六维力传感器螺栓预紧力检测与应力排查操作流程

1. 目的与适用范围

1.1 目的

规范六维力传感器在螺栓预紧力检测及应力排查中的操作步骤，确保检测数据精准、排查结果可靠，保障螺栓连接的安全性和稳定性，避免因预紧力不当或应力超标导致的设备故障、结构失效等问题。

1.2 适用范围

本流程适用于采用六维力传感器对各类机械结构中螺栓（含高强度螺栓、普通螺栓等）进行预紧力检测及安装后应力排查的场景，涵盖工业设备装配、轨道交通部件连接、航空航天零部件装配等领域。不适用于螺栓直径小于M6或工作环境温度超过六维力传感器额定工作温度范围（具体以传感器说明书为准）的场景。

2. 前期准备

2.1 人员要求

操作人员需经过六维力传感器使用、螺栓连接工艺及应力基础知识的专项培训，熟悉传感器工作原理、数据采集软件操作及安全操作规程。

操作人员需佩戴合适的个人防护装备（PPE），包括防滑手套、安全帽、防护眼镜，若工作环境存在粉尘或油污，需额外佩戴防尘口罩或防油围裙。

2.2 设备与工具准备

2.3 环境准备

工作环境温度控制在-10℃~40℃，相对湿度不超过85%，避免高温、高湿、粉尘浓度过高或强电磁干扰环境，若现场存在振动，需采取减震措施（如安装减震垫）。

清理检测区域，确保操作空间充足（至少满足操作人员及工具活动范围），地面铺设防滑垫，周围无无关杂物及安全隐患。

检查供电系统，确保电压稳定（波动范围不超过额定电压的±5%），并配备应急断电装置。

2.4 技术文件准备

获取螺栓连接的设计文件，明确预紧力设计值、许用应力范围、螺栓规格（直径、长度、材料）及连接结构图纸。

获取螺栓连接的设计文件，明确预紧力设计值、许用应力范围、螺栓规格（直径、长度、材料）及连接结构图纸。

3. 六维力传感器安装与调试

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3.1 传感器安装

根据螺栓连接结构及传感器安装要求，确定传感器安装位置：优先选择螺栓轴线延长线与传感器受力中心重合的位置，确保预紧力能沿传感器轴向传递，避免附加径向力或扭矩干扰。

清洁传感器安装面及连接部件，去除油污、铁锈及杂质，若安装面不平整，需采用精度不低于0.02mm/m的平垫进行找平。

采用螺栓将传感器固定在安装基座上，拧紧固定螺栓时需对称均匀用力，扭矩值按照传感器说明书要求执行，避免过度拧紧导致传感器变形。

将传感器与被连接件或拧紧工具连接，确保连接牢固且无松动，若采用转接件，需保证转接件的刚度满足要求，防止力传递过程中产生变形。

准备螺栓材料的力学性能参数表，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量等关键数据。

查阅六维力传感器说明书，确认传感器量程、安装方式、接线要求及数据输出格式。

准备螺栓材料的力学性能参数表，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量等关键数据。

查阅六维力传感器说明书，确认传感器量程、安装方式、接线要求及数据输出格式。

以常见的M16×80高强度螺栓（8.8级）及量程0-50kN的六维力传感器为例，计算应施加的预紧力，步骤如下：

2.5 预紧力计算示例（结合关键参数）

明确预紧力核心计算原理公式：常用扭矩-预紧力关联公式为T = K×F×d，其中：T为螺栓拧紧扭矩（N·m），K为扭矩系数（无单位，需通过试验或设计文件获取，通常范围0.1~0.3，受螺纹精度、润滑状态、表面粗糙度影响），F为预紧力（N），d为螺栓公称直径（m）；此外，弹性变形阶段预紧力也可通过胡克定律推导：F = (ΔL×E×A)/L，其中ΔL为螺栓弹性变形量（m），E为螺栓材料弹性模量（Pa），A为螺栓横截面积（m²），L为螺栓有效长度（m）。

