Способ контроля силы затяжки болта (шпильки)
BOLT (STUD) TIGHTENING FORCE CONTROL METHOD

Изобретение относится к неразрушающему контролю характеристик изделий и материалов и может быть использовано для измерения внутренних напряжений и степени затяжки болтовых (шпилечных) соединений при строительстве и монтаже объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности.
Известен способ контроля уровня затяжки болта или шпильки (Патент РФ №2616732, МПК G01L 5/24. Опубл. 18.04.2017), заключающийся в том, что в стержне болта или шпильки высверливают центральное отверстие, затем в центральное отверстие жестко крепят оптоволокно со сформированной в нем брэгговской отражающей решеткой-светофильтром, а уровень затяжки в процессе затяжки и при последующей эксплуатации измеряют по сдвигу длины волны настройки брэгговской решетки-светофильтра в отраженном либо проходящем свете широкополосного (немонохроматического) источника излучения.
Основными недостатками данного способа являются трудоемкость высверливания центрального отверстия в стержне болта (шпильки) и, вследствие нарушения целостности стержня, снижение максимально допустимого момента затяжки болта (шпильки).
Также известен ультразвуковой способ измерения усилий затяжки резьбовых соединений (Патент РФ №2042945, МПК G01N 29/00. Опубл. 27.08.1995), 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, измерение проводят в гайке резьбового соединения, а за площадь сечения принимают площадь поверхности гайки, контактирующей со стягиваемым изделием.
Основным недостатком данного способа является то, что для его практической реализации требуется обеспечение устойчивого акустического контакта, который достигается специальной подготовкой поверхности с заданными шероховатостью и плоскостностью, а также наличием смазки между датчиком и объектом.
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. Высокая стоимость и погрешность магнитометра.
3. Влияние внешних магнитных полей на результат измерений.
В отличие от прототипа заявляемый способ:
- может использоваться для контроля силы затяжки резьбового соединения как из магнитных, так и немагнитных материалов;
- имеет низкую стоимость реализации;
- может определять силу затяжки резьбового соединения с меньшей погрешностью;
- не подвержен влиянию внешних магнитных полей.
Задачей изобретения является расширение номенклатуры материалов контролируемых болтов (шпилек), повышение точности и эффективности контроля силы затяжки.
Поставленная задача решается способом контроля силы затяжки болта (шпильки), заключающимся в том, что к стержню болта (шпильки) или к устройству вытяжки крепят фотокамеру или две разнесенные фотокамеры с автоматическим фокусированием на область, подвергаемую растяжению, затем путем обработки изображений свободного и нагруженного состояния болта (шпильки) определяют относительное удлинение, а силу затяжки в процессе вытяжки болта (шпильки) вычисляют по измеренному относительному удлинению.
Способ контроля силы затяжки резьбового соединения осуществляется следующим образом (фиг. 1).
К стержню болта (шпильки) 1 или к устройству вытяжки 2 крепят одну или две разнесенные фотокамеры 3 с автоматическим фокусированием на части области, подвергаемой растяжению в процессе вытяжки.
Фотокамеры фиксируют изображения поверхности болта (шпильки) в свободном и нагруженном состоянии, затем эти изображения передаются для обработки в микропроцессор. Микропроцессор по специальной программе рассчитывает взаимное расположение разнесенных участков изображений свободного и нагруженного состояний. Участки изображений могут формироваться на основании изображения, полученного одной фотокамерой или на основании изображений от двух фотокамер. Участками изображений являются две максимально отдаленные области поверхности болта (шпильки). При использовании одной фотокамеры ширина областей определяется программой автоматически и, как правило, не превышает 1/5 части изображения (фиг. 2а). Для двух фотокамер, разнесенных на известное расстояние, для обработки используются изображения целых кадров (фиг. 2б).
Микропроцессор обрабатывает изображения построчно в КЗС (красный, зеленый, синий) аддитивной цветовой модели. Исходными данными для обработки является яркость пикселей. Путем кросскорреляционного анализа программа определяет смещения, измеренные в пикселях, между соответствующими участками изображений, полученными в свободном и нагруженном состояниях болта (шпильки). Разница этих смещений является искомым удлинением болта (шпильки):
<img file="00000001.jpg" he="7" wi="50" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(1)
где  - смещение второго участка изображения в нагруженном состоянии относительно свободного;
- смещение первого участка изображения в нагруженном состоянии относительно свободного.
Размер изображения, отражаемого в одном пикселе, в единицах длины определяется при изготовлении путем калибровки по высокоточному датчику линейных перемещений. Окончательным результатом расчета является среднее значение удлинения болта (шпильки) по всем строкам, цветам изображения и кадрам.
Контроль силы затяжки по удлинению болта (шпильки) осуществляется по формуле (2) (Биргер И.А. Резьбовые и фланцевые соединения [Текст] / И.А. Биргер // Машиностроение. - 1990. - С. 328):
<img file="00000004.jpg" he="13" wi="16" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(2)
Где  - удлинение стержня болта (шпильки);
- осевая податливость стержня болта (шпильки).
