CN104359595B - 一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法，间接测量装配结合面应力分布的系统包括：感压纸、应变片、压力传感器、显示装置、扫描仪和计算机。间接测量装配结合面应力分布的方法为：首先，建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系，通过将感压纸放入部件Ⅰ与部件Ⅱ的结合面之间一段时间后取出，扫描仪将感压纸的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机，计算机绘制出结合面应力等值线图，应力等值线在邻侧面上的延伸线上粘贴应变片；然后，通过测量应变片的应力即可确定结合面的应力分布。本发明公开的是一种新的测量装配结合面应力分布的方法，利用本发明测量应力分布成本低、且方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及装配测量技术领域，具体为一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法。
背景技术
相关专利公开了装配结合应力分布测量方法，但主要通过在装配结合面置入压力薄膜传感器或感压膜进行直接测量。专利CN201983892U公开了一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，包括安装在螺栓头部、用于测量螺栓预紧力的垫片式压力传感器，用于测量结合面应力分布的压力薄膜传感器，用于显示垫片式压力传感器、压力薄膜传感器波形的示波器，用于采集垫片式压力传感器、压力薄膜传感器信号的计算机等。专利CN102032964A公开了一种感压膜及其使用方法，通过将感压膜放置在需要测量压力的第一表面和第二表面之间用于测量结合面之间的压力，且会根据应力的大小表现出不同的颜色，通过图像分析仪得知压力分布。专利US6829944B1公开了一种紧固装置等值线比较方法，针对螺栓处于张紧状态，根据其受力变形绘制多条压力等值线。
应用感压纸测试不同预紧力作用下机床装配结合面应力分布规律过程发现：装配结合面应力等值线具有“几何特征稳定性”特征，即在载荷作用位置及方向不变情况下，随载荷大小改变，各等值线数值随载荷显著变化，但结合部上应力等值线形状、位置相对稳定。根据该规律，针对基准预紧力绘制结合面应力等值线图后，则相当于获得结合面应力分布基本形态，只要确定不同大小载荷作用下各应力等值线的数值，则可以确定相应载荷下的装配结合面应力分布。而装配体中的应力传递具有连续性特征，在结合部连接边缘不发生局部应力集中情况下，结合面上的一些应力等值线必然有部分延伸到临侧面上。在获取结合面应力等值线形态基础上，通过测试临侧面相应位置应力，则可实现装配结合面应力分布间接测量。
发明内容
本发明针对设备在工作中装配结合面应力测试设备昂贵、成本较高且受接触界面的几何特性和安装位置等因素的影响操作复杂的问题，而提出一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法，本发明利用应力分布的连续性原理，建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系，通过测量邻侧面的应力来确定结合面的应力分布。
本发明的技术手段如下：
一种间接测量装配结合面应力分布的系统，部件Ⅰ与部件Ⅱ通过螺栓把合，部件Ⅰ与部件Ⅱ相贴合的面为结合面，与结合面相邻的侧面为邻侧面，其特征在于所述间接测量装配结合面应力分布的系统包括：
安装在部件Ⅱ侧的螺栓头部、用于测量所述螺栓预紧力的压力传感器；
用于测量所述结合面应力分布的感压纸；所述感压纸夹设在所述部件Ⅰ和部件Ⅱ的结合面之间；当给所述感压纸施加应力时，感压纸会根据应力的大小表现出不同的颜色；
设置在所述部件Ⅱ邻侧面上的多个应变片；
与所述压力传感器和所述应变片连接，用于显示压力传感器和应变片所测数值的显示装置；
用于将所述感压纸颜色分布情况扫描成图像的扫描仪；
以及计算机；所述扫描设备扫描出的图像输入到所述计算机，所述计算机根据图像绘制所述结合面的多条应力等值线；
所述应变片设置在所述应力等值线在所述邻侧面的延伸线上。
进一步地，所述显示装置为应变仪。
进一步地，和结合面应力变化快的部位相对应的邻侧面位置设置的应变片密，和结合面应力变化缓慢的部位相对应的邻侧面位置设置的应变片疏。