明确已知参数： - 六维力传感器量程：0-50kN（确保计算的预紧力在量程10%-80%范围内，即5-40kN，保证测量精度）； - 螺栓规格：M16（公称直径d=16mm），长度L=80mm，8.8级高强度螺栓； - 材料参数（8.8级螺栓）：屈服强度σ_s=640MPa，弹性模量E=206GPa； - 扭矩系数K=0.2（参考GB/T 1231-2006，润滑状态下典型值）； - 安全系数S=1.5（工业设备常规安全系数要求）。

3.1 传感器安装

计算螺栓许用预紧力： 预紧力需满足“不超过材料屈服强度对应的最大预紧力，且在传感器有效量程内”。 ① 螺栓杆横截面积计算：A=πd²/4=π×(16×10⁻³m)²/4≈2.0106×10⁻⁴m²； ② 屈服强度对应的最大预紧力：F_max=σ_s×A=640×10⁶Pa×2.0106×10⁻⁴m²≈128678N≈128.7kN； ③ 考虑安全系数后的许用预紧力：F_allow=F_max/S=128.7kN/1.5≈85.8kN； ④ 结合传感器量程验证：传感器有效量程为5-40kN，85.8kN超出量程，需调整安全系数或选择更大量程传感器，此处选用量程0-100kN的传感器（有效量程10-80kN），许用预紧力85.8kN在范围内，最终确定目标预紧力F=80kN（取接近许用值且在传感器有效量程内的数值）。

根据螺栓连接结构及传感器安装要求，确定传感器安装位置：优先选择螺栓轴线延长线与传感器受力中心重合的位置，确保预紧力能沿传感器轴向传递，避免附加径向力或扭矩干扰。

清洁传感器安装面及连接部件，去除油污、铁锈及杂质，若安装面不平整，需采用精度不低于0.02mm/m的平垫进行找平。

采用螺栓将传感器固定在安装基座上，拧紧固定螺栓时需对称均匀用力，扭矩值按照传感器说明书要求执行，避免过度拧紧导致传感器变形。

将传感器与被连接件或拧紧工具连接，确保连接牢固且无松动，若采用转接件，需保证转接件的刚度满足要求，防止力传递过程中产生变形。

注意事项：扭矩系数K需根据实际润滑状态、螺纹精度修正，建议通过预试验确定；传感器量程需比目标预紧力大20%-50%，避免过载损坏。

计算对应拧紧扭矩（用于拧紧工具参数设置）： 根据扭矩-预紧力公式T=K×F×d，代入参数： T=0.2×80×10³N×16×10⁻³m=256N·m； 即需将拧紧工具目标扭矩设为256N·m，通过六维力传感器实时监测轴向力是否达到80kN。

3.2 接线与连接

按照传感器说明书的接线图，将传感器信号线缆与数据采集模块连接，区分电源正负极、信号正负极，避免接反。

将数据采集模块通过数据线与电脑连接，确保数据传输接口（USB、以太网等）接触良好，同时连接传感器供电电源。

整理线缆，采用线槽或扎带固定，避免线缆缠绕或受外力拉扯，确保线缆远离强电磁干扰源（如变频器、电焊机）。

3.3 传感器调试与校准

启动数据采集软件，进入传感器参数设置界面，根据传感器型号输入量程、灵敏度、滤波频率等参数（参数值以传感器校准证书为准）。

进行零点校准：确保传感器无受力状态，点击软件“零点校准”按钮，待零点稳定后保存零点数据，校准过程中避免触碰传感器或连接线。

进行加载校准：采用标准砝码或扭矩标准件对传感器进行轴向力加载，加载值分别为传感器量程的20%、50%、80%，每个加载点稳定30s后记录软件显示值，与标准值对比，误差应不超过传感器精度等级要求（如0.5级传感器误差≤±0.5%）。若误差超标，需重新检查安装或联系专业人员进行校准。

