CN103411767A - 具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够对机械连接紧固件进行模拟真实工况的轴向与径向动态加载的可靠性试验台。主要由振动动力源、动态加载及测量机构和工作台机构组成，所述振动动力源通过连杆与动态加载及测量机构的轴相连接；所述工作台机构与动态加载及测量机构的双头螺柱b相连接；振动动力源包括三相异步电动机、电机支架、偏心套、连杆、深沟球轴承；动态加载及测量机构包括轴、直线轴承箱式单元、直线轴承支架、拉压力传感器、双头螺柱、弹性单元；本发明通过调节双头螺柱机构实现紧固件动态载荷加载幅值的控制，能实时检测动态加载力的大小，模拟真实工况，控制和调节方式简洁实用、适用范围广。

Description

具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台

技术领域

本发明涉及一种应用于机械连接紧固件防松性能的可靠性试验装置，更确切地说，本发明涉及一种能够对机械连接紧固件进行模拟真实工况的轴向与径向动态加载的可靠性试验台。

背景技术

在所有的紧固件连接中，螺纹连接具有预紧、连接、紧固和密封等功能，由于其可拆卸、价格低、互换性强、已标准化等特点，得到了广泛的应用。但正是因为螺纹连接的可拆卸、可互换等特点，在高速运转、振动强烈的机械设备中，螺纹连接经常出现松动、松脱、疲劳断裂等故障模式，造成大量的设备损坏、人员伤亡以及经济损失。随着机械设备向高速化、精密化方向发展，螺纹紧固件连接的防松问题变得越来越突出。因此，当对螺纹连接具有较高的要求时，现有的定量或定性分析就显得无能为力，不能满足很多重要机器设备中关键件的螺栓连接的要求。例如，机床在加工过程中由于存在自激振动和受迫振动，设备机械连接件承受不同频率、不同幅值的交变载荷，经常导致机械连接紧固件出现松动，造成严重的故障。据统计，对于机床设备而言，很多故障都是由于紧固件松动造成的。因此需要对紧固件进行防松设计，提高紧固件的可靠性。而在防松设计时，需要研究紧固件的松动特性和松动原理，以及对拧紧力矩的控制等问题，这些都需要对紧固件进行大量模拟真实工况的可靠性试验并获取故障数据。然而，目前很多企业或者科研院所，很少有这样的试验装置。

本发明提供了一种具有模拟真实工况的双向（轴向与径向）动态加载的紧固件可靠性试验装置，根据紧固件在机械连接中所承受的动态载荷（通过测量获取的振动频率和振幅），通过该装置可以分别对紧固件进行轴向和径向模拟真实工况的可靠性试验，一方面为研究紧固件的松动特性和松动原理提供有效的试验数据，完成对紧固件的防松设计和拧紧力矩控制，提高紧固件在机械连接中的可靠性；另一方面通过该装置可以对设备采购的紧固件进行可靠性台架试验并采集可靠性数据，实现对采购的紧固件的可靠性评价和筛选。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前紧固件试验装置中不能对紧固件分别进行轴向和径向动态加载,本发明提供了一种对紧固件进行轴向与径向动态加载的可靠性试验台。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，主要由振动动力源部分、动态加载及测量机构部分和工作台机构部分组成，

所述振动动力源部分由通过电机支架3固定在地平铁13上的三相异步电动机1、与三相异步电动机1的输出轴固定连接的偏心套16、固定在偏心套16上的深沟球轴承18和固定在深沟球轴承18上的连杆17组成。

所述动态加载及测量机构由通过直线轴承支架12固定在地平铁13上的直线轴承箱式单元4及其内部的依次连接的拉压力传感器6、双头螺柱a7、弹性单元8和双头螺柱b9组成；

所述工作台机构主要由固定在地平铁13上的两个对称的紧固件松动试验测试机构支架11、固定在紧固件松动试验测试机构支架11上的紧固件松动试验测试机构10组成；

所述振动动力源部分通过连杆17与动态加载及测量机构部分的轴5相连接；所述工作台机构部分与动态加载及测量机构部分的双头螺柱b9相连接。

所述电机支架3断面成呈“工”字型，上平面开有螺纹孔，下平面开有四个U型槽；

所述偏心套16为三级阶梯轴，前两级阶梯轴的轴心共线，但与第三级阶梯轴轴心不共线，偏心套16的第三级阶梯轴的右侧轴端面开有盲孔，孔内侧有键槽和螺纹孔；偏心套16第一级阶梯轴上安装深沟球轴承18，用弹性挡圈21轴向固定；

