

S2,安装超声探头，将超声探头固定于螺栓下端的端头上；超声探头位于固定梁下部的空间内；

S3,复位，PLC控制***开机，对压力传感器和超声探头感应及探测的数据进行复位归零；

S4,顶升施压，PLC控制***控制两个顶升装置工作，顶升装置的伸缩端向上伸展驱动滑动梁向上运动，对螺栓施加轴向拉伸力，使压力传感器的压力值达到试验设定值；

S5,调整，在S4中，当两个顶升装置施加向上的顶升力时，两个压力传感器的压力值发生变化，并显示在PLC控制***的显示屏上，如其中一个压力传感器的压力值与另一个压力传感器的压力值不同时，PLC控制***控控制其中一个顶升装置的顶升力，直至两个压力传感器的压力值相等；

S6,标定，在两个压力传感器的压力值到达试验设定值的过程中，超声探头获取螺栓声时变化信息，并显示在PLC控制***的显示屏上，PLC控制***将获取的声时变化信息与螺栓轴向拉伸力进行逐一对应，实现对螺栓轴向应力测量标定；

在S1中，当试验螺栓的长度受限时，采用加长杆与被拉伸螺栓一端配合，加长杆另一端穿过滑动梁上工位孔与螺母连接。该方操作简单方便，适应性好，有利于对大型螺栓实现不同等级的拉伸试验，同时记录拉伸数值和标定，设备成本和试验成本低。

一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法，它包括支撑座、安装机构、顶升装置和测量标定***，通过在支撑座上设置安装机构，顶升装置位于安装机构的固定梁和滑动梁之间的两端，测量标定***的压力传感器位于顶升装置的伸缩端和滑动梁下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁和滑动梁的工位孔固定，超声探头连接于螺栓下端端头位于固定梁下部，顶升装置向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定。本发明克服了原水轮机大型螺栓现有试验设备无法满足试验的同时标定，无法测得预紧力的问题，具有结构简单，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的内部结构示意图。

图中：支撑座1，安装机构2，固定梁21，侧板22，滑动梁23，加长杆24，顶升装置3，油管接口31，压力传感器41，超声探头42。

具体实施方式

如图1~图2中，一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，它包括支撑座1、安装机构2、顶升装置3和测量标定***；所述安装机构2的固定梁21两端与支撑座1上侧面连接，顶升装置3位于固定梁21上侧面两端与其连接，测量标定***的压力传感器41位于滑动梁23下侧面与顶升装置3接触，超声探头42位于固定梁21下部。结构简单，通过在支撑座1上设置安装机构2，顶升装置3位于安装机构2的固定梁21和滑动梁23之间的两端，测量标定***的压力传感器41位于顶升装置3的伸缩端和滑动梁23下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁21和滑动梁23的工位孔固定，超声探头42连接于螺栓下端端头位于固定梁21下部，顶升装置3向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便。

优选的方案中，所述支撑座1为两个间隔布设的块状体，固定梁21两端与块状体连接，超声探头42位于两个块状体之间。结构简单，使用时，支撑座1用于支撑安装机构2，并使固定梁21悬空，便于安装实验螺栓和使超声探头42悬空。

优选的方案中，所述安装机构2包括与固定梁21两侧连接的侧板22，以及位于两侧板22之间竖直滑动的滑动梁23。结构简单，使用时，顶升装置3驱动滑动梁23向运动拉伸螺栓，滑动梁23向上运动时沿两侧板22滑动，提高拉伸时的稳定性。

优选的方案中，所述固定梁21和滑动梁23的中心设置竖直贯穿的工位孔。结构简单，使用时，贯穿于固定梁21和滑动梁23的工位孔用于安装试验螺栓，螺母与试验螺栓两端配合分别与固定梁21和滑动梁23抵触。

在优选的方案中，所述固定梁21和滑动梁23之间设置加长杆24，加长杆24与工位孔位于同一轴线。结构简单，试验时，当试验螺栓的长度过短时，采用加长杆24一端与试验螺栓连接，加长杆24另一端穿过滑动梁23的工位孔与螺母连接，适应性好。

优选的方案中，所述顶升装置3为液压千斤顶，其伸缩端竖直朝向滑动梁23，压力传感器41位于伸缩端端面和滑动梁23下侧面之间。结构简单，使用时，顶升装置3向上顶升时压力传感器41感应顶升压力，液压千斤顶的液压元气控制元件与PLC控制***连接，由PLC控制***控制液压千斤顶的顶升量，当两个压力传感器41的压力感应值不等时，其中一个压力传感器41调整顶升量，最终达到螺栓试验设定值。