调试径向力及扭矩检测功能：通过专用工装施加少量径向力和扭矩，观察软件数据显示是否正常，确保六维数据采集通道通畅。

4. 螺栓预紧力检测流程

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4.1 检测前螺栓预处理

检查螺栓及螺母的外观质量，确认无螺纹损伤、裂纹、变形等缺陷，若存在缺陷需更换螺栓。

用清洁剂清洗螺栓螺纹、螺母及被连接件的螺纹孔，去除油污、氧化皮及杂质，晾干后在螺纹表面涂抹适量的润滑脂（若设计有要求）。

采用千分尺测量螺栓杆的直径（测量3个不同截面，取平均值），记录测量数据，用于后续应力计算。

4.1 检测前螺栓预处理

检查螺栓及螺母的外观质量，确认无螺纹损伤、裂纹、变形等缺陷，若存在缺陷需更换螺栓。

用清洁剂清洗螺栓螺纹、螺母及被连接件的螺纹孔，去除油污、氧化皮及杂质，晾干后在螺纹表面涂抹适量的润滑脂（若设计有要求）。

采用千分尺测量螺栓杆的直径（测量3个不同截面，取平均值），记录测量数据，用于后续应力计算。

4.2 预紧力检测实施

将螺栓穿入被连接件的螺纹孔，初步拧紧螺母，确保螺栓与被连接件贴合紧密，无松动。

启动数据采集软件，设置数据采集频率（不低于100Hz）及存储路径，点击“开始采集”按钮，实时监测六维力数据（X、Y、Z轴力及绕三轴扭矩）。

采用拧紧工具按照预设的拧紧工艺施加预紧力，不同工艺操作步骤如下： 1. 扭矩法：根据设计文件确定目标扭矩值，将拧紧工具扭矩参数调至目标值，匀速施加扭矩（施加速度控制在10-30r/min），直至工具触发扭矩报警，停止施加力。 2. 扭矩-转角法：先施加初拧扭矩（通常为目标预紧力对应扭矩的50%），标记螺栓与被连接件的相对位置；再施加终拧扭矩并记录转角，确保终拧后螺栓转角达到设计要求（如设计要求终拧转角为90°±5°），过程中实时监测传感器轴向力变化。 3. 转角-屈服法：先将螺栓拧至贴合面贴合（贴合扭矩可通过预试验确定），标记起始位置；然后按照设计转角匀速拧紧螺栓，直至传感器监测到轴向力出现明显波动（表明螺栓进入屈服阶段），停止拧紧并记录最终预紧力值。 无论采用何种工艺，拧紧过程中均需匀速施加力，避免突然冲击，同时密切关注数据采集软件中六维力数据变化，若出现径向力或附加扭矩异常升高（超过预紧力的10%），需立即暂停操作，排查安装对中性问题。

当拧紧工具达到预设扭矩或转角时，停止拧紧，保持30s，记录软件显示的Z轴轴向力（即螺栓预紧力实测值）、绕Z轴扭矩及X、Y轴径向力数据。

若需进行多组螺栓检测，重复步骤4.2.1~4.2.4，每组检测完成后需重新检查传感器零点，确保数据准确性。

4.3 预紧力数据判定

从设计文件中提取螺栓预紧力设计值及允许偏差范围（通常为设计值的±10%）。

对比预紧力实测值与设计值，若实测值在允许偏差范围内，则判定预紧力合格；若实测值超出偏差范围，需分析原因（如拧紧工具精度不足、传感器安装偏差等），并重新进行检测。

记录所有检测数据，包括螺栓编号、检测时间、预紧力实测值、设计值、偏差率、采用的拧紧工艺及关键工艺参数（如扭矩、转角）等信息，填入《螺栓预紧力检测记录表》。

4.4 应力释放操作

从设计文件中提取螺栓预紧力设计值及允许偏差范围（通常为设计值的±10%），明确“预紧力合格判定”与“应力合格判定”的独立标准：预紧力需在设计偏差范围内，总应力需小于许用应力。

5. 应力排查与评估

5.1 应力计算

卸载前确认：通过数据采集软件复校当前状态——记录轴向预紧力实测值F₁（需在设计值±5%内）、超标附加应力类型（径向力/弯曲应力）及数值，标记螺栓与被连接件的相对位置（避免预紧姿态改变）。

明确适用场景：仅针对“预紧力合格但附加应力超标”的情况（如X/Y轴径向力＞预紧力5%、弯曲应力导致总应力超标，且轴向预紧力在设计范围内），用于卸除附加应力、保留设计预紧力。

