一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置及方法
2024-03-19 23:53:05 1
專利名稱：一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置與方法，屬於機械製造及結構力學領域。
背景技術：
在機械結構中，各種零件按具體要求組合起來，零組件、部件之間相互接觸的表面即為結合面。結合面靜態剛度在載荷的作用下具有較強的非線性特性。結合面存在著的接觸剛度，是機械結構整體剛度的重要組成部分，在力封閉鏈上各連接部件之間，如果一個結合面接觸剛度低，則其他構件剛度再高也將失去意義。靜態剛度是指機械結構承受恆定載荷的能力，是一個重要的技術指標。機械結構的靜態變形不僅會降低零部件的幾何精度，還會影響抗震性、噪聲、壽命、運動平衡性、發熱和磨損等，結合面靜態剛度特性的研究是研究機械系統的一個重要基礎問題。中外眾多學者為此對結合面的靜剛度特性進行了不懈的研究，但至今仍有許多問題尚未能很好地解決。原因之一在於，機械結合面為無厚度接觸界面的特性，至今尚無可以進行直接測量的手段。螺栓聯接的結合面是機械結構中最典型的結合面之一。螺栓聯接具有聯接可靠、聯接強度高、可拆卸、能自鎖等優點。在一般的螺栓結合面中，當螺栓預緊後又受切向工作載荷時，螺栓所受總的切向拉力與螺栓剛度和結合面剛度有直接的關係。螺栓剛度容易獲得，但對於結合面剛度來說，情況要複雜得多，至今也沒有一個簡明準確的計算方法。因此，有必要對螺栓結合面剛度進行深入的研究。在研究螺栓結合面時，又包括螺栓結合面法向靜態剛度和切向靜態剛度。研究證明，提取切向靜態剛度的難度遠大於提取結合面法向靜態剛度。在螺栓結合面靜態剛度的測試提取過程中，尤以提取單螺栓結合面 切向靜態剛度最為困難。之前的研究理論多以多螺栓結合面切向靜態剛度為研究對象，通過理論或仿真計算從而間接得到單螺栓結合面切向靜態剛度，其可靠性及準確性值得考慮。影響螺栓結合面切向靜態剛度特性的現實因素很多，而且十分複雜，這些因素主要有:I)構成螺栓結合面的被聯接部位，具有自身的特殊性。螺栓聯接的被聯接部位應有一定厚度，不能過薄或過厚，在提取測試螺栓結合面切向剛度時不能過於理想化，且被聯接部位的厚度直接影響螺栓結合面的有效作用面積。2)單螺栓結合面的組成部件中只有一副高強螺栓，對形成結合面的兩個實驗工件進行夾緊、裝卡的難度增大。3)對實驗組件進行切向載荷加載的材料試驗機的局限性。現有材料試驗機只能在豎直或水平方向對實驗組件進行拉伸，這就提高了對測試單螺栓結合面切向靜態剛度的實驗組件的設計要求。4)在進行單螺栓結合面切向靜態剛度的實驗過程中，由於材料試驗機對實驗組件的夾緊，會使結合面受到扭矩和彎矩的影響，這就要充分考慮實驗組件的設計，減少扭矩和彎矩對實驗組件和實驗結果的影響。
5)之前結合面特性的測試實驗，選取的用來施加載荷、信號傳遞、數據採集、數據處理的設備儀器精度較低，所得到的結果不準確或過於粗糙，隨著設備儀器的不斷發展，就需要採用精度更高的實驗器材來完成單螺栓結合面切向靜態剛度的測試。為了系統地研究和探明結合面靜態基礎特性參數，需要一套能夠解決以上問題、精度較高且完整的測試單螺栓結合面切向靜態特性的裝置與方法。
發明內容
本發明的目的是設計一套精度較高且完整的測試單螺栓結合面切向靜態特性的裝置及方法，通過材料試驗機拉伸切向實驗試件，使用力傳感器和電渦流位移傳感器分別獲得材料試驗機的切向拉力信號和切向實驗試件結合面處的切向位移信號，並利用數據採集系統將數據發送至計算機，從而全面掌握結合面切向靜態特性參數。為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。