所述连杆17一端为套筒，套筒外焊有筋板，在筋板的另一端开有通孔；连杆17固定在深沟球轴承18上，端盖20固定在连杆17的左端面上。

所述的轴5左端设有孔，右端设有螺纹；所述的直线轴承支架12断面成呈“工”字型，上平面设有螺纹孔，下平面设有四个U型槽；所述的双头螺柱a7的两端为反向螺纹，中间设有对称的凹台，用于扳手对载荷进行调节；

所述的弹性单元8由两个结构相同的平板、两个结构相同的套筒、两个规格相同的螺栓和螺母组成，其中平板为长方形平板，中间设置有螺纹孔，两侧各有一个通孔，两个套筒的内径与平板两侧通孔相同，两个螺栓穿过一块平板两侧的通孔、套筒和另一块平板两侧的通孔，通过螺母将两个平板与套筒固定连接。

所述紧固件松动试验测试机构10主要由轴向加载套23、径向加载板24、可换锥垫34、支撑板25、中心轴a26、中心轴b36、活动侧板28、可换夹具32、压力传感器33和夹具体定位支撑螺钉31组成；

所述的径向加载板24下端底板中心开有锥孔，内置可换锥垫34，所述可换锥垫34通过放置相配合的测试螺钉35与径向加载板24固定连接；

所述的支撑板25顶面一侧设有凸台，凸台的内侧依次排布有二十个孔，支撑板25的两个侧面对应分布有四个螺纹孔和一个光孔，支撑板25底部中心开有阶梯通孔；所述的支撑板25顶面安装有滚针，滚针上面放置径向加载板24，通过测试螺钉35将径向加载板24定位安装在支撑板25上；

所述的活动侧板28为长方形钢板，设有四个光孔、一个轴孔、四个沉孔和二十个盲孔，所述盲孔用于安装滚针；

所述中心轴b36小径端过盈安装于活动侧板28和紧固件松动试验测试机构支架11的轴孔内，所述中心轴b36大径端与支撑板25的盲孔过渡配合；

所述可换夹具32为套筒式结构，轴心设有阶梯孔，上端孔为螺纹孔；

所述支撑板25一侧面设置夹具体定位支撑螺钉31，所述夹具体定位支撑螺钉31插入可换夹具32端面的槽中；所述支撑板25底部阶梯通孔内放置压力传感器33。

所述中心轴a26小径端直接安装于紧固件松动试验测试机构支架11上，所述中心轴a26大径端与支撑板25的盲孔过渡配合。

所述的径向加载板24上端与轴向加载套23下端固定连接，所述径向加载板24下端与双头螺柱b9螺纹连接；

所述轴向加载套23与双头螺柱b9螺纹连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台通过调节电动机转速实现紧固件动态载荷加载频率的控制，通过调节双头螺柱机构实现紧固件动态载荷加载幅值的控制，控制和调节方式简洁实用、适用范围广。

2.本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台设置了可进行轴向或径向加载的机构，这样可以模拟机器设备中紧固件的不同（承受轴向和径向载荷）受力状况，加大了试验装置的适用范围。

3.本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台采用了直线轴承将偏心机构输出的圆周运动转变成轴的直线往复运动，并且采用了弹性元件（防止过载）解决了刚性连接的问题。

4.本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的双头螺柱的左端连接拉压力传感器，能实时检测动态加载力的大小，模拟真实工况。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台径向加载连接机构的轴侧投影图；

图2是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的振动动力源部分的左视图；

图3a是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台机构的主视图；

图3b是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台机构的左视图；

图3c是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台机构的主视图的A-A剖视图、

图3d本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台机构的左视图的B-B剖视图；

图3e是图3d中含有滚针部位的局部放大图；

图3f是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作台机构的左视图的C向视图；

图4是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台轴向加载连接机构的轴测投影图；

图5是本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的检测系统框图

图中：1.三相异步电动机；2.偏心机构；3.电机支架；4.直线轴承箱式单元；5.轴；6.拉压力传感器；7.双头螺柱a；8.弹性单元；9.双头螺柱b；10.紧固件松动试验测试机构；11.紧固件松动试验测试机构支架；12.直线轴承支架；13.地平铁；14.控制台；15.平键；16.偏心套；17.连杆；18.深沟球轴承；19.螺钉；20.端盖；21.轴用弹性挡圈；22.紧定螺钉；23.轴向加载套；24.径向加载板；25.支撑板；26.中心轴a；27.支撑板连接螺钉；28.活动侧板；29.滚针；30.活动侧板连接螺钉；31.夹具体定位支撑螺钉；32.可换夹具；33.压力传感器；34.可换锥垫；35.测试螺钉；36.中心轴b

