Способ контроля уровня затяжки болта или шпильки

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в машиностроении, системах автоматического управления и использоваться для контроля затяжки резьбового соединения при воздействии на него как статических, так и динамических (вибрационных и ударных) нагрузок, а также при комплексном воздействии этих нагрузок.

Известно, что перетяжка или недостаточная затяжка резьбовых соединений приводит к нарушению нормальной работы машин и авариям, а оптимальное усилие их затяжки обеспечивает долговечную надежную работу, даже при пульсирующей нагрузке. В статье (Блаер И.Л. Контроль качества затяжки резьбы [Текст] / И.Л. Блаер // Контроль. Диагностика. - 2005. - №9. - С. 59-65) показано, что объективным и надежным критерием качества сборки ответственных резьбовых соединений является величина осевого усилия, создаваемого в стержне болта (шпильки) при его затяжке. Поэтому контроль величины этого усилия для таких соединений не только необходим, но и выступает гарантией выполнения предъявляемых к соединению требований. В вышеупомянутой работе предлагается величину возникающего при затяжке осевого усилия в стержне стального болта (шпильки) контролировать по изменению диаметра упругого элемента, который измеряется устройством с ценой деления не менее 0,001 мм. Для практической реализации этого способа требуется организация массового производства упругих элементов разных типоразмеров со строго выдержанными механическими параметрами. С другой стороны, применение упругого элемента при сборке корпусных изделий приводит к увеличению габаритов, массы и себестоимости.

Наиболее близким решением является способ (Патент РФ №2456562, МПК G01L 5/24. Опубл. 20.07.2012), заключающийся в том, что на контролируемой поверхности стержня стального болта или шпильки полюсом намагничивающего устройства стержневого типа создают локальную область с остаточной намагниченностью металла, измеряют нормальную составляющую напряженности поля остаточной намагниченности над серединой этой локальной области и по измеренному параметру магнитного поля определяют по предварительной, экспериментально полученной зависимости величину механического напряжения стержня стального болта или шпильки в области упругой деформации металла.

Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки:

1. Оно применимо лишь для ферромагнитных крепежных элементов, тогда как болты и шпильки из нержавеющих и легких сплавов не ферромагнитны.

2. Оно не позволяет осуществлять контроль затяжки в процессе эксплуатации изделия, так как остаточная намагниченность изменяется со временем, особенно в электроагрегатах.

Задачей изобретения является повышение эффективности контроля уровня затяжки болта или шпильки как в процессе сборки изделия, так и его эксплуатации и расширения номенклатуры материалов контролируемых болтов.

Поставленная задача решается способом контроля уровня затяжки болта или шпильки, заключающимся в том, что в стержне болта или шпильки высверливают центральное отверстие, затем в центральное отверстие жестко крепят (вклеивают) оптоволокно со сформированной в нем брэгговской отражающей решеткой-свефильтром, настроенным на максимум отражения в ненагруженном состоянии на начальную длину волны, в процессе затяжки и при последующей эксплуатации измеряют сдвиг длины волны настройки брэгговской решетки-светофильтра в отраженном либо проходящем свете широкополосного источника излучения и по измеренному значению сдвига длины волны относительно начальной определяют величину механической деформации и механического напряжения стержня болта или шпильки.

В отличие от прототипа заявляемый способ может использоваться для контроля затяжки резьбового соединения как из магнитных, так и немагнитных материалов не только в процессе самой затяжки и при статическом воздействии внешней нагрузки на исследуемый объект, но и для автоматического непрерывного или периодического контроля усилия затяжки резьбового соединения в течение всего времени воздействия на исследуемый объект как статических, так и динамических (вибрационных и ударных) нагрузок, а также комплекса этих нагрузок и, будучи оптическим, малочувствителен к электромагнитным помехам.

Способ поясняется чертежом и графиками, где на фиг. 1 показано резьбовое соединение; на фиг. 2 показан спектр отраженного излучения, а на фиг. 3 - прошедшего излучения.

Способ контроля уровня затяжки резьбового соединения осуществляется следующим образом (фиг. 1). На болт 1, в осевом отверстии которого закреплено оптоволокно со сформированной в нем брэгговской отражающей решеткой-свефильтром 3. На болт 1 накручена гайка 4. Болт с гайкой обеспечивают резьбовое соединение деталей 5 и 6. При контроле в отраженном свете оптоволокно освещается широкополосным (немонохроматическим) источником излучения 7, например лампой накаливания или белым светодиодом. Широкополосное излучение направляется полупрозрачным зеркалом 8 на оптоволокно. Отразившееся от брэгговской решетки-светофильтра излучение через полупрозрачное зеркало подается на входную щель спектрального прибора 9. При работе в проходящем свете источник широкополосного излучения 10 располагается по другую сторону болта относительно спектрального прибора. Если контакт оптоволокна со средой, контактирующей с одной из соединяемых деталей недопустим, например, вследствие ее агрессивности по отношению к оптоволокну, то отверстие в стержне болта изготавливается несквозным и контроль осуществляется лишь в отраженном свете.

До начала затяжки резьбового соединения снимается спектр отраженного излучения - кривая 1 на фиг. 2 и с помощью спектрального прибора фиксируется длина волны λ₀, соответствующая максимуму в спектре отражения при недеформированном состоянии стержня болта. При затяжке болтового соединения стержень болта 2, а вместе с ним и оптоволокно со сформированной брэгговской решеткой-светофильтром будут удлиняться. Удлинение вызовет увеличение расстояния между отражающими плоскостями брэгговской решетки, следствием чего будет являться смещение максимума спектра отраженного света в длинноволновую сторону. Достижение заданной продольной деформации стержня болта фиксируется спектральным прибором - кривая 2 на фиг. 2 - по положению максимума интенсивности отраженного излучения на шкале длин волн λ₁. По положению максимума интенсивности отраженного излучения λ₁ осуществляется периодический контроль затяжки болтового соединения в процессе эксплуатации.

При измерении деформации стержня болта в проходящем излучении оптического диапазона до начала затяжки с помощью спектрального прибора фиксируется длина волны λо (кривая 1 на фиг. 3), соответствующая минимуму в спектре пропускания брэгговской решетки-светофильтра. По мере затяжки болтового соединения и растяжения стержня болта 2 минимум в спектре пропускания брэгговской решетки-светофильтра будет смещаться в длинноволновую сторону по шкале длин волн. Достижение заданной продольной деформации стержня болта фиксируется спектральным прибором - кривая 2 на фиг. 3 - по положению минимума интенсивности прошедшего через решетку-светофильтр излучения на шкале длин волн λ₁. По положению минимума интенсивности прошедшего излучения света λ₁ осуществляется периодический контроль затяжки болтового соединения в процессе эксплуатации.

Если спектр используемого источника широкополосного излучения охватывает видимый диапазон и длины волн λ₀ и λ₁ также принадлежат видимому диапазону спектра, то в качестве спектрального прибора может быть использован орган зрения человека - глаз. Высокая чувствительность глаза к цветовым различиям известна (Иванов B.C. Основы оптической радиометрии [Текст] / В.С. Иванов и др.; под ред. проф. А.Ф. Котюка. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 544 с.) и ее в ряде случаев может оказаться достаточно как при достижении заданного значения продольной деформации стержня болта, так и периодическом контроле затяжки болтового соединения.