一種測試單螺栓結合面切向靜態剛度裝置，包括材料試驗機(I)、兩個螺杆(2)、下試件(3)、上試件(4)、高強螺栓(5)、電渦流位移傳感器(6)、力傳感器(7)、動態應變儀、數據採集系統和計算機；所述的下試件(3)包括支撐部位、被聯結部位兩部分，螺杆(2)與支撐部位連接，下試件(3)通過螺杆(2)與材料試驗機(I)連接，所述的上試件(4)包括支撐部位、被聯結部位兩部分，螺杆(2)與支撐部位連接，上試件(4)通過螺杆(2)與材料試驗機(I)連接，下試件(3)的被聯結部位與上試件(4)的被聯結部位相互貼合形成單螺栓結合面，單螺栓結合面方向與材料試驗機(I)施加的作用力方向一致，高強螺栓(5)垂直穿過單螺栓結合面；高強螺栓(5)預埋了應變片，應變片引出導線連接動態應變儀，用於測量高強螺栓(5)對單螺栓結合面形成的法向預緊力；材料試驗機(I)為單螺栓結合面施加切向靜態拉力，力傳感器(7)搭載於材料試驗機(1)，用於測量切向靜態拉力；電渦流位移傳感器
(6)布置在下試件兩側，用於測量單螺栓結合面切向位移變化量；測量得到的單螺栓結合面的法向預緊力、切向靜態拉力、以及切向位移變化量發送至數據採集系統，然後輸送至計算機。上試件(4 )和下試件(3 )外形相同，各自材料、表面粗糙度不限。上試件(4)和下試件(3)上用於貫穿高強螺栓(5)的通孔直徑為高強螺栓(5)螺杆直徑+2mm。上試件(4)和下試件(3)通過螺紋孔與螺杆(2)連接，材料試驗機(I)通過夾緊螺杆(2)固定上試件(4)和下試件(3)。上試件(4)和下試件(3)各自的被聯接部位與支撐部位的連接處採用倒角處理。上試件(4)和下試件(3)相互貼合形成的單螺栓結合面至少要完全覆蓋半徑為(高強螺栓墊片直徑+2X單個被聯結部厚度Xtan30° )的圓；一種基於權利要求1所述裝置的測試單螺栓結合面切向靜態特性的方法，包括以下步驟:步驟1，測定下試件(3)和上試件(4)之間的靜摩擦係數，向高強螺栓(5)施加預緊力，通過設定材料試驗機(I)的加載速度以及大小為預緊力X靜摩擦係數的切向加載力，對下試件(3)、上試件(4)施加縱向的靜態拉力，即對單螺栓結合面施加了切向靜態拉力；步驟2，在施加靜態拉力的過程中，動態 應變儀、電渦流位移傳感器(6)、以及力傳感器(7)分別將高強螺栓應變信號、結合面切向位移變化信號以及靜態拉力信號傳輸至數據採集系統，然後輸出送至計算機，當材料試驗機(I)的加載力達到所設定的加載力大小時會自動停止；步驟3，對靜態拉力J以及單螺栓結合面切向位移量X進行多次重複性實驗，並進行曲線擬合得到靜態拉力I與切向位移量X的函數關係，即y=f (X)；步驟4，對單螺栓結合面所受切向力即靜態拉力y，關於切向位移X求導，即得單螺栓結合部切向靜態剛度函數。利用該裝置可提取出施加一定的螺栓預緊力，單螺栓結合面各種結合條件(即各種不同的基本影響因素:結合面材質、加工方法、加工質量、結合面間介質，等)下，單螺栓結合面的切向靜態剛度特性參數曲線。有益效果(I)重新設計了一套符合實驗條件的專門用於提取單螺栓結合面切向靜態剛度，且易於更換、易於定位的實驗組件，實驗組件由兩個螺杆(2)、下試件(3)、上試件(4)以及高強螺栓(5)構成，便於對影響結合面切向靜態特性的各基本影響因素進行研究。(2)該實驗組件的優化設計，極大減少或者消除了實驗過程中扭矩和彎矩對實驗組件和實驗結果的影響。上試件(4)和下試件(3)相互貼合形成的單螺栓結合面與外加切向載荷方向重合，避免了彎矩對實驗組件的影響；與上試件(4)和下試件(3)連接的兩個螺杆，在材料試驗機施加切向載荷時，能夠自動調整位置保持對正，使其所受到的外力僅有拉力，排除了扭矩對實驗組件的影響；上試件(4)和下試件(3)各自的作用部位與支撐部位的連接處進行倒角處理，也減少了受力過程中應力增大的影響。(3)從實驗 裝置(圖1)可看出，減少了測量的物理量的個數，測試出來的特性參數僅僅是上下試件之間的結合面部分特性，而且採用的是直接測量法。(4)實驗過程中採用的儀器設備均具有較高精度，數據處理的分析擬合方法簡單易行但實用可靠，提高了測試單螺栓結合面切向靜態剛度特性的準確性。