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台由振动动力源、动态加载及测量机构和工作台机构组成。

一.振动动力源

参阅图1和图2，所述的振动动力源包括三相异步电动机、电机支架、变频器、偏心套、平键、连杆、深沟球轴承、螺钉（6个）、端盖、轴用弹性挡圈和紧定螺钉等组成。

所述的电机支架3断面成呈“工”字型，上平面开有螺纹孔，下平面开有四个U型槽，用于固定在地平铁13上；所述的偏心套16为三级阶梯轴，前两级阶梯轴的轴心共线，但与第三级阶梯轴轴心不共线（偏心距为e），偏心套16的第三级阶梯轴的右侧轴端面开有盲孔，孔内侧有键槽和螺纹孔；所述的连杆17一端为套筒，套筒外焊有筋板，在筋板的另一端开有通孔。

三相异步电动机1通过螺栓固定在电机支架3上，电机支架3通过T型螺栓固定在地平铁13左上角。三相异步电动机1的输出轴通过平键15和紧定螺钉22与偏心套16固定连接，通过平键15传递电机输出扭矩，通过紧定螺钉22将偏心套轴向定位于电机轴上。偏心套16第一级阶梯轴上安装深沟球轴承18，通过轴用弹性挡圈21轴向固定。连杆17安装在深沟球轴承18上，端盖20通过螺钉固定在连杆17的左端面上。

二.动态加载及测量机构

参阅图1，所述的动态加载及测量机构包括轴、直线轴承箱式单元、直线轴承支架、拉压力传感器、双头螺柱、弹性单元（包括两块平板、两个套筒、两个螺栓和螺母）等组成。

所述的直线轴承箱式单元4内装轴承座和直线轴承；所述的轴5左端开有孔，右端有螺纹；所述的直线轴承支架12断面成呈“工”字型，上平面开有螺纹孔，下平面开有四个U型槽；所述的双头螺柱a7的两端为反向螺纹，中间开有对称的凹台，便于用扳手对载荷进行调节；所述的弹性单元8由2个结构相同的平板、2个结构相同的套筒、2个规格相同的螺栓和螺母组成，其中平板为一长方形平板，中间设置有螺纹孔，两侧各有一个通孔，2个套筒的内径与平板两侧通孔一样大，两个螺栓穿过平板两侧的通孔、套筒和另一块平板两侧的通孔，通过螺母将两个平板与套筒固定连接在一起，弹性装置可以吸收部分位移但可以传递力。（弹性单元的固有频率应大于激振频率二倍以上）

轴5的左端通过螺栓与连杆17相连。直线轴承箱式单元4内装轴承套在轴5上，直线轴承箱式单元4通过螺钉安装在直线轴承支架12上，直线轴承支架12通过T型螺栓固定在地平铁13上。轴5的右端与拉压力传感器6左端螺纹连接，拉压力传感器6的右端通过螺纹孔与双头螺柱a7左端连接，弹性单元8的左端平板通过螺纹与双头螺柱a7右端连接，弹性单元8右端平板通过螺纹与双头螺柱b9左端连接。

三.工作台机构

参阅图1、图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f，所述的工作台机构包括紧固件松动试验测试机构支架（2个）、轴向加载套、径向加载板、双头螺柱、螺母、滚针（20个）、锥垫、支撑板、支撑板连接螺钉（8个）、中心轴（2个）、活动侧板、活动侧板连接螺钉（4个）、可换夹具、压力传感器和夹具体定位支撑螺钉等组成。

