CN103217278B - 一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法，包括材料试验机、两个螺杆、下试件、上试件、高强螺栓、无槽定位支架、有槽定位支架、电涡流位移传感器、力传感器、动态应变仪、模态测试系统和PC机。高强螺栓垂直穿过上试件和下试件，使上试件和下试件相互贴合构成结合面，高强螺栓预埋了应变片；电涡流位移传感器用于测量结合面法向位移变化量；上试件和下试件通过两个螺杆分别与材料试验机连接；材料试验机搭载力传感器并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器及测量静态力信号的力传感器将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机。

Description

一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法

技术领域

本发明涉及一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法，属于机械设计与制造领域。

背景技术

众所周知，机床乃至各类机械，为了满足各种功能、性能和加工要求以及运输上的方便，一般都不是一个连续的整体，而是由各种零件按照一定的具体要求组合起来的。称零件、组件、部件之间相互接触的表面为“机械结合面”，简称“结合面”，或称“接触面”。相互接触的零件、组件、部件称为结合部，而结合部又可以分为结合面以及被联结件，被联结件即为结合部除去结合面的部分，如图10所示。由于结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或系统不再具有连续性，进而导致了问题的复杂性。结合面存在着接触刚度和接触阻尼，因此从力学的角度分析结合面问题，可以说它和机械结构的静特性存在着十分密切的关系。而螺栓联接的结合面则是机械结构中最典型的结合面之一。

螺栓联接具有联接可靠、联接强度高、可拆卸、能自锁等优点。在一般的螺栓结合面中,当螺栓预紧后又受轴向工作载荷时，螺栓所受总的轴向拉力与螺栓刚度和结合部刚度有直接的关系。螺栓刚度容易获得，但对于结合部刚度来说，情况要复杂得多，至今也没有一个简明准确的计算方法。因此，有必要对螺栓结合面和结合面的刚度进行深入的研究。

影响结合面静态刚度特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

(1)结合面材质(包括材料、硬度等)；

(2)结合面的加工方法(常用的方法：车、铣、刨、磨等)；

(3)结合面的加工质量(包括表面粗糙度、波纹度、平面度)；

(4)结合面的介质状况(包括干结合面、有油结合面)；

(5)结合面的法向面压(简称面压)；

(6)结合面间的相对位移性质(法向位移、切向位移、转角)；

(7)结合面的功能(固定结合面、运动结合面等)；

(8)结合面处的结构类型和尺寸大小等。

这么众多的影响因素，再加之它们的影响规律又多种多样，而且有些因素相互间又有影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。

为了系统地研究和探明结合面静态特性与其基本影响因素之间的关系，并掌握结合面静态基础特性参数，需要一套完整的测试结合面静态特性的装置与方法。

发明内容

本发明的目的是设计一套通过材料试验机拉伸法向实验试件，使用力传感器和电涡流位移传感器分别获得材料试验机的拉力信号和法向实验试件结合面处的轴向位移信号，并利用模态测试系统将数据发送至PC机，综合结合部、被联结件、结合面三种刚度关系，得到结合面受力与结合部刚度之间的函数关系

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的装置，包括材料试验机(1)、两个螺杆(2)、下试件(3)、上试件(4)、高强螺栓(5)、无槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、电涡流位移传感器(9)、力传感器(10)、动态应变仪、模态测试系统和PC机；其特征在于：高强螺栓(5)垂直穿过上试件(4)和下试件(3)中心处的通孔，为高强螺栓(5)施加一定预紧力，使上试件(4)的端面和下试件(3)的端面相互贴合构成结合面，高强螺栓(5)预埋了应变片，应变片引出导线连接动态应变仪；无槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分别均匀固定在上试件(4)和下试件(3)外侧表面中心处，电涡流位移传感器(9)夹紧在有槽定位支架(8)上，无槽定位支架(7)提供电涡流位移传感器(9)的测距参考面，电涡流位移传感器(9)用于测量结合面法向位移变化量；上试件(4)和下试件(3)通两个螺杆(2)分别与材料试验机连接；材料试验机(1)搭载力传感器(10)并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器(9)及测量静态力信号的力传感器(10)将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机。