圖1是測試單螺栓結合面切向靜態剛度特性的系統框圖。圖2是本發明測試單螺栓結合面切向靜態剛度特性裝置結構示意圖。圖3是實施例單個試件的結構主視圖。圖4是實施例單個試件的結構側視圖。圖5實施例實驗組件示意圖。圖6是實施例在一定預緊力下多次重複性實驗所得的切向拉力-結合面切向位移曲線圖。圖7是實施例在一定預緊力下擬合修正後的切向拉力-結合面切向位移曲線圖。圖8是實施例在一定預緊力下切向拉力-單螺栓結合面切向靜態剛度曲線圖。圖中:1、材料試驗機，2、螺杆，3、下試件，4、上試件，5、高強螺栓，6、電渦流位移傳感器，7、力傳感器
具體實施方式
下面結合工作原理和結構附圖對本發明的測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置及方法進一步詳細說明。如圖2至5所示，高強螺栓5穿過上試件4和下試件3的通孔，使上試件4和下試件3相互貼合構成單螺栓結合面。在高強螺栓5上施加力以形成對單螺栓結合面的預緊力。兩個螺杆2分別與上試件4和下試件3由螺紋連接。由此形成了高強螺栓結合面法向靜態特性實驗組件。上試件4和下試件3相互貼合形成的單螺栓結合面與外加切向載荷方向重合，避免了彎矩對實驗組件的影響；上試件4和下試件3各自的被聯接部位與支撐部位的連接處進行倒角處理，也減少了受力過程中應力增大的影響。高強螺栓5中的螺杆裡預埋了應變片，其引出導線連接動態應變儀，以此準確測量高強螺栓5所施加的預緊力，並將高強螺栓5的應變信號傳輸到數據採集系統。材料試驗機I通過夾緊螺杆2從而固定上試件4和下試件3，使上試件4、下試件3以及高強螺栓構成的實 驗組件處於豎直狀態，以便材料試驗機I對上、下試件之間單螺栓結合面施加切向靜態力。與上試件4和下試件3連接的兩個螺杆，在材料試驗機施加切向載荷時，能夠自動調整位置保持對正，使其所受到的外力僅有拉力，排除了扭矩對實驗組件的影響。通過設置材料試驗機I的相關參數，可以在材料試驗機I上設定對實驗組件施加的切向靜態力以及靜態力的施加速度。力傳感器7連接材料試驗機1，輸出靜態力信號。在下試件3頂端兩側各粘接一個支架，以便豎直向上安裝電渦流位移傳感器6，同時使電渦流位移傳感器6平行於結合面。上試件4兩側各粘接一個擋板，使擋板底面與電渦流位移傳感器6垂直，用於形成電渦流。電渦流位移傳感器6通過導線連接數據採集系統，由電渦流位移傳感器6與擋板之間的位移變化，輸出單螺栓結合面處在切向載荷作用下形成的切向位移信號至數據採集系統。數據採集系統與計算機相連接，將高強螺栓測得的應變數據、力傳感器測得的靜態力數據、電渦流位移傳感器測得的位移數據，發送至計算機，通過本發明的單螺栓結合面切向靜態特性實驗方法對靜態力數據和位移數據進行處理，得到單螺栓結合面切向靜態剛度特性曲線。公知，一個機構的剛度(k)是指彈性體抵抗變形(彎曲、拉伸、壓縮等)的能力。剛度的基本計算公式:k=P/ δ其中，P是作用於此機構的恆力，δ是由於力而產生的形變。對於單螺栓結合面切向靜態剛度來說，雖是研究靜止狀態並非滑動狀態，但在切向載荷的作用下單螺栓結合面仍存在切向微動，以此造成了切向載荷作用下的單螺栓結合面切向位移。根據剛度的基本計算公式及數學導數的相關知識，可以推斷出單螺栓結合面切向靜態剛度的計算公式:
Λ V'[ = F= 二
ΔΧ其中，ΛΥ是單螺栓結合面受切向力的改變量，ΛΧ是由於單螺栓結合面受力而產生的切向位移改變量。於是，對單螺栓結合面所受切向力關於切向位移求導即得單螺栓結合部切向靜態剛度。進行求導運算後可求得與此單螺栓結合面所受切向力範圍對應的單螺栓結合部剛度數據。由以上理論分析及數據擬合過程即可提取出單螺栓結合面切向靜態特性曲線。利用本裝置可以做下面兩類實驗:(I)保持切向靜態拉力施加大小及速度不變，保持對結合面施加的法向面壓不變(通過對高強螺栓施加預緊力實現)，改變結合麵條件(結合面的面積、粗糙度、結合面之間的介質等)，來探討和研究結合面切向靜態剛度特性與各種結合麵條件的關係。