4.4 应力卸载操作（不牺牲预紧力）

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明确适用场景：仅针对“预紧力合格但附加应力超标”的情况（如X/Y轴径向力＞预紧力5%、弯曲应力导致总应力超标，且轴向预紧力在设计范围内），用于卸除附加应力、保留设计预紧力。

卸载前确认：通过数据采集软件复校当前状态——记录轴向预紧力实测值F₁（需在设计值±5%内）、超标附加应力类型（径向力/弯曲应力）及数值，标记螺栓与被连接件的相对位置（避免预紧姿态改变）。

定向卸除附加应力： 1. 径向力超标：若因传感器安装对中偏差，微调传感器固定基座（每次调整量≤0.1mm），实时监测软件X/Y轴力数据，直至径向力≤预紧力5%，同时确保轴向力F₂与F₁偏差≤±3%； 2. 弯曲应力超标：若因被连接件贴合面局部不平整，在贴合间隙处（非受力核心区）加装超薄金属垫片（厚度≤0.2mm，材质与被连接件一致），加装后复算弯曲应力，直至总应力≤许用应力，轴向力波动控制在±3%内； 3. 操作过程中禁止旋转螺母或螺栓，避免预紧力损失。

卸载后验证：稳定30s后记录轴向预紧力F₂、最终附加应力值，确认F₂在设计偏差范围内、总应力≤许用应力，方可判定卸载合格；若调整后预紧力波动超±5%，需重新评估预紧状态。

特殊情况：若定向调整3次后仍无法同时满足“预紧力合格”与“应力合格”，需核查螺栓轴线直线度、被连接件孔位公差，更换存在几何偏差的部件后重新预紧检测。

记录所有检测数据，包括螺栓编号、检测时间、预紧力实测值、应力计算值、应力状态判定结果及处理措施等信息，填入《螺栓预紧力检测记录表》。

分别判定预紧力与应力状态： - 预紧力合格+应力合格：直接进入后续流程； - 预紧力合格+应力超标（含附加径向力、弯曲应力等）：执行“不牺牲预紧力的应力卸载”操作； - 预紧力不合格（无论应力是否合格）：执行完全卸载返工，重新预紧。

根据螺栓预紧力实测值及螺栓杆直径测量数据，采用以下公式计算螺栓轴向应力：σ = F / A，其中σ为轴向应力（Pa），F为预紧力实测值（N），A为螺栓杆横截面积（m²），A = πd²/4（d为螺栓杆直径实测平均值，m）。

定向卸除附加应力： 1. 径向力超标：若因传感器安装对中偏差，微调传感器固定基座（每次调整量≤0.1mm），实时监测软件X/Y轴力数据，直至径向力≤预紧力5%，同时确保轴向力F₂与F₁偏差≤±3%； 2. 弯曲应力超标：若因被连接件贴合面局部不平整，在贴合间隙处（非受力核心区）加装超薄金属垫片（厚度≤0.2mm，材质与被连接件一致），加装后复算弯曲应力，直至总应力≤许用应力，轴向力波动控制在±3%内； 3. 操作过程中禁止旋转螺母或螺栓，避免预紧力损失。

若检测过程中存在明显的径向力（X或Y轴力），需计算弯曲应力：σ_b = M / W，其中σ_b为弯曲应力（Pa），M为弯曲力矩（N·m），M = F_r × L（F_r为径向力实测值，L为螺栓悬臂长度，m），W为螺栓抗弯截面模量（m³），W = πd³/32。

计算螺栓总应力：若同时存在轴向应力和弯曲应力，总应力σ_total = σ + σ_b（拉弯组合应力）。

5.2 应力排查要点

对比总应力与螺栓材料许用应力（许用应力 = 屈服强度 / 安全系数，安全系数根据工况取1.2~2.5），若总应力小于许用应力，则判定应力合格；若总应力大于许用应力，需标记为应力超标，进行重点排查。

特殊情况：若定向调整3次后仍无法同时满足“预紧力合格”与“应力合格”，需核查螺栓轴线直线度、被连接件孔位公差，更换存在几何偏差的部件后重新预紧检测。

卸载后验证：稳定30s后记录轴向预紧力F₂、最终附加应力值，确认F₂在设计偏差范围内、总应力≤许用应力，方可判定卸载合格；若调整后预紧力波动超±5%，需重新评估预紧状态。