上试件(4)和下试件(3)完全相同，仅为了表述上更加清晰采用了不同的名称。它们所用材料、结构形状、表面粗糙度均相同。

所述电涡流位移传感器(9)采用型号为SV3300的电涡流趋近式传感器；所述力传感器(10)采用型号为BK55687的力传感器。

一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法，其特征在于：

步骤1，向高强螺栓施加预紧力，通过设定材料试验机(1)的加载速度以及不大于预紧力的加载力，对下试件(3)、上试件(4)施加纵向的静态拉力；

步骤2，在施加静态拉力的过程中，动态应变仪、电涡流位移传感器(9)、以及力传感器(10)分别将高强螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模态测试系统，然后输出送至PC机，当材料试验机(1)的加载力达到所设定的加载力大小时会自动停止；

步骤3，根据步骤2得到的数据进行分析，得到不同结合面受力所对应的结合部刚度，其中结合部是指上下试块。

首先，计算结合面受力y，计算公式为如下：

结合面受力y＝设定的高强螺栓预紧力-材料试验机(1)的加载力；

其次，对计算得到的结合面受力y，以及电涡流位移传感器(9)测量得到的结合面法向位移量x进行曲线拟合，即y＝f(x)，该曲线的导函数即为结合部刚度函数，即k＝y^；，提取一组结合面受力y_i，以及y_i对应的结合部刚度值k_i；

其中，

$k=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δ\δ}}$

其中，ΔF是结合面受力的改变量，Δδ是由于结合面受力而产生的法向位移改变量。

于是，对结合面受力关于法向位移求导即得结合部刚度。进行求导运算后可求得与此结合面受力范围对应的结合部刚度数据。

步骤4，改变施加给高强螺栓的预紧力，重新设定材料试验机(1)的加载速度以及加载力，得到多组结合面受力y_i，以及y_i对应的结合部刚度值k_i；

步骤5，将以上步骤所得的多组不同结合面受力范围对应的结合部刚度数据，进行多项式拟合，所得的拟合函数即为修正后的结合部刚度函数K，其中，当结合面受力y_i相同，对应的结合部刚度值k_i不同时，对结合部刚度值k_i求平均；

步骤6，计算被联结件的刚度k_m，计算方程式为：

$k_m=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Ed}\tan \mathrm{\α}}{\ln \left[\frac{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1-d)(d_1+d)}{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1+d)(d_1-d)}\right]}$

其中，d₁为高强螺栓垫片的外直径，d为高强螺栓直径，α为高强螺栓垫片有效作用包络角度，E为被联结件材料的弹性模量，t为单个被联结件的厚度；

所述的被联结件是指上下试块除去结合面的部分，单个被联结件是指上试块的厚度，由于上下试块完全相同，因此厚度也相同。

步骤7，根据上述修正后的结合部刚度函数K，以及被联结件的刚度k_m，得到高强螺栓结合面的刚度函数k_n，计算公式如下：

$k_n=\frac{1}{\frac{1}{K}-\frac{1}{k_m}}.$

利用该装置可获得各种结合条件(即各种不同的基本影响因素)下整体结构的法向静态特性参数曲线(即结合部的法向刚度曲线)，从中可提取出高强螺栓结合面的法向静态特性参数曲线。

本发明的优点在于：

(1)从实验装置(图1)可看出，减少了测量的物理量的个数，测试出来的特性参数仅仅是上下试件之间的结合面部分特性，而且采用的是直接测量法；

(2)本实验装置中的试件易于更换、易于定位，便于对影响结合面动态特性的各基本影响因素进行研究；

(3)由于仅仅是测试上下试件之间结合面的静态特性，所以能够保证高强螺栓结合面法向静态特性不受实验装置系统的影响，比较容易分离出来。

(4)数据处理的分析拟合方法简单易行但实用可靠，提高了高强螺栓结合面法向静态特性的数据处理的准确性；

附图说明

图1是测试高强螺栓结合面法向静态特性的系统框图。

图2是本发明测试高强螺栓结合面法向静态特性装置结构示意图。

图3是实施例被联结件结构示意图。

图4是实施例被联结件有效面积示意图。

图5是实施例在预紧力为10kn情况下位移-外加载荷曲线图。

图6是实施例在预紧力为10kn情况下位移-结合面受力曲线图。

图7是实施例在预紧力为10kn情况下所得的结合面受力-结合部刚度曲线图。

图8是实施例在多种预紧力情况下所得的结合面面压-结合部刚度曲线图。

图9是实施例面压-结合面刚度曲线图。

图中：1、材料试验机，2、螺杆，3、下试件，4、上试件，5、高强螺栓，6、M3螺丝，7、无槽定位支架，8、有槽定位支架，9、电涡流位移传感器，10、力传感器11、材料试验机上的滑枕

具体实施方式

下面结合工作原理和结构附图对本发明的测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法进一步详细说明。