實驗時，上試件4和下試件3可以更換不同類型，可以是如C45-C45、HT250-HT250、C45-HT250等不同材料，可以是粗磨1.6-粗磨1.6、細磨0.8-細磨0.8、粗磨1.6-細磨0.8等不同表面粗糙度，還可以在上試件4和下試件3的接觸表面均勻塗抹介質，如20號機械油。(2)在一定的結合麵條件下，保持對結合面施加的法向面壓不變，改變切向靜態拉力施加大小或速度，來探討和研究結合面切向靜態剛度特性與施加在結合面間切向靜態載荷的關係。以下具體描述第二類實驗的操作過程:上、下試件選用材料為Q235-Q235、粗糙度為0.6、被聯接部厚度為15mm的磨削工件，上、下試件間無介質、高強螺栓的規格為M16。根據栓接結合面有效作用面積的相關知識，上試件(4)和下試件(3)相互貼合形成的單螺栓結合面至少要完全覆蓋半徑為(高強螺栓墊片直徑+2X單個被聯結部厚度Xtan30° )的圓；M16高強螺栓墊片直徑為33mm。設計實施例的單螺栓結合面為接觸面積大小為50mmX50mm的正方形,符合要求。
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具體分析擬合過程如下:1.設定實驗相關基礎數值查常用摩擦係數表可知，Q235-Q235且無介質的表面摩擦係數為0.15，選擇施加在高強螺栓的預緊力為40kn，則材料試驗機為上下試件施加切向靜態力應為40knX0.15=6kn。通過設定材料試驗機的相關參數,材料試驗機施加在實驗組件的靜態拉力速度為2kn/min，靜態拉力施加結束值為6kn。如此使工作時間保持在三分鐘左右，可以得到準確的數據及合適的實驗數據量。2.提取多組切向位移-切向載荷曲線圖在高強螺栓(5)預緊力為40kn情況下的，改變材料試驗機施加的切向載荷，對於同一切向載荷時，分別讀取兩次切向位移數據，對這兩次的位移數據進行平均，即可得到一組外加切向載荷數據和一組平均切向位移數據；不改變任何設定及條件，對同一組實驗組件進行多次重複性實驗，獲得多組外加切向載荷數據及對應的平均切向位移數據，即可得到在預緊力為40kn情況下的多組單螺栓結合面切向位移-外加切向載荷曲線圖，如圖6所示。3.提取切向位移-切向載荷曲線圖在圖6中，選取多個結合面切向位移值Xi，在4條單螺栓結合面切向位移-外加切
向載荷曲線圖中提取Xi對應的切向載荷，並對其進行平均得到^，對Xi和7進行擬合，即
得到切向位移-切向載荷的函數關係。圖7為採用y = a(l-e_bx)進行擬合的結果，此外，還可以使用Y = a-bcx以及七次多項式Y = a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7進行擬合，但大量實驗證明，仍以I = a(l-e_bx)擬合效果最好。4.提取結合面所受切向力-結合面切向剛度曲線圖公知，一個機構的剛度(k)是指彈性體抵抗變形(彎曲、拉伸、壓縮等)的能力。剛度的基本計算公式:k=P/ δ其中，P是作用於此機構的恆力，δ是由於力而產生的形變。對於單螺栓結合面切向靜態剛度來說，雖是研究靜止狀態並非滑動狀態，但在切向載荷的作用下單螺栓結合面仍存在切向微動，以此造成了切向載荷作用下的單螺栓結合面切向位移。根據剛度的基本計算公式及數學導數的相關知識，可以推斷出單螺栓結合面切向靜態剛度的計算公式:
權利要求
1.一種測試單螺栓結合面切向靜態特性的裝置，包括材料試驗機(I)、兩個螺杆(2)、下試件(3)、上試件(4)、高強螺栓(5)、電渦流位移傳感器(6)、力傳感器(7)、動態應變儀、數據採集系統和計算機；其特徵在於:所述的下試件(3)包括支撐部位、被聯結部位兩部分，螺杆(2)與支撐部位連接，下試件(3)通過螺杆(2)與材料試驗機(I)連接，所述的上試件(4)包括支撐部位、被聯結部位兩部分，螺杆(2)與支撐部位連接，上試件(4)通過螺杆(2)與材料試驗機(I)連接，下試件(3)的被聯結部位與上試件(4)的被聯結部位相互貼合形成單螺栓結合面，單螺栓結合面方向與材料試驗機(I)施加的作用力方向一致，高強螺栓(5)垂直穿過單螺栓結合面；高強螺栓(5)預埋了應變片，應變片引出導線連接動態應變儀，用於測量高強螺栓(5)對單螺栓結合面形成的法向預緊力；材料試驗機(I)為單螺栓結合面施加切向靜態拉力，力傳感器(7)搭載於材料試驗機(1)，用於測量切向靜態拉力；電渦流位移傳感器(6)布置在下試件兩側，用於測量單螺栓結合面切向位移變化量；測量得到的單螺栓結合面的法向預緊力、切向靜態拉力、以及切向位移變化量發送至數據採集系統，然後輸送至計算機。
