Можно измерять крутящий момент «включено» или «выключено» через определенные промежутки времени во время теста, чтобы убедиться, что оно все еще «натянуто», но это нарушает соединение и может искусственно усилить или ослабить его. Используя ультразвуковое измерение нагрузки на зажим, можно контролировать фактическое соединение, не нарушая его и не влияя на его целостность, что идеально подходит для этого сценария.

Исторически сложилось так, что ультразвуковое измерение нагрузки на зажим в моем конкретном мире возникло в результате недостаточной долговечности крепежных изделий с органическими чешуйками цинка и подобными покрытиями. Во время испытаний подвесной установки считалось, что крепеж «ослаб», хотя «красочные метки» все еще были совмещены.

Ультразвуковое измерение нагрузки на зажим с тех пор стало неотъемлемой частью испытаний на долговечность как средство диагностики и проверки. В дополнение к этому, в ряде случаев он использовался для уточнения или даже определения стратегий ужесточения для создания и производства прототипов.

Обзор процесса измерения
Ультразвуковой токоизмерительный прибор для измерения нагрузки работает за счет отражения звуковых эхо-сигналов, аналогично эхолоту, но с гораздо более высокой частотой. Ультразвуковой генератор возбуждает пьезоэлектрический усилитель, прикрепленный к одному концу застежки, создавая ультразвуковой импульс. Он проходит по всей длине застежки и отражается назад. Эхо отражения обрабатывается прибором и отображается на экране просмотра.

Используя разницу в TOF между ослабленным и затянутым состояниями крепежа, измерительное устройство рассчитывает изменение длины крепежа и, следовательно, нагрузку, которую он прикладывает к соединению.

Подготовка крепежа
Концы каждого крепежа должны быть обработаны так, чтобы получить две параллельные поверхности с хорошей обработкой поверхности для обеспечения эффективной передачи и отражения ультразвукового импульса. Например, стандартный болт с шестигранной головкой обычно шлифуется на каждом конце. Это делается путем зажима нескольких креплений в приспособлении, состоящем из двух частей, которое может поворачиваться на 180 °, чтобы зашлифовать каждый конец, не нарушая крепления.

Затем торцевые поверхности очищают и обезжиривают перед тем, как приклеить пьезоэлектрический датчик к центру одного конца (обычно к головке) с помощью подходящего клея.

Калибровка
В идеальном мире каждый устанавливаемый крепеж должен иметь собственную уникальную калибровку, поскольку каждый из них может иметь немного отличающуюся внутреннюю структуру, даже если они изготовлены по одной и той же спецификации. Однако калибровка требует, чтобы крепеж был затянут, и это может повлиять на его последующее поведение в реальном соединении. Например, путем удаления любого покрытия, которое может быть на нем, что приводит к изменению размеров. Я также видел, что цикл нагрузки/расслабления может привести к физическому «отжигу» крепежа.

В любом случае, для очень больших количеств это, очевидно, займет много времени, поэтому я практикую калибровку крепежа партиями. Если для каждого из шести испытаний требуется только три крепежных элемента и все соединения одинаковы, я могу запросить 24 и обработать, измерить и откалибровать их все как одну партию. Если для 20–30 испытаний требуется 240 болтов головки блока цилиндров, я могу, например, разделить их на партии по 80 штук.

Калибровку можно разделить на три части:

• Анализ эха.
• Калибровка температуры.
• Загрузить калибровку.

Эхо-анализ
Во-первых, я бы сгенерировал сигнал, содержащий все функции, которые мне требуются для воспроизводимого измерения всей партии крепежных изделий, и установил бы окно измерения на ту часть оси времени, в которой ультразвуковой импульс будет отражаться . После внесения необходимых корректировок в параметры окна я получу четкий четкий пик эхосигнала (обведен кружком на рисунке 1).

Этот пик будет использоваться при каждом измерении, и нечеткие сигналы могут привести к искажению, когда опорный пик отступает вверх, а другой (с любой стороны) следует за ним. Это приводит к неправильным измерениям, поскольку устройство измеряет неправильный пик или от него и, следовательно, к ошибочному значению TOF. Как только на всех крепежных элементах будет установлен хороший четкий эхо-пик, можно начинать этап калибровки.

Для начала я бы взял контрольное измерение, известное как базовое время полета (BTOF) всех крепежных изделий, и расположил их в порядке от самого короткого до самого длинного (рис. 2).

Калибровка температуры
Для калибровки температуры я бы взял крепеж из середины диапазона BTOF и измерил бы TOF в диапазоне от -20°C до 80°C, удерживая температуру в течение 90 минут с шагом в 10°C . Затем рассчитывается масштабный коэффициент, чтобы свести на нет любые изменения показаний из-за температуры. Это действительно необходимо только в том случае, если между интервалами измерения могут быть большие перепады температур, но я обычно оставляю это включенным на ночь, поэтому на самом деле это не занимает много времени, как само собой разумеющееся.