所述的紧固件松动试验测试机构支架11由两个对称的开口向外的L型钢板组成，L型钢板的竖直面上开有对称的弧形槽，弧形槽中心有通孔，L型钢板的底脚水平面上开有两个U型槽，用于将支架固定在地平铁13上；所述的径向加载板24上端为圆筒型，圆筒内侧有螺纹，与轴向加载套23下端螺纹连接，下端底板为为倒L型，底板（“L”型长边部分）中心有凸台，凸台中心开有锥孔（内置用于模拟真实工况的可换锥垫34），底板一外侧面（“L”型短边部分）中间部位开有螺纹孔，与双头螺柱b9（双头螺柱b9中间开有对称的凹台，便于用扳手拧紧与调整）螺纹连接，实现径向加载时传递径向载荷；所述的轴向加载套23为阶梯轴，通过下端的外螺纹与径向加载板24上端螺纹连接，轴向加载时，通过加载套上端的螺纹孔与双头螺柱b9连接传递轴向载荷；所述的支撑板25顶面一侧有凸台，有凸台的内侧依次排布有二十个孔，支撑板25的两个侧面对应分布有四个螺纹孔和一个光孔，支撑板25底部中心开有阶梯通孔；所述的活动侧板28（便于安装20个滚针，设计时一侧有活动侧板，另一侧无活动侧板）为一块长方形钢板，钢板上分布有四个光孔、一个轴孔、四个沉孔和20个盲孔。试验时，支撑板连接螺钉27穿过紧固件松动试验测试机构支架11、活动侧板28的四个光孔螺纹连接于支撑板25上，将支撑板25固联于紧固件松动试验测试机构支架11上。活动侧板连接螺钉30穿过四个沉孔将活动侧板28螺纹连接于支撑板25上。活动侧板28内侧上方均布有二十个盲孔，用于安装二十个滚针29（滚针的另一端插入支撑板25有凸台侧对应的盲孔中），径向加载板24置于滚针上。所述的中心轴b36小径端过盈安装于活动侧板28和紧固件松动试验测试机构支架11的轴孔内，大径端与支撑板25的盲孔过渡配合；所述的中心轴a26小径端直接安装于紧固件松动试验测试机构支架11上，大径端与支撑板25的盲孔过渡配合；当径向加载向轴向加载转换时，松开支撑板连接螺钉27，把持轴向加载套23使紧固件松动试验测试机构10绕中心轴a26、b36旋转90度，之后拧紧支撑板连接螺钉27紧固即可，反之亦然。所述的可换夹具32采用套筒式结构，其轴心有阶梯孔，上端孔为螺纹孔，用于安装受试的紧固件35，不同的夹具外径不变，内径螺纹孔大小不一，以满足不同规格紧固件可靠性试验的需求。此外，支撑板25一侧面设置夹具体定位支撑螺钉31插入可换夹具32端面的槽中，起到对夹具进行定位和支撑的作用。支撑板25底部阶梯通孔内放置压力传感器33，用于实时检测和监控受试紧固件的夹紧力和松动状况。

具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的工作原理：

参阅图1，图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f和图5，图1中给出了具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台的径向加载试验示意图，将要测试的螺栓安装在夹具的螺纹孔中，结合实际工况下动态载荷的频率和幅值，通过工控机控制PLC，PLC控制变频器调节电机的转速，达到需要的频率，通过偏心机构对紧固件进行交变的动态力加载（偏心运动导致轴5在直线轴承单元内往复运动，通过弹性单元8对机械连接件施加动态载荷），双头螺柱a7左右两端分别连接拉压力传感器和弹性单元，拉压力传感器用来实时检测动态加载力的大小，检测信号经放大、模/数转换传输至工控机，并在显示器中显示，控制台14设有控制面板、显示器、PLC和变频器。弹性单元吸收位移但不改变加载力的大小，同时起过载保护作用，双头螺柱a7两端为反向螺纹，通过旋转双头螺柱来调节动态加载力的大小，模拟实际工况下的载荷。双头螺柱b9将动态力传递给测试机构（径向加载时双头螺柱b9与径向加载板24连接，轴向加载时双头螺柱b9与轴向加载套23连接）。在模拟实际工况的交变载荷的作用下，使螺栓连接松动，导致夹紧力减少甚至是完全丧失，通过夹具处的压力传感器实时检测夹紧力的大小，检测信号经放大、模/数转换传输至工控机，并在显示器中显示出夹紧力随时间变化的曲线。根据记录的数据对比可以判定紧固件的松动特性。在试验过程中，夹紧力减少地越慢，防松性能越好；反之，夹紧力减少的越快，防松性能越差。