如图1至9所示，两个螺杆2分别与上试件4和下试件3由螺纹连接，上试件4的方形端面和下试件3的方形端面相互贴合构成结合面。高强螺栓5穿过上试件4和下试件3中心处的通孔且与结合面垂直，在高强螺栓5上施加力以形成对结合面的预紧力。由此形成了高强螺栓结合面法向静态特性实验组件。螺杆2与上、下试件由螺纹连接，所以可以通过螺纹部位的旋转，使上下两个螺杆2自动调整到合适的对正位置，有效地去除了试件不对正受到的扭转力矩。螺杆2和压紧结合面的高强螺栓组件5为同轴心，去除了悬臂梁结构对实验结果的影响。

高强螺栓5中的螺杆里预埋了应变片，其引出导线连接动态应变仪，以此将高强螺栓5的应变信号传输到模态测试系统。

通过材料试验机1夹持两个螺杆2，并处于直立状态，以便材料试验机1对上、下试件之间结合面施加法向静态力。通过调整材料试验机上的滑枕11沿导轨纵向的移动，可以在材料试验机1上设定对实验组件施加的法向静态力以及静态力的施加速度。力传感器10连接材料试验机1，输出静态力信号。

上、下试件均为正方体，外侧四个面各有一个M3螺纹孔，每个试件上的四个M3螺纹孔均布在试件外侧四面靠近结合面的中间部位。用M3螺丝6将四个无槽定位支架6固定在上试件4外侧四面的螺纹孔处，用M3螺丝6将四个有槽定位支架8固定在下试件3外侧四面的螺纹孔处，将四个电涡流位移传感器9均布在结合面外侧的有槽定位支架8上，用两个螺母分别压紧在有槽定位支架的上下表面。电涡流位移传感器9通过导线连接模态测试系统，由电涡流位移传感器9与无槽定位支架7之间的位移变化，输出高强螺栓结合面处的位移信号至模态测试系统。

模态测试系统与PC机相连接，高强螺栓应变信号、静态力信号、位移信号通过模态测试系统处理后分别形成高强螺栓应变数据、静态力数据、位移数据，高强螺栓应变数据做以参考，通过本发明的高强螺栓结合面法向静态特性实验方法对静态力数据和位移数据进行处理，得到高强螺栓结合面静态刚度特性曲线。

利用本装置可以做下面两类实验：

(1)在一定的结合面条件下(结合面的面积、粗糙度、结合面之间的介质等一定的情况下)，保持静态拉力施加速度不变，改变对结合面施加的面压(通过对高强螺栓施加预紧力实现)，来探讨和研究结合面面压对结合面法向静刚度的影响。

(2)在一定的结合面条件下(结合面的面积、粗糙度、结合面之间的介质等一定的情况下)，保持对结合面施加的面压不变，改变静态拉力施加速度，来探讨和研究结合面静态特性与施加在结合面间静态力的关系。

实验时，上试件4和下试件3可以更换不同类型，可以是如C45-C45、HT250-HT250、Q235-Q235等不同材料，可以是粗磨1.6-粗磨1.6、细磨0.8-细磨0.8等不同表面粗糙度，还可以在上试件4和下试件3的接触表面均匀涂抹介质，如20号机械油。

获取结合面静态特性曲线是利用结合部、被联结件、结合面三种刚度关系然后数据拟合而得到的，由栓接结合面的结构可以知道，被联接件的刚度和结合面的刚度是串联，因此可以得到结合部刚度计算的基本方程式：

$\frac{1}{k}=\frac{1}{k_m}+\frac{1}{k_n}$

其中，k为结合部的刚度，k_m为被联接件的刚度，k_n为结合面的刚度。

由上式可得到结合面的刚度

$k_n=\frac{1}{\frac{1}{K}-\frac{1}{k_m}}$

其中，结合部刚度k可由电涡流位移传感器测试获取的结合面处位移数据和力传感器测试获取的静态加载力数据拟合得到。

计算被联结件刚度的基本方程式：

$k_m=\frac{F_m}{2\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Ed}\tan \mathrm{\α}}{\ln \left[\frac{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1-d)(d_1+d)}{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1+d)(d_1-d)}\right]}$

其中，k_m为被联结件刚度，F_m为螺栓预紧力，δ为结合面变形量，d₁为垫片的外直径，d为螺栓直径，α为有效包络角度，E为材料的弹性模量，t为单个被联接件的厚度(如图3所示，L是上下试件的总厚度，L＝2t)。