Калибровка нагрузки
Перед выполнением какой-либо калибровки нагрузки требуется определенная важная информация о соединении, такая как целевая нагрузка (кН), спецификация затяжки и длина соединения.

Длина соединения — это часть крепежного элемента, которая фактически выполняет работу. Также известная как длина захвата, особенно в Северной Америке, она относится к зажатой части соединения (например, между сцепленной резьбой и поверхностью, на которую воздействует натяжение).

Я бы назвал ужесточение спецификации слабой проверкой работоспособности. Неплотно, потому что я буду использовать консистентную смазку для смазывания всего узла и продления срока службы моих адаптеров и прокладок, и поэтому мне придется внести поправку в измерение крутящего момента, чтобы учесть уменьшенное трение.

Требуется специальный калибровочный стенд с установленным на нем набором тензодатчиков, подходящих для всех ожидаемых зажимных нагрузок. Например, у меня были тензодатчики 0 кН – 20 кН, 0 кН – 50 кН, 0 кН – 100 кН и 0 кН – 250 кН, которые можно было установить на скамью, чтобы покрыть хороший диапазон нагрузок.

С помощью адаптера с внутренней резьбой и проставок (в основном, больших шайб) воспроизводится точная длина соединения. Таким образом, когда застежка затягивается и сжимает тензодатчик, он растягивается на ту же часть, что и при фактическом применении. Это необходимо для обеспечения согласованности между калибровочными и тестовыми измерениями. Крепеж затягивается постепенно до целевого диапазона, как показано на дисплее тензодатчика.

Опять же, чтобы усреднить партию, я бы затянул самый длинный и самый короткий крепеж на BTOF и рассчитал масштабный коэффициент, необходимый для приравнивания измерения устройства U/S к измерению весоизмерительного датчика. Затем это «доказывается» с помощью одного или двух крепежных элементов из середины диапазона BTOF с использованием этого рассчитанного масштабного коэффициента.

При этом измерительное оборудование эффективно настраивается для применения. Результаты этого заносятся в сертификат калибровки и выдаются заказчику. Это покажет сравнение между тензодатчиком и ультразвуковыми измерениями и погрешность между ними. В нем также указывается используемый масштабный коэффициент калибровки, а также номера деталей и важная информация о соединении.

Опять же, это может быть действительно только для текущей партии крепежных изделий, поэтому для последующих партий может потребоваться проверка калибровки, если требуется дополнительное тестирование.

Применение
После всего этого «тестовая» часть измерения довольно проста. Я приму участие в подаче заявки на поставку крепежа с инструментами и проведу монтажные замеры. Это может быть, например, стенд для подвесной системы с полным набором инструментальных крепежей, стенд для испытаний компонентов, сборка прототипа двигателя или простое стендовое испытание.

В Таблице 1 мы можем увидеть результаты теста на прокладку головки блока цилиндров Fuji-paper. Если мы сосредоточимся на показаниях болта 1, мы увидим, что наши измерения будут состоять из BTOF для установления нашего эталона, за которым следуют показания на каждом этапе процесса затяжки; 20 Нм, 60 Нм, +220°C и фиксированное измерение, в идеале через 24 часа. В этом случае установившееся измерение представляет собой окончание тестового чтения до того, как мы ослабим крепления. В случае испытаний на долговечность или динамометрических испытаний также могут проводиться периодические измерения во время испытаний для определения любой постепенной потери зажимной нагрузки из-за нагревания и/или циклического изменения нагрузки.

Вы, возможно, заметили, что измерение ослабления (ослабления) не отражает возврат к нагрузке зажима 0 кН, и позже я объясню почему. Но сначала…

Техника затяжки
В настоящее время для некритичных креплений для установления целостности собранного соединения используется спецификация крутящего момента. Однако крутящий момент — это просто мера того, какое усилие требуется, чтобы повернуть застежку, и, следовательно, он в значительной степени отражает трение внутри соединения.

Т.е. трение между сопрягаемой резьбой и зажимными поверхностями Это может привести к большому изменению результирующей установленной нагрузки зажима для заданного крутящего момента. Там, где трение является переменным, может быть резкое несоответствие в нагрузке зажима, установленной для данного крутящего момента.

Обычно для некритических применений эти крепежные детали затягиваются в пределах их предела упругости (рис. 3) и могут использоваться повторно. Таким образом, удлинение крепежного элемента прямо пропорционально установленной нагрузке зажима.