本发明明确了试验台各个机构，其中包括动态载荷的调节装置、弹性单元以及径向和轴向可靠性试验转变的装置。如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，主要由振动动力源、动态加载及测量机构和工作台机构组成，其特征在于：

所述振动动力源由通过电机支架（3）固定在地平铁（13）上的三相异步电动机（1）、与三相异步电动机（1）的输出轴固定连接的偏心套（16）、固定在偏心套（16）上的深沟球轴承（18）和固定在深沟球轴承（18）上的连杆（17）组成；

所述动态加载及测量机构由通过直线轴承支架（12）固定在地平铁（13）上的直线轴承箱式单元（4）及其内部的依次连接的拉压力传感器（6）、双头螺柱a（7）、弹性单元（8）和双头螺柱b（9）组成；

所述工作台机构主要由固定在地平铁（13）上的两个对称的紧固件松动试验测试机构支架（11）、固定在紧固件松动试验测试机构支架（11）上的紧固件松动试验测试机构（10）组成；

所述振动动力源通过连杆（17）与动态加载及测量机构的轴（5）相连接，所述工作台机构与动态加载及测量机构的双头螺柱b（9）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述偏心套（16）为三级阶梯轴，前两级阶梯轴的轴心共线，但与第三级阶梯轴轴心不共线，偏心套（16）的第三级阶梯轴的右侧轴端面开有盲孔，孔内侧有键槽和螺纹孔；偏心套（16）第一级阶梯轴上安装深沟球轴承（18），用弹性挡圈（21）轴向固定；

所述连杆（17）一端为套筒，套筒外焊有筋板，在筋板的另一端开有通孔；连杆（17）固定在深沟球轴承（18）上，端盖（20）固定在连杆（17）的左端面上。

3.根据权利要求1所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述轴（5）左端设有孔，右端设有螺纹；所述的直线轴承支架（12）断面成呈“工”字型，上平面设有螺纹孔，下平面设有四个U型槽；所述的双头螺柱a（7）的两端为反向螺纹，中间设有对称的凹台，用于扳手对载荷进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述紧固件松动试验测试机构（10）主要由轴向加载套（23）、径向加载板（24）、可换锥垫（34）、支撑板（25）、中心轴a（26）、中心轴b（36）、活动侧板（28）、可换夹具（32）、压力传感器（33）和夹具体定位支撑螺钉（31）组成；

所述径向加载板（24）上端与轴向加载套（23）下端固定连接，所述径向加载板（24）下端底板中心开有锥孔，内置可换锥垫（34），所述可换锥垫（34）通过放置相配合的测试螺钉（35）与径向加载板（24）固定连接；

所述支撑板（25）顶面一侧设有凸台，凸台的内侧依次排布有二十个孔，支撑板（25）的两个侧面对应分布有四个螺纹孔和一个光孔，支撑板（25）底部中心开有阶梯通孔；所述的支撑板（25）顶面安装有滚针，滚针上面放置径向加载板（24），通过测试螺钉（35）将径向加载板（24）定位安装在支撑板（25）上；

所述中心轴b（36）小径端过盈安装于活动侧板（28）和紧固件松动试验测试机构支架（11）的轴孔内，所述中心轴b（36）大径端与支撑板（25）的盲孔过渡配合；所述中心轴a（26）小径端直接固定在紧固件松动试验测试机构支架（11）上，所述中心轴a（26）大径端与支撑板(25)的盲孔过渡配合。

5.根据权利要求4所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述活动侧板（28）为长方形钢板，设有四个光孔、一个轴孔、四个沉孔和二十个盲孔，所述盲孔用于安装滚针；

所述可换夹具（32）为套筒式结构，轴心设有阶梯孔，上端孔为螺纹孔；

所述支撑板（25）一侧面设置夹具体定位支撑螺钉（31），所述夹具体定位支撑螺钉（31）插入可换夹具（32）端面的槽中；所述支撑板（25）底部阶梯通孔内放置压力传感器（33）。

6.根据权利要求4所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述径向加载板（24）与双头螺柱b（9）螺纹连接。

7.根据权利要求4所述的一种具有双向载荷模拟功能的机械连接紧固件可靠性试验台，其特征在于：

所述轴向加载套（23）与双头螺柱b（9）螺纹连接。

Images