进一步地，所述应变片为电阻应变片，所述电阻应变片为长方形，所述应变片的长边垂直于所述结合面与邻侧面的交线，所述多个应变片平行设置，且与所述交线的距离相等，所述应变片与所述交线的距离为0～5mm；所述相邻应变片之间的距离为0～30mm。
进一步地，所述压力传感器为电阻应变式压力传感器。
一种间接测量装配结合面应力分布的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A：建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系；
A1：在部件Ⅱ侧的螺栓头部安装压力传感器，将压力传感器与用于显示压力传感器测量数据的显示装置连接；
A2：部件Ⅰ与部件Ⅱ的结合面中间放入感压纸，将部件Ⅰ与部件Ⅱ的结合面紧密贴合且通过安装有压力传感器的螺栓固定连接；
A3：给螺栓施加基准预紧力，达到感压纸测量压力所需要的时间后，撤去基准预紧力并取出感压纸，用扫描仪将感压纸的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机中，计算机通过感压纸颜色的深浅程度分析出结合面应力分布情况，并绘制部件Ⅱ的结合面应力等值线图；
A4：选取n条应力等值线，在n条应力等值线邻侧面的延伸线上的相应位置粘贴n个应变片，n为大于零的整数，应变片靠近结合面与邻侧面的交线粘贴；将应变片与用于显示应变片测量数据的显示装置连接；这样n片应变片测得的应力就和n条应力等值线建立了一一对应关系，即建立了邻侧面应力与结合面应力分布对应关系；
步骤B：通过测量邻侧面应力确定结合面应力分布；
部件Ⅰ与部件Ⅱ装配完成后，结合面间不用再放入感压纸，即可根据建立的邻侧面与结合面应力分布对应关系，通过测量应变片的应力值确定结合面应力分布。
进一步地，所述显示装置为应变仪；所述应变片为电阻应变片；所述压力传感器为电阻应变式压力传感器；和结合面应力变化快的部位相对应的邻侧面位置设置的应变片密，和结合面应力变化缓慢的部位相对应的邻侧面位置设置的应变片疏。
本发明为装配结合面的应力分布的测量提供了一种新的系统和测量方法，该方法的有益效果是：通过测量装配结合面的邻侧面的应力，间接获取结合面的应力分布情况，不用破坏结合面的接触状态，且不影响机床机构的装配和实用。该发明的间接测量装配结合面应力分布的系统采用压力传感器、应变片、感压纸、应变仪、扫描仪和计算机等即可通过间接测量应变片的应力值完成对装配结合面应力分布测量，相对于超声法等测量方式，测量成本低。
附图说明
图1本发明实施例间接测量装配结合面应力分布的系统示意图；
图2为本发明实施例部件Ⅱ结构示意图；
图3为本发明部件Ⅱ结合面应力等值线图；
图4为本发明实施例部件Ⅰ与部件Ⅱ通过螺栓把合后侧面局部示意图；
图5为图1中右上角螺栓施加60KN预紧力时结合面应力等值线与邻侧面应变片的对应关系。
图中：1、部件Ⅰ，2、部件Ⅱ，3、螺栓，4、感压纸，5、应变片，6、压力传感器，7、显示装置，8、扫描仪，9、计算机，a、结合面，b、邻侧面。
具体实施方式
图1～图5中所示的一种间接测量装配结合面应力分布的系统，部件Ⅰ1与部件Ⅱ2通过螺栓3把合，部件Ⅰ1与部件Ⅱ2相贴合的面为结合面a，与结合面a相邻的侧面为邻侧面b，间接测量装配结合面应力分布的系统包括压力传感器6、感压纸4、应变片5、显示装置7、扫描仪8和计算机9。其中压力传感器6优选为电阻应变式压力传感器，安装在部件Ⅱ2侧的螺栓3头部，用于测量螺栓3预紧力。当给感压纸4施加应力时，感压纸4会根据应力的大小表现出不同的颜色，将感压纸4夹设在部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的结合面a之间所需时间，感压纸4即可表现结合面a的应力分布情况。应变片5优选为电阻应变片，设置在部件Ⅱ2邻侧面b上，电阻应变片将邻侧面b上的应变的变化转化成电阻的变化，再由专用设备测得应变片5的电阻变化大小，并转换成所测点的应变值。显示装置7与压力传感器6和应变片5连接，用于显示压力传感器6和应变片5所测数值，显示装置7优选为应变仪。将扫描设备扫描出的图像输入到计算机9，计算机9根据图像绘制结合面a的多条应力等值线。应变片5设置在所述应力等值线在所述邻侧面b的延伸线上，和结合面a应力变化快的部位相对应的邻侧面b位置设置的应变片5密，和结合面a应力变化缓慢的部位相对应的邻侧面b位置设置的应变片5疏。