Важные крепления часто затягиваются с использованием спецификации «уступчивости», при которой крутящий момент контролируется в зависимости от угла, на который поворачивается крепеж. Точка «уступчивости» — это точка, в которой крепеж достигает предела эластичности, точка, в которой крепеж может прикладывать максимальную растягивающую нагрузку и по-прежнему использоваться повторно (рис. 4). За пределами этой точки градиент кривой крутящего момента/угла уменьшается, так как крепеж необратимо деформируется. Таким образом, эти застежки можно использовать повторно только несколько раз, если вообще использовать.

Где-то между этими двумя значениями находится характеристика крутящего момента/угла, согласно которой соединение затягивается с определенным крутящим моментом, а затем прикладывается угол, чтобы гарантировать, что нагрузка зажима находится в пределах окна кривой «предела текучести» крепежа (рис. 5). .

Вернемся к нашим показаниям обратного хода, полученным в результате испытания болтов головки блока цилиндров (таблица 1). Если крепежный элемент деформируется (т. е. выходит за пределы его упругости), наши измерения будут состоять из фактической установленной нагрузки зажима плюс остаточная пластическая деформация.

Чтобы рассчитать фактическую установленную нагрузку зажима, я бы вычел это положительное смещение из исходного измеренного значения. Опять же, если мы сосредоточимся на Таблице 1, мы увидим, что урегулированное измерение составляет 101 кН, «откат» составляет 26,4 кН, и, следовательно, фактическая установленная нагрузка на зажим при урегулировании составляет 74,6 кН. Причина, по которой я делаю это, заключается в том, что я буду калибровать только линейную часть графика U/S Device/Load Cell (т.е. в пределах эластичного диапазона), используя полиномиальное уравнение первого порядка (y=mx).

Таким образом, измерение, которое вы видите в диапазоне пластической деформации (упругости), является описанием того, какой была бы нагрузка, если бы деформация все еще была упругой, а нагрузка линейной. Точно так же измерение «обратного хода» представляет собой описание того, что будет представлять постоянное растяжение с точки зрения линейной эластичной нагрузки. Вычитание последнего из первого равняется и сводит на нет любую ошибку в этих измерениях.

Возможна калибровка для измерения урожайности, но для этого требуется больше креплений, больше приращений и гораздо большая осторожность, чтобы обеспечить точный расчет полиномиального масштабного коэффициента второго порядка для описания градиента кривой.

В конечном счете, вся эта дополнительная работа будет заключаться в устранении необходимости вычитания постоянного расширения из установленного и любого последующего измерения. Помимо того, что это быстрее и проще в исполнении, я считаю, что этот сценарий гораздо проще объяснить непосвященным, и он дает очень четкое представление о том, поддалась ли застежка.

Универсальность
Мне удалось провести измерения на крепежных элементах от очень маленьких винтов M6 x 15 кронштейна тормозного шланга, стяжек, головки блока цилиндров, шатуна и болтов с большим концом, вплоть до шпилек выпускного коллектора и карданных валов. Приводной вал, по сути, представляет собой большой болт странной формы, на котором ступица зажимается гайкой ступицы. Если между двумя поверхностями имеется резьба, зажимающая что-либо, и имеется доступ к любому концу резьбового стержня, то можно измерить его удлинение и, следовательно, усилие зажима, устанавливаемое при затяжке.

Об авторе
Джим Парсонс начал свою карьеру в качестве ученика в мировом автомобильном OEM-производителе, прежде чем приобрести опыт в создании и установке сборочных станков, а затем, в частности, инструментов для гайковертов и систем затяжки на производственных линиях различных производителей автомобилей и двигателей. Это дает ему обширный опыт в области крепежных изделий и технологий затяжки, особенно в условиях производственной линии.

Затем он снова присоединился к мировому автомобильному OEM-производителю и в течение последних 8 лет развивал свой опыт в ультразвуковом измерении нагрузки на зажим в отношении систем подвески и испытаний на долговечность компонентов, а также создания и испытаний прототипов и производства.

Как измерить момент затяжки болтов?

Одним из оригинальных и наиболее распространенных способов соединения деталей является резьбовое соединение, однако резьбовое соединение и его крепление представляют собой сложное дело. Фабрики, производственные линии, производственные предприятия используют широкий ассортимент крепежных и сборочных систем. От небольшого и дотошного слова индустрии сборки часов, требующей точности и низкого крутящего момента, до оборудования для тяжелых условий эксплуатации, требующего высокой производительности, во всех используется множество крепежных решений, которые должны обеспечивать критически важные эксплуатационные характеристики. Правильное крепление резьбовых соединений с первого раза представляет собой сложную задачу. Распространенная проблема, с которой сталкиваются многие отрасли, связана с ослаблением крепления из-за неадекватной (неточной или неправильной) затяжки, что может привести к полному выходу изделия из строя.