优选的方案中，所述液压千斤顶的油管接口31位于侧板22外侧。结构简单，安装时，液压千斤顶的油管接口31位于侧板22外侧，便于安装连接油压***，且顶升过程中不与固定梁21和滑动梁23接触。

优选的方案中，所述测量标定***包括与PLC控制***电性连接的压力传感器41和超声探头42。结构简单，使用时，在进行螺栓超声应力测量标定实验时，将超声探头安装在双头螺柱的下端面，测量到的声时变化与双头螺柱承受的轴向拉伸力逐一对应，实现了螺栓超声应力测量的标定。

优选的方案中，所述PLC控制***控制顶升装置3施加的压力，并记录压力传感器41和超声探头42感应及探测的数据。结构简单，使用时，通过PLC控制***控制顶升装置3的顶升力及顶升形成，提高控制精度有利于提高试验精度，试验时，压力传感器41感应的压力值和超声探头42探测的声时变化数值由PLC控制***记录，并逐一对比，便于实时观察数值变化，动态实时记录螺栓试验测量值和标定值。

优选的方案中，如上所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台的试验标定方法，它包括如下步骤：

S1,上件，将螺栓穿过固定梁21和滑动梁23上的工位孔，两端采用螺母配合，螺母分别与固定梁21下侧面和滑动梁23上侧面抵触；

S2,安装超声探头，将超声探头42固定于螺栓下端的端头上；超声探头42位于固定梁21下部的空间内；

S3,复位，PLC控制***开机，对压力传感器41和超声探头42感应及探测的数据进行复位归零；

S4,顶升施压，PLC控制***控制两个顶升装置3工作，顶升装置3的伸缩端向上伸展驱动滑动梁23向上运动，对螺栓施加轴向拉伸力，使压力传感器41的压力值达到试验设定值；

S5,调整，在S4中，当两个顶升装置3施加向上的顶升力时，两个压力传感器41的压力值发生变化，并显示在PLC控制***的显示屏上，如其中一个压力传感器41的压力值与另一个压力传感器41的压力值不同时，PLC控制***控控制其中一个顶升装置3的顶升力，直至两个压力传感器41的压力值相等；

S6,标定，在两个压力传感器41的压力值到达试验设定值的过程中，超声探头42获取螺栓声时变化信息，并显示在PLC控制***的显示屏上，PLC控制***将获取的声时变化信息与螺栓轴向拉伸力进行逐一对应，实现对螺栓轴向应力测量标定；

在S1中，当试验螺栓的长度受限时，采用加长杆24与被拉伸螺栓一端配合，加长杆24另一端穿过滑动梁23上工位孔与螺母连接。该方操作简单方便，适应性好，有利于对大型螺栓实现不同等级的拉伸试验，同时记录拉伸数值和标定，设备成本和试验成本低。

如上所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台及方法，安装使用时，在支撑座1上设置安装机构2，顶升装置3位于安装机构2的固定梁21和滑动梁23之间的两端，测量标定***的压力传感器41位于顶升装置3的伸缩端和滑动梁23下侧面之间相互接触，螺栓穿过固定梁21和滑动梁23的工位孔固定，超声探头42连接于螺栓下端端头位于固定梁21下部，顶升装置3向上顶升轴向拉伸螺栓，螺柱承受的轴向拉伸应力与声时变化一一对应，实现超声应力测量标定，有利于降低大型螺栓试验成本，实时记录螺栓不松动下预紧力数据，试验精确度高，操作简单方便。

使用时，支撑座1用于支撑安装机构2，并使固定梁21悬空，便于安装实验螺栓和使超声探头42悬空。

使用时，顶升装置3驱动滑动梁23向运动拉伸螺栓，滑动梁23向上运动时沿两侧板22滑动，提高拉伸时的稳定性。

使用时，贯穿于固定梁21和滑动梁23的工位孔用于安装试验螺栓，螺母与试验螺栓两端配合分别与固定梁21和滑动梁23抵触。

试验时，当试验螺栓的长度过短时，采用加长杆24一端与试验螺栓连接，加长杆24另一端穿过滑动梁23的工位孔与螺母连接，适应性好。

使用时，顶升装置3向上顶升时压力传感器41感应顶升压力，液压千斤顶的液压元气控制元件与PLC控制***连接，由PLC控制***控制液压千斤顶的顶升量，当两个压力传感器41的压力感应值不等时，其中一个压力传感器41调整顶升量，最终达到螺栓试验设定值。