其中电阻应变片为长方形，应变片5的长边垂直于结合面a与邻侧面b的交线，多个应变片5平行设置，且与所述交线的距离相等，应变片5与交线的距离为0～5mm；相邻应变片5之间的距离为0～30mm。
一种间接测量装配结合面应力分布的方法，包括：建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系和通过测量邻侧面应力确定结合面应力分布两个步骤。
A：建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系：
A1：在部件Ⅱ2侧的螺栓3头部安装压力传感器6，将压力传感器6与用于显示压力传感器6测量数据的显示装置7连接，压力传感器6用于测量结合面a装配时的预紧力。
A2：在部件Ⅰ1与部件Ⅱ2的结合面a中间放入感压纸4，将部件Ⅰ1与部件Ⅱ2的结合面a紧密贴合且通过安装有压力传感器6的螺栓3固定连接，如图1和图3所示。
A3：给螺栓3施加的基准预紧力，达到感压纸4测量压力所需要的时间后，撤去基准预紧力并取出感压纸4，用扫描仪8将感压纸4的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机9中，计算机9通过感压纸4颜色的深浅程度分析出结合面a应力分布情况，并绘制部件Ⅱ2的结合面a的应力等值线图。给所有螺栓3施加60KN的预紧力，得到的应力等值线如图3所示。
A4：选取n条应力等值线，n条应力等值线在邻侧面b的延伸线上的相应位置粘贴n个应变片5，n为大于零的整数，应变片5靠近结合面a与邻侧面b的交线粘贴；将应变片5与用于显示应变片5测量数据的显示装置7连接；这样n片应变片5测得的应力就和n条应力等值线建立了一一对应关系，即建立了邻侧面应力与结合面应力分布对应关系。以图1中右上角的螺栓3为例，选取应力值为2MPa、6MPa、11MPa、23MPa、28MPa的6条应力等值线，这6条应力等值线在邻侧面b上的延伸线上粘贴6个相应的应变片5，如图4和图5所示，由于物体上应力分布具有连续性，结合面a上的一些应力等值线就会部分延伸到其邻侧面b上，对于邻侧面b上的某应变片5，其应力值与结合面a上某条应力等值线的应力值相等，则可认为应变片5刚好处于结合面a等值线在其邻侧面b上的延伸线上，这样应变片5的应力值就和相应的等值线的应力值建立了一一对应的关系，布置适当多的应变片5就可间接测量出结合面a的应力分布情况。
两部件结合面的应力集中分布在螺栓等固定件的附近，所以只需测量螺栓等固定件附近的应力变化就能反映出要测量的结合面的应力变化情况。圣维南原理(SaintVenant’s Principle)是弹性力学的基础性原理，其内容是：分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。在实际生产装配中，连接两个部件的螺栓等固定件一般相距不会太近，根据圣维南原理(Saint Venant’sPrinciple)可知同时给相距不太近的螺栓施加预紧力，螺栓附近的结合面应力等值线不会相互影响。对于结合面上远离螺栓的部位，由于受力较小、对结合面特性影响较小，所以不需对其测量，不需设置应变片5。
在结合部载荷作用位置和方向不变的情况下，改变载荷大小，则应力等值线图的形状变化幅度很小，只是相同位置的等值线代表的应力值不同而已，所以不论螺栓预紧力如何变化，每个应变片5测出的应力值代表的应力等值线是不变的，则能够根据邻侧面b上的应变片5迅速快捷的确定结合面a应力分布。
步骤B：通过测量邻侧面应力确定结合面应力分布；
部件Ⅰ1与部件Ⅱ2装配完成后，结合面a间不用再放入感压纸4，即可根据建立的邻侧面与结合面a应力分布对应关系，通过测量应变片5的应力值确定机床结合面a应力分布。部件Ⅰ1与部件Ⅱ2装配完成后，螺栓3的预紧力会随着工作时间的变化发生变化，这时只需测量应变片5的应力值与装配时测得的应力值对比是否相等就能检测出螺栓3预紧力是否有变化，即螺栓3是否有松动。
本发明测量装配结合面应力分布的方法简单，成本较低，建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系后，在实际的装配过程中，不需要感压纸4和压力传感器6，只需测量邻侧面b上应变片5的应力值即可确定结合面a的应力分布情况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种间接测量装配结合面应力分布的系统，部件Ⅰ(1)与部件Ⅱ(2)通过螺栓(3)把合，部件Ⅰ(1)与部件Ⅱ(2)相贴合的面为结合面(a)，与结合面(a)相邻的侧面为邻侧面(b)，其特征在于所述间接测量装配结合面应力分布的系统包括：