由以上理论分析及数据拟合过程即可提取出高强螺栓结合面法向静态特性曲线。以上、下试件间无介质、加以规格为M16的高强螺栓、材料为C45、粗糙度为粗磨1.6的工件做为上下试件为实施例，具体分析拟合过程如下：

1.设定实验相关基础数值

通过材料试验机利用滑枕沿导轨纵向移动为上下试件施加静态力，施加在高强螺栓的预紧力为10kn，材料试验机施加在实验组件的静态拉力速度为3kn/min，静态拉力施加结束值为10kn。

2.提取位移-外加载荷曲线图

模态测试系统处理静态力信号、位移信号后分别形成一组静态力数据、四组位移数据，并传输至PC机。一组静态力数据即为一组外加载荷数据；利用数据处理相关软件，如ORIGIN、MATLAB等，对四组位移数据进行均值处理，即得到一组平均位移数据。

利用一组外加载荷数据和一组平均位移数据，即可得到如图5所示的在预紧力为10kn情况下位移-外加载荷曲线图。

3.提取位移-结合面受力曲线图

求结合面受力，有：结合面受力＝预紧力-外加载荷，通过已知高强螺栓预紧力和一组外加载荷数据，即可得到一组结合面受力数据。

利用一组结合面受力数据和一组平均位移数据，利用多项式拟合即可得到如图6所示的在预紧力为10kn情况下位移-结合面受力曲线图，多项式阶数在6到9之间，此处为6。

4.提取结合面受力-结合部刚度曲线图

结合部刚度的计算公式有

$k=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δ\δ}}$

其中，ΔF是结合面受力的改变量，Δδ是由于结合面受力而产生的位移改变量。

于是，将步骤3中得到的位移-结合面受力函数关于位移求导，即求图6所示的在预紧力为10kn情况下位移-结合面受力曲线图每一点的斜率，并结合每一点对应的结合面受力，可以得到如图7所示的在预紧力为10kn情况下结合面受力-结合部刚度曲线图，同时形成一组在预紧力为10kn情况下结合部刚度数据，其中结合面受力-结合部刚度曲线由多项式拟合得到，多项式阶数在6到9之间，此处为6。

5.提取多组在不同预紧力情况下结合面受力-结合部刚度曲线图

重新设定实验相关基础数值，通过调整滑枕沿导轨纵向的移动，改变施加在高强螺栓组件的预紧力分别为20kn、30kn、40kn、50kn，材料试验机施加在实验组件的静态拉力速度为6kn/min、9kn/min、12kn/min、15kn/min，静态拉力施加结束值为20kn、30kn、40kn、50kn。在不同的实验相关基础数值情况下，对同一实验组件分别进行相同的实验操作过程以及分析拟合过程。如此可得到四组类似图7的不同预紧力情况下结合面受力-结合部刚度曲线图，同时形成四组在不同预紧力情况下结合部刚度数据。

6.提取实施例结合面受力-结合部刚度曲线图

对已得到的五组在不同预紧力情况下结合部刚度数据进行处理，当结合面受力y_i相同，对应的结合部刚度值k_i不同时，对结合部刚度值k_i求平均，即得到此实施例的结合部刚度数据。根据结合面受力数据，以及处理后的结合部刚度数据拟合得到修正后的结合部刚度函数K。修正后的结合部刚度函数采用多项式拟合得到，多项式阶数在6到9之间，此处为6。

进一步，结合面受力数据除以结合面面积即得到结合面面压数据，与结合部刚度数据拟合后可以得到如图8所示的实施例在多种预紧力情况下所得的结合面面压-结合部刚度曲线图，即此实施例的结合面面压-结合部刚度曲线图。

7.计算被联结件刚度

结合图3所示的实施例被联结件结构示意图和图4所示的实施例被联结件有效面积示意图。被联结件有效面积为螺栓垫片的外圆向外包络α角度范围内所覆盖的面积。

计算被联结件刚度的基本方程式：

$k_m=\frac{F_m}{2\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Ed}\tan \mathrm{\α}}{\ln \left[\frac{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1-d)(d_1+d)}{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1+d)(d_1-d)}\right]}$