Податливость болта постоянного сечения рассчитывается по формуле (3):
<img file="00000007.jpg" he="13" wi="24" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(3)
где  - расстояние от торца гайки до торца головки болта;
- модуль упругости материала болта;
- площадь поперечного сечения болта.
Очевидно, что отношение удлинения стержня болта к его длине  соответствует отношению измеренного удлинения болта  к расстоянию между областями обрабатываемых программой изображений .
<img file="00000013.jpg" he="13" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(4)
Для заявляемого способа контроля силы затяжки тогда справедлива формула (5):
<img file="00000014.jpg" he="13" wi="36" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(5)
При использовании одной фотокамеры переменная  равна целому значению пикселей. При использовании двух фотокамер переменная  определяется по штриховой мере на этапе изготовления.
Относительная погрешность силы затяжки резьбового соединения по косвенным измерениям вычисляется по формуле (6):
<img file="00000015.jpg" he="18" wi="70" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(6)
где  - абсолютная погрешность измерения расстояния между областями обрабатываемых программой изображений;
- абсолютная погрешность измерения удлинения болта (шпильки).
При использовании одной фотокамеры погрешность определения расстояния между областями обрабатываемых программой изображений в пикселях равна нулю, а формула (6) принимает вид:
<img file="00000018.jpg" he="13" wi="39" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(7)
Определение погрешности способа
Для определения размера изображения, отражаемого в одном пикселе, в единицах длины и для оценки погрешности описанного способа была изготовлена измерительная установка (фиг. 3), включающая в себя основание 1, высокоточный датчик линейных перемещений 2, фотокамеру 3, измеряемый объект и устройство, задающее перемещение в микрометровом диапазоне 4. Измеряемый объект представляет из себя две части шпильки диаметром 10 мм по 30 мм в длину. Одна часть шпильки 5 жестко закреплена на основании 1, вторая часть 6 соединена с задающем перемещение устройством. Перемещение подвижной части шпильки 6 имитирует ее растяжение. Фотокамера или две разнесенные на 30 мм фотокамеры закреплены так, чтобы обе части шпильки находились в фокусе. Датчик линейных перемещений контролирует перемещение подвижной части шпильки с точностью 1 мкм.
Определение размера изображения, отражаемого в одном пикселе, заключалось в перемещении подвижной части шпильки. Были последовательно заданы перемещения от 0 до 50 мкм с шагом 2 мкм, при этом измеренные с использованием фотокамер перемещения были аппроксимированы линейным полиномом (8). Перемещение было задано в указанном интервале значений для проверки работоспособности способа во всем диапазоне измерений.
<img file="00000019.jpg" he="7" wi="44" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(8)
где  [м] - перемещение, измеренное датчиком линейных перемещений.
b
[м/пикс] и  [м] - коэффициенты полинома.
Операции перемещения и аппроксимирования повторялись 30 раз. Далее были усреднены все соответствующие коэффициенты полиномов и получен размер одного пикселя изображения в единицах длины: с использованием одной фотокамеры один пиксель изображения равен 5,015 мкм, с использованием двух разнесенных фотокамер один пиксель изображения каждой фотокамеры равен 1,190 мкм (размер пикселя меньше, чем при использовании одной фотокамеры, так как две фотокамеры находятся ближе к поверхности болта (шпильки) и объективом охватывается меньшая область). Погрешность определения размера изображения, отражаемого в одном пикселе, равна отношению погрешности датчика линейных перемещений к корню из общего числа измерений (30×26), т.е. 0,036 мкм.
Оценка погрешности самого способа была проведена путем обработки 100 изображений статического объекта. Изображения были получены с использованием одной и двух фотокамер. Был произведен поиск «нулевого» смещения между первым и последующими изображениями. Статистическая обработка экспериментальны данных показала, что результаты измерений смещения являются случайными со средним квадратическим отклонением  равным 0,013 пикселя и средним значением  равным 0,008 пикселя при использовании одной фотокамеры. С использованием двух разнесенных фотокамер среднее квадратическое отклонение составило 0,017 пикселя, а среднее значение 0,029 пикселя.
Абсолютная погрешность измерения удлинения болта (шпильки) при уровне доверительной вероятности 0,95 рассчитывается по формуле:
<img file="00000024.jpg" he="12" wi="88" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(9)
Пример конкретной реализации
Способ контроля силы затяжки болта (шпильки) был апробирован на образце шпильки из нержавеющей стали длиной 200 мм и диаметром 10 мм.
Механическое напряжение шпильки создавалось устройством вытяжки (домкратом). Измерение удлинения шпильки проводились как с одной, так и с двумя фотокамерами разрешением 2592 на 1944 пикселя (1944 строки по 2592 пикселя).
С использованием одной фотокамеры измеренное предлагаемым способом растяжение шпильки между областями обрабатываемых программой изображений составило (8,25 ± 0,22) мкм. С использованием двух фотокамер расстояние между областями обрабатываемых программой изображений составило (30,00 ± 0,01) мм, измеренное растяжение составило(28,38 ± 0,25) мкм.
Подставив в формулы (6) и (7) указанные выше величины, получим значения относительной погрешности силы затяжки с использованием одной фотокамеры - 2,7 % и с использованием двух фотокамер - 0,9 %.