安装在部件Ⅱ(2)侧的螺栓(3)头部、用于测量螺栓(3)预紧力的压力传感器(6)；
用于测量所述结合面(a)应力分布的感压纸(4)；所述感压纸(4)夹设在所述部件Ⅰ(1)和部件Ⅱ(2)的结合面(a)之间；当给所述感压纸(4)施加应力时，感压纸(4)会根据应力的大小表现出不同的颜色；
设置在所述部件Ⅱ(2)邻侧面(b)上的多个应变片(5)；
与所述压力传感器(6)和所述应变片(5)连接，用于显示压力传感器(6)和应变片(5)所测数值的显示装置(7)；
用于将所述感压纸(4)颜色分布情况扫描成图像的扫描仪(8)；
以及计算机(9)；所述扫描仪(8)扫描出的图像输入到所述计算机(9)，所述计算机(9)根据图像绘制所述结合面(a)的多条应力等值线；
所述应变片(5)设置在所述结合面(a)应力等值线在所述邻侧面(b)的延伸线上。
2.根据权利要求1所述的间接测量装配结合面应力分布的系统，其特征在于：所述显示装置(7)为应变仪。
3.根据权利要求1所述的间接测量装配结合面应力分布的系统，其特征在于：和结合面(a)应力变化快的部位相对应的邻侧面(b)位置设置的应变片(5)密，和结合面(a)应力变化缓慢的部位相对应的邻侧面(b)位置设置的应变片(5)疏。
4.根据权利要求1所述间接测量装配结合面应力分布的系统，其特征在于：所述应变片(5)为电阻应变片，所述电阻应变片为长方形，所述应变片(5)的长边垂直于所述结合面(a)与邻侧面(b)的交线，所述多个应变片(5)平行设置，且与所述交线的距离相等，所述应变片(5)与所述交线的距离为0～5mm；相邻所述应变片(5)之间的距离为0～30mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的间接测量装配结合面应力分布的系统，其特征在于：所述压力传感器(6)为电阻应变式压力传感器。
6.一种间接测量装配结合面应力分布的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A：建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系；
A1：在部件Ⅱ(2)侧的螺栓(3)头部安装压力传感器(6)，将压力传感器(6)与用于显示压力传感器(6)测量数据的显示装置(7)连接；
A2：部件Ⅰ(1)与部件Ⅱ(2)的结合面(a)中间放入感压纸(4)，将部件Ⅰ(1)与部件Ⅱ(2)的结合面(a)紧密贴合且通过安装有压力传感器(6)的螺栓(3)固定连接；
A3：给螺栓(3)施加基准预紧力，达到感压纸(4)测量压力所需要的时间后，撤去基准预紧力并取出感压纸(4)，用扫描仪(8)将感压纸(4)的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机(9)中，计算机(9)通过感压纸(4)颜色的深浅程度分析出结合面(a)应力分布情况，并绘制部件Ⅱ(2)的结合面(a)应力等值线图；
A4：选取n条应力等值线，在n条应力等值线邻侧面(b)的延伸线上的相应位置粘贴n个应变片(5)，n为大于零的整数，应变片(5)靠近结合面(a)与邻侧面(b)的交线粘贴；将应变片(5)与用于显示应变片(5)测量数据的显示装置(7)连接；这样n片应变片(5)测得的应力就和n条应力等值线建立了一一对应关系，即建立了邻侧面应力与结合面应力分布对应关系；
步骤B：通过测量邻侧面应力确定结合面应力分布；
部件Ⅰ(1)与部件Ⅱ(2)装配完成后，结合面(a)间不用再放入感压纸(4)，即可根据建立的邻侧面(b)与结合面(a)应力分布对应关系，通过测量应变片(5)的应力值确定结合面(a)应力分布。
7.根据权利要求6所述的间接测量装配结合面应力分布的方法，其特征在于：所述显示装置(7)为应变仪；所述应变片(5)为电阻应变片；所述压力传感器(6)为电阻应变式压力传感器；和结合面(a)应力变化快的部位相对应的邻侧面(b)位置设置的应变片(5)密，和结合面(a)应力变化缓慢的部位相对应的邻侧面(b)位置设置的应变片(5)疏。
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