F_m为螺栓预紧力，δ为结合面变形量，d₁为垫片的外直径，d为螺栓直径，α为有效包络角度，E为材料的弹性模量，t为单个被联接件的厚度(L＝2t)。

对于此实施例，d₁＝33×10^-3m，d＝16×10^-3m，α＝30°，E＝200×10⁹，t＝20×10^-3m

8.提取结合面受力-结合面刚度曲线图，面压-结合面刚度曲线图。

由栓接结合面的结构可以知道，被联接件的刚度和结合面的刚度是串联，因此可以得到结合部刚度计算的基本方程式：

$\frac{1}{k}=\frac{1}{k_m}+\frac{1}{k_n}$

其中，k为结合部的刚度，k_m为被联接件的刚度，k_n为结合面的刚度。

由上式可得到结合面的刚度

$k_n=\frac{1}{\frac{1}{K}-\frac{1}{k_m}}$

即通过已求得的被联接件的刚度数据与结合部的刚度数据可以得到结合面的刚度。

于是容易得到结合面受力-结合面刚度曲线图，以及如图9的实施例面压-结合面刚度曲线图。

9.由图9可知，在此实施例中，当结合面的面压小于5MPa时，结合面的法向接触刚度与结合面面压成非线性关系，并随之增大而增大；当结合面面压大约大于5MPa时，结合面的刚度值几乎不再增加。所得结果与公认的结合面静态特性一致，证明了此测试高强螺栓结合面法向静态特性装置与方法的可靠性与正确性。

Claims (1)

1.一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法，基于测试高强螺栓结合面法向静态特性的装置，包括材料试验机(1)、两个螺杆(2)、下试件(3)、上试件(4)、高强螺栓(5)、无槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、电涡流位移传感器(9)、力传感器(10)、动态应变仪、模态测试系统和PC机；其特征在于：高强螺栓(5)垂直穿过上试件(4)和下试件(3)中心处的通孔，为高强螺栓(5)施加一定预紧力，使上试件(4)的端面和下试件(3)的端面相互贴合构成结合面，高强螺栓(5)预埋了应变片，应变片引出导线连接动态应变仪；无槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分别均匀固定在上试件(4)和下试件(3)外侧表面中心处，电涡流位移传感器(9)夹紧在有槽定位支架(8)上，无槽定位支架(7)提供电涡流位移传感器(9)的测距参考面，电涡流位移传感器(9)用于测量结合面法向位移变化量；上试件(4)和下试件(3)通两个螺杆(2)分别与材料试验机连接；材料试验机(1)搭载力传感器(10)并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器(9)及测量静态力信号的力传感器(10)将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机；其特征在于：

步骤1，向高强螺栓施加预紧力，通过设定材料试验机(1)的加载速度以及不大于预紧力的加载力，对下试件(3)、上试件(4)施加纵向的静态拉力；

步骤2，在施加静态拉力的过程中，动态应变仪、电涡流位移传感器(9)、以及力传感器(10)分别将高强螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模态测试系统，然后输出送至PC机，当材料试验机(1)的加载力达到所设定的加载力大小时会自动停止；

步骤3，根据步骤2得到的数据进行分析，得到不同结合面受力所对应的结合部刚度，

首先，计算结合面受力y，计算公式为如下：

结合面受力y＝设定的高强螺栓预紧力-材料试验机(1)的加载力；

其次，对计算得到的结合面受力y，以及电涡流位移传感器(9)测量得到的结合面法向位移量x进行曲线拟合，即y＝f(x)，该曲线的导函数即为结合部刚度函数，即k＝y^；，提取一组结合面受力y_i，以及y_i对应的结合部刚度值k_i；

步骤4，改变施加给高强螺栓的预紧力，重新设定材料试验机(1)的加载速度以及加载力，得到多组结合面受力y_i，以及y_i对应的结合部刚度值k_i；

步骤5，将以上步骤所得的多组不同结合面受力范围对应的结合部刚度数据，进行多项式拟合，所得的拟合函数即为修正后的结合部刚度函数K，其中，当结合面受力y_i相同，对应的结合部刚度值k_i不同时，对结合部刚度值k_i求平均；

步骤6，计算被联结件的刚度k_m，计算方程式为：

$k_m=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Ed}\tan \mathrm{\α}}{\ln \left[\frac{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1-d)(d_1+d)}{(2t\tan \mathrm{\α}+d_1+d)(d_1-d)}\right]}$

其中，d₁为高强螺栓垫片的外直径，d为高强螺栓直径，α为高强螺栓垫片有效作用包络角度，E为被联结件材料的弹性模量，t为单个被联接件的厚度；

步骤7，根据上述修正后的结合部刚度函数K，以及被联结件的刚度k_m，得到高强螺栓结合面的刚度函数k_n，计算公式如下：

$k_n=\frac{1}{\frac{1}{K}-\frac{1}{k_m}}.$