排查径向力异常原因：若X、Y轴径向力实测值超过预紧力的5%，需检查传感器安装是否对中、螺栓轴线与被连接件孔轴线是否重合、被连接件贴合面是否平整等，逐一排除安装偏差导致的附加径向力。

排查扭矩异常原因：若绕Z轴扭矩实测值与预紧力的理论扭矩（根据扭矩-预紧力公式计算，T = K×F×d，K为扭矩系数）偏差超过15%，需检查螺纹润滑状态、螺纹精度及传感器扭矩检测通道是否正常。

外观排查：对应力超标或预紧力异常的螺栓，检查其表面是否存在裂纹、变形，被连接件是否有贴合不严、局部凹陷等现象，必要时采用磁粉探伤或超声波探伤检测螺栓内部缺陷。

5.3 应力评估报告

根据应力计算结果及排查情况，形成《螺栓应力排查评估报告》，明确以下内容：螺栓基本信息、检测数据、应力计算结果、合格判定结论、应力超标原因分析及整改建议。

6. 不合格处理与返工

6.1 不合格分类

A类不合格：预紧力实测值超出设计值的20%或总应力超过材料屈服强度，存在螺栓断裂风险。

B类不合格：预紧力实测值超出允许偏差范围但未达A类标准，或存在轻微径向力异常，不影响短期使用但需整改。

6.2 返工措施

针对A类不合格：立即停止相关设备运行，先按照4.4节应力释放操作流程匀速卸载螺栓，避免直接拆卸导致应力突变引发部件损伤；卸载完成后拆卸螺栓并更换新螺栓，重新检查传感器安装精度及拧紧工具参数，修正后重新进行预紧力检测及应力排查，直至合格。

针对B类不合格：先按照4.4节应力释放操作流程完成螺栓卸载，再根据不合格原因采取对应措施：若因拧紧工艺参数不当导致，调整拧紧工具的扭矩或转角参数后重新拧紧；若因传感器安装偏差导致，重新调整传感器安装位置并校准后再次检测；若因螺纹润滑不足导致，补充润滑脂后重新检测。

6.3 返工验证

返工完成后，需对不合格螺栓重新进行预紧力检测及应力计算，确保检测数据合格，并记录返工过程及验证结果，存入检测档案。

7. 检测后整理与归档

7.1 设备整理

停止数据采集，关闭数据采集软件、数据采集模块及传感器供电电源，断开线缆连接，整理线缆并妥善收纳。

拆卸六维力传感器，清洁传感器表面油污及杂质，涂抹防锈油（若长期不使用），放入专用包装盒中存放，避免碰撞或挤压。

整理拧紧工具及辅助工具，对工具进行清洁和维护，检查工具状态并做好记录。

7.2 数据与档案归档

将预紧力检测数据、应力计算过程、排查报告、返工记录等文件进行整理，按“检测日期-螺栓型号-设备编号”的规则命名文件。

建立电子档案和纸质档案，电子档案存入专用服务器并定期备份，纸质档案装订后存入档案柜，档案保存期限不低于设备使用寿命。

归档文件需包含：《螺栓预紧力检测记录表》《六维力传感器校准记录》《螺栓应力排查评估报告》《不合格返工处理记录》等。

8. 安全与注意事项

操作人员必须严格遵守安全操作规程，佩戴个人防护装备，拧紧螺栓时避免手部位于螺栓及螺母正上方，防止工具滑落伤人。

传感器安装、调试及拆卸过程中，禁止敲击、撞击传感器，避免传感器受力超过量程，导致损坏。

数据采集过程中，若发现传感器数据异常波动或设备异响，需立即停止操作，切断电源后排查原因，禁止带故障运行。

定期对六维力传感器进行校准，校准周期不超过6个月，若传感器经历剧烈振动或碰撞，需立即重新校准。

检测现场需设置警示标识，禁止无关人员进入操作区域，确保检测过程安全有序。

附录：相关记录表单模板

附录1 《螺栓预紧力检测记录表》

附录2 《六维力传感器校准记录》

附录3 《螺栓应力排查评估报告》

附录4 《不合格返工处理记录》