安装时，液压千斤顶的油管接口31位于侧板22外侧，便于安装连接油压***，且顶升过程中不与固定梁21和滑动梁23接触。

使用时，在进行螺栓超声应力测量标定实验时，将超声探头安装在双头螺柱的下端面，测量到的声时变化与双头螺柱承受的轴向拉伸力逐一对应，实现了螺栓超声应力测量的标定。

使用时，通过PLC控制***控制顶升装置3的顶升力及顶升形成，提高控制精度有利于提高试验精度，试验时，压力传感器41感应的压力值和超声探头42探测的声时变化数值由PLC控制***记录，并逐一对比，便于实时观察数值变化，动态实时记录螺栓试验测量值和标定值。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：它包括支撑座（1）、安装机构（2）、顶升装置（3）和测量标定***；所述安装机构（2）的固定梁（21）两端与支撑座（1）上侧面连接，顶升装置（3）位于固定梁（21）上侧面两端与其连接，测量标定***的压力传感器（41）位于滑动梁（23）下侧面与顶升装置（3）接触，超声探头（42）位于固定梁（21）下部。

2.根据权利要求1所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述支撑座（1）为两个间隔布设的块状体，固定梁（21）两端与块状体连接，超声探头（42）位于两个块状体之间。

3.根据权利要求1所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述安装机构（2）包括与固定梁（21）两侧连接的侧板（22），以及位于两侧板（22）之间竖直滑动的滑动梁（23）。

4.根据权利要求3所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述固定梁（21）和滑动梁（23）的中心设置竖直贯穿的工位孔。

5.根据权利要求4所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述固定梁（21）和滑动梁（23）之间设置加长杆（24），加长杆（24）与工位孔位于同一轴线。

6.根据权利要求1所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述顶升装置（3）为液压千斤顶，其伸缩端竖直朝向滑动梁（23），压力传感器（41）位于伸缩端端面和滑动梁（23）下侧面之间。

7.根据权利要求6所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述液压千斤顶的油管接口（31）位于侧板（22）外侧。

8.根据权利要求1所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述测量标定***包括与PLC控制***电性连接的压力传感器（41）和超声探头（42）。

9.根据权利要求8所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台，其特征是：所述PLC控制***控制顶升装置（3）施加的压力，并记录压力传感器（41）和超声探头（42）感应及探测的数据。

10.根据权利要求1~9任一项所述的大型螺栓轴向拉伸应力超声测量标定实验台的试验标定方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1,上件，将螺栓穿过固定梁（21）和滑动梁（23）上的工位孔，两端采用螺母配合，螺母分别与固定梁（21）下侧面和滑动梁（23）上侧面抵触；

S2,安装超声探头，将超声探头（42）固定于螺栓下端的端头上；超声探头（42）位于固定梁（21）下部的空间内；

S3,复位，PLC控制***开机，对压力传感器（41）和超声探头（42）感应及探测的数据进行复位归零；

S4,顶升施压，PLC控制***控制两个顶升装置（3）工作，顶升装置（3）的伸缩端向上伸展驱动滑动梁（23）向上运动，对螺栓施加轴向拉伸力，使压力传感器（41）的压力值达到试验设定值；

S5,调整，在S4中，当两个顶升装置（3）施加向上的顶升力时，两个压力传感器（41）的压力值发生变化，并显示在PLC控制***的显示屏上，如其中一个压力传感器（41）的压力值与另一个压力传感器（41）的压力值不同时，PLC控制***控控制其中一个顶升装置（3）的顶升力，直至两个压力传感器（41）的压力值相等；

S6,标定，在两个压力传感器（41）的压力值到达试验设定值的过程中，超声探头（42）获取螺栓声时变化信息，并显示在PLC控制***的显示屏上，PLC控制***将获取的声时变化信息与螺栓轴向拉伸力进行逐一对应，实现对螺栓轴向应力测量标定；

在S1中，当试验螺栓的长度受限时，采用加长杆（24）与被拉伸螺栓一端配合，加长杆（24）另一端穿过滑动梁（23）上工位孔与螺母连接。

Images