В ANDILOG Technologies мы понимаем, что измерения нагрузки на зажим и крутящего момента могут иметь решающее значение, поэтому мы хотим предложить вам широкий спектр измерительных устройств и индикаторов, а также поделиться с вами нашими знаниями о том, что означает затяжка.

Что такое затягивание?

Когда вы затягиваете с помощью динамометрического ключа, вы фактически измеряете величину трения, создаваемого сопрягаемыми поверхностями в соединении, и по мере увеличения зажимной нагрузки увеличивается и крутящий момент. Вы можете видеть, что существует некоторая связь между крутящим моментом и зажимной нагрузкой. Это соотношение определяется величиной трения в суставе, а также развиваемой зажимной нагрузкой. Проблема в том, что вы не можете измерить или предсказать абсолютное значение трения в суставе. Однако мы можем свести к минимуму эффект трения, используя смазочные материалы (смазки, графит, тефлон, пластмассы).

Почему может помочь измерение крутящего момента?

Самым популярным и старейшим инструментом для сборки и способом обеспечения того, чтобы собранный болт соответствовал спецификации сборки, является крутящий момент. Его легко реализовать, измерить и контролировать. Основная проблема, связанная с этим методом, заключается в том, что нагрузка на крепежный элемент, возникающая в результате приложенного крутящего момента, зависит от конструкции крепежного элемента и преобладающих условий трения. Несмотря на эти проблемы, это по-прежнему наиболее распространенный способ проверки узла затяжки.

Измерение на стадии НИОКР

Большинство инженеров уже знают о важности высокой предварительной нагрузки для поддержания целостности соединения. При затяжке с регулируемым крутящим моментом достижение правильного предварительного натяга зависит от заданного правильного момента затяжки.

Без надлежащих аналитических инструментов и информации определение правильного крутящего момента может быть проблематичным. Независимо от того, являетесь ли вы специалистом по обслуживанию или инженером-конструктором, вам часто необходимо знать правильный момент затяжки. Для многих типов резьбовых соединений эта информация либо отсутствует, либо недоступна. Вот два примера измерений, которые вы делаете:

Измерение крутящего момента и натяжения : Определение соотношения крутящего момента и натяжения для резьбового соединения, позволяющее определить соответствующий крутящий момент затяжки. Такие испытания позволят определить коэффициент гайки (иногда называемый коэффициентом крутящего момента или коэффициентом k) и общий коэффициент трения. Выполнив несколько подобных испытаний, можно установить изменение отношения крутящего момента к напряжению из-за изменения трения для приложения.
Узнайте, как измерять усилие нагрузки на крепеж с помощью нашего датчика нагрузки для сквозного отверстия

Испытания крутящего момента-угла и крутящего момента до предела текучести: Испытания могут быть выполнены на реальных сборках для получения графиков крутящего момента-угла, которые можно использовать для определения необходимого крутящего момента. для достижения предела текучести болта. Такие графики могут быть использованы для установления соответствующей спецификации крутящего момента-угла. Информация об испытаниях крутящего момента также может быть использована для оценки структурной целостности сборки. Откройте для себя наш приводной поворотный датчик крутящего момента и угла поворота

Измерение во время производственной сборки

Для проверки крутящего момента при установке используются два подхода. Первый — динамический, который с помощью встроенных преобразователей, прикрепленных к инструменту для затяжки; установочный крутящий момент измеряется напрямую. Второй подход заключается в измерении крутящего момента оператором или инспектором после завершения установки.

Динамический крутящий момент или аудит «в процессе»: Динамический метод дает результаты, не зависящие от точности показаний оператора, и сообщает инженерам, насколько хорошо инструменты работают на линии. Это крутящий момент, фактически прилагаемый к крепежному элементу во время выбега. Приводные динамометрические инструменты связаны с датчиком крутящего момента поворотного привода. Поскольку этот метод позволяет автоматически сохранять и извлекать данные о затяжке, он может быть важным инструментом статистического контроля процесса. Узнайте больше о нашем динамическом измерителе крутящего момента

Проверка крутящего момента после сборки: Остаточный крутящий момент следует проверять как можно скорее после операции затяжки, медленно, чтобы свести к минимуму динамическое воздействие на датчик крутящего момента. Показания крутящего момента зависят от коэффициентов трения под поверхностью гайки и в резьбе. (Примечание: значения крутящего момента могут варьироваться на целых 20%, если болты простоят в течение двух дней). Откройте для себя наш статический измеритель крутящего момента.

Эти два метода эквивалентны?

Эксперты по креплениям предупреждают, что остаточный крутящий момент и динамический крутящий момент не идентичны, и, конечно же, крутящие моменты затяжки и ослабления будут различаться (затяжка включает динамическое сопротивление, а ослабление включает статическое сопротивление — разница заключается в том, что что-то движется, а что-то движется ).