2.根據權利要求 1所述的一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置，其特徵在於:上試件(4 )和下試件(3 )外形相同，各自材料、表面粗糙度不限。
3.根據權利要求1所述的一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置，其特徵在於:上試件(4)和下試件(3)上用於貫穿高強螺栓(5)的通孔直徑為高強螺栓(5)螺杆直徑+2_。
4.根據權利要求1所述的一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置，其特徵在於:上試件(4 )和下試件(3 )通過螺紋孔與螺杆(2 )連接，材料試驗機(I)通過夾緊螺杆(2 )固定上試件(4)和下試件(3)。
5.根據權利要求1所述的一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置，其特徵在於:上試件(4)和下試件(3)各自的被聯接部位與支撐部位的連接處採用倒角處理。
6.根據權利要求1所述的一種測試單螺栓結合面切向靜態特性裝置，其特徵在於:上試件(4)和下試件(3)相互貼合形成的單螺栓結合面至少要完全覆蓋半徑為(高強螺栓墊片直徑+2X單個被聯結部厚度Xtan30° )的圓。
7.一種基於權利要求1所述裝置的測試單螺栓結合面切向靜態特性的方法，其特徵在於: 步驟1，測定下試件(3)和上試件(4)之間的靜摩擦係數，向高強螺栓(5)施加預緊力，通過設定材料試驗機(I)的加載速度以及大小為預緊力X靜摩擦係數的切向加載力，對下試件(3)、上試件(4)施加縱向的靜態拉力，即對單螺栓結合面施加了切向靜態拉力； 步驟2，在施加靜態拉力的過程中，動態應變儀、電渦流位移傳感器(6)、以及力傳感器(7)分別將高強螺栓應變信號、結合面切向位移變化信號以及靜態拉力信號傳輸至數據採集系統，然後輸出送至計算機，當材料試驗機(I)的加載力達到所設定的加載力大小時會自動停止； 步驟3，對靜態拉力γ以及單螺栓結合面切向位移量X進行多次重複性實驗，並進行曲線擬合得到靜態拉力I與切向位移量X的函數關係，即y=f (X)； 步驟4，對單螺栓結合面所受切向力即靜態拉力y，關於切向位移X求導，即得單螺栓結合部切向靜態剛度函數。
全文摘要
一種測試單螺栓結合面切向靜態特性的裝置與方法，屬於機械製造及結構力學領域。高強螺栓穿過上試件和下試件，使兩試件相互貼合形成單螺栓結合面，高強螺栓預埋了應變片，用於測量高強螺栓對結合面形成的法向預緊力；電渦流位移傳感器布置在下試件兩側，用於測量結合面切向位移變化量；兩試件通過螺杆與材料試驗機連接；材料試驗機搭載力傳感器為結合面施加切向靜態拉力。法向預緊力、切向靜態拉力、以及切向位移變化量通過數據採集系統送至計算機。通過三種數據的關係，利用計算機得到單螺栓結合面切向靜態特性。本發明保證了拉伸實驗時試件的對中性，極大減少了扭矩和彎矩對實驗的影響，解決了單螺栓結合面切向靜態特性難以測試的問題。
文檔編號G01M13/00GK103234741SQ20131013069
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15日
發明者蔡力鋼, 郝宇, 郭鐵能, 劉志峰, 張東梅 申請人:北京工業大學