УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю характеристик изделий и материалов и может быть использовано для измерения внутренних напряжений и степени затяжки болтовых и шпилечных соединений при строительстве, монтаже и эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности.

Известны механические и тензометрические способы измерения степени затяжки резьбовых соединений (Иосилевич Г.Б. и др. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. М. Машиностроение, 1985, с. 35-62).

Однако механические способы обладают недостаточной точностью (не выше 30%), а тензометрические чрезвычайно дороги и их применение ограничено многими условиями [1]
Известны также ультразвуковые способы измерения усилий затяжки резьбовых соединений, основанные на различных УЗ методах измерения внутренних напряжений в болте (шпильке) с последующим пересчетом их в усилие затяжки (Бобренко В. М. и др. УЗ метод измерения напряжений в деталях резьбовых соединений. Дефектоскопия, 1974, N 1) [2]
Все известные ультразвуковые способы измерения напряжения материала основаны на эффекте акустоупругости зависимости скорости распространения ультразвуковых (УЗ) волн от напряженного состояния материала.

Сущность известных способов заключается в том, что в тело болта или шпильки резьбового соединения (исследуемый объект) вводят ультразвуковые колебания, принимают прошедшие через объект колебания, измеряют их параметры в свободном и напряженном состоянии соединения, определяют по разнице параметров колебаний в свободном и напряженном состояниях внутреннее напряжение и вычисляют усилия затяжки по величине напряжения и площади сечения болта, в котором измерено напряжение.

Поскольку все известные ультразвуковые методы измерения внутренних напряжений материала так или иначе связаны с измерением скорости УЗ волн и ее изменения при изменении напряженного состояния материала, а скорость распространения УЗ волн определяется величиной пройденного пути и времени, то точность измерений, помимо прочего, определяется точностью знания пройденного пути. Это и обуславливает один из существенных недостатков известных способов измерения усилий затяжки резьбовых соединений, поскольку длина болта практически никогда не известна с достаточной точностью. В случаях измерения усилий затяжки соединений, находящихся в эксплуатации, известные методы вообще практически не применимы, так как часто не известны не только длина болта, но и его материал, а значит отсутствует возможность провести измерения параметров УЗ волн в напряженном состоянии.

Кроме того, точность и достоверность известных способов недопустимо уменьшается при измерении напряжений в длинных (l/⊘>6, где l длина, ⊘ диаметр) болтах или тягах, вследствие возникновения в них стержневых волн различных мод, имеющих различные скорости, что приводит к ошибкам в измерении времени прохождения УЗ волнами тела болта.

Задача изобретения повышение точности и достоверности результатов измерений, а также расширение области применения ультразвукового способа измерений за счет исключения влияния на результаты измерений длины и диаметра тела болта.

Для решения поставленной задачи в известном ультразвуковом способе измерения усилий затяжки резьбовых соединений, заключающийся в том, что в исследуемое соединение в свободном и нагруженном состоянии вводят ультразвуковые колебания, принимают прошедшие соединения колебания, измеряют их параметры, определяют по ним напряжение, измеряют площадь сечения, по которой с учетом напряжения рассчитывают усилие затяжки, отличающийся тем, что измерение проводят в гайке резьбового соединения, а за площадь сечения принимают площадь поверхности гайки, контактирующей со стягиваемым изделием.

Техническим результатом от использования данного способа является расширение области применения ультразвукового метода измерений, значительное сокращение времени измерений при повышении точности измерений величины усилий затяжки болтовых соединений.

Правомерность предлагаемого способа очевидна, поскольку усилие растяжения болта, которое измеряется известными способами, равно усилию прижатия гайки к стягиваемому изделию.

В то же время гайка полностью доступна для измерения всех необходимых геометрических размеров с требуемой точностью.

Известен способ, в котором при определении величины механических напряжений в резьбовом соединении в качестве объекта исследования используют резьбовую деталь, под которой можно понимать и гайку, однако, анализ описания изобретения показывает, что речь идет о растягивающих напряжениях (уменьшение скорости УЗК и увеличении времени пробега с увеличением нагрузки), следовательно, объектом исследования может быть только болт или шпилька.

Способ реализуется следующим образом.

В тело свободной гайки со стороны торца вводятся импульсы продольных волн и по известной высоте гайки и времени пробега импульсов определяют скорость в ненапряженном состоянии. После затягивания резьбового соединения операцию повторяют и вычисляют изменение скорости, затем, пользуясь соотношением σ где σ напряжение; относительное изменение скорости; β акустоупругий коэффициент, определяют напряжение сжатия гайки и, наконец, по формуле P= где D₁ и D₂ наружный и внутренний диаметр контактной поверхности гайки, вычисляют усилие затяжки. Следует отметить, что β акустоупругий коэффициент зависит от материала и типа гайки, определяющих распределение усилий в гайке (Биргер И.А. Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М. Машиностроение, 1973). Этот коэффициент может быть рассчитан, однако целесообразнее его определять экспериментально, тарируя измерительный прибор для конкретного типоразмера гайки с помощью разрывной машины.

Реализация предлагаемого способа допускает использование любого другого ультразвукового метода измерения напряжения материала, подходящего по точности и условиям применения.

Применение предлагаемого способа, например, при измерении усилий растяжения анкерных тяг в портовых сооружениях (причалах) позволит получить значительную экономию средств и времени, поскольку проведение замера натяжения одной тяги единственно возможным методом (разрушающим) занимает около 3 суток, тогда как разработанный способ позволяет проводить одно измерение за 30 мин (включая подготовку поверхностей). Причем, в портовом причале средней величины используется несколько сотен анкерных тяг. Использование способа в других случаях вместо известных УЗ способов за счет повышения точности измерений обеспечит более высокую эксплуатационную надежность объектов ответственного назначения со всеми вытекающими отсюда последствиями в части безопасности человека и окружающей среды.

Использование: способ позволяет повысить точность и достоверность результатов измерений, а также расширить область применения ультразвукового способа измерения за счет исключения влияния на результаты измерений длины и диаметра тела болта (шпильки). Сущность изобретения: в ультразвуковом способе измерений усилий затяжки резьбовых соединений, заключающемся во введении в исследуемый объект ультразвуковых колебаний, приеме прошедших через объект сигналов, измерении их параметров в свободном и нагруженном состоянии соединения, определении по разнице этих параметров внутреннего напряжения и вычислении усилия затяжки по величине напряжения и площади сечения, в котором измерено напряжение, в качестве объекта исследования используют гайку резьбового соединения, а площадь сечения берут равной площади поверхности гайки, контактирующей со стягиваемым изделием.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ, заключающийся в том, что исследуемое соединение в свободном и нагруженном состоянии вводят ультразвуковые колебания, принимают прошедшие соединение колебания, измеряют их параметры, определяют по ним напряжение, измеряют площадь сечения, по которой с учетом напряжения рассчитывают усилие затяжки, отличающийся тем, что измерение проводят в гайке резьбового соединения, а за площадь сечения принимают площадь поверхности гайки, контактирующей со стягиваемым изделием.