CN107192494A - 一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置及方法 - Google Patents

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蔡力钢
刘强
刘志峰
李迎
吕华峰
徐文祥
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    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed

Abstract

本发明公开了一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置及方法，属于机械制造及结构力学领域。螺栓杆穿过上下连接件，接触面为特定尺寸和表面数据，采用压力传感器测量螺栓夹紧力的衰减；电涡流位移传感器来测量接触面间位移；三维形貌扫描测量表面三维数据；拉伸试验机进行循环拉伸试验，模拟螺栓工况。轴向夹紧力、轴向位移通过数据采集系统传输至计算机记录并处理。通过几种数据的分析处理获得轴向螺栓松弛的特性。本发明保证了轴向件的连接特性，考虑了固定结合面对螺栓松弛的影响，同时也提高了螺栓松弛测试精度。

Description

一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置和方法，属于机械制造及结构力学领域。
背景技术
零部件相互接触的表面为结合面。螺栓松弛为具有一定预紧力的螺栓紧固件在交变载荷情况下，其夹紧力下降的过程称为螺栓松弛。螺栓松弛的影响因素繁多，其中重要的影响因素之一是结合面间的特性影响着螺栓初始预紧力和振动工况下夹紧力的衰减。结合面间特性从根本上讲是粗糙微凸体的接触特性和螺栓件因接触而形成的构件的接触刚度和接触阻尼。国内外学者对于接触面间的接触状态和特性做了大量研究，得出了基于粗糙接触、Iwan串并联模型和有限元仿真分析等众多解决方法，很好的揭示了动静刚度的规律，虽然和实际情况有一些偏差，但总体能说明规律。阻尼耗能大多应用在土石岩层，建筑工程和地震等方面，螺栓构件上的应用研究鲜少涉及。接触阻尼在螺栓松弛中的主要体现为阻尼耗能，目前基于能量耗散的轴向螺栓松弛研究甚少，也是难点之一。结合面的微凸体接触受接触面的加工参数、施加载荷、振动频率等影响。通过改变结合面的加工参数、螺栓预紧力和施加载荷的力与频率来探究特定结合面下螺栓松弛的规律。
探究结合面影响下的螺栓松弛的现实影响因素很多，十分复杂，具体如下
1)栓接件本身受加工影响，加工方式、粗糙度、预紧力、施加载荷和频率都相同其松弛规律有偏差。内在原因是，每个零件的表面形貌都具有独立性，相同参数下(加工参数、粗糙度)的接触表面具有相似性。因此获得初始接触表面的三维参数十分重要。
2)单螺栓轴向螺栓试件，其结构设计要求简单又能保持原有结构特性，不能有附加的接触面和多余结构，也不能破坏螺栓本身，方便螺栓拧紧和拆卸，构件保持足够的刚性又不能过于笨重。
3)实验设备的精度影响最终结果的准确性，需要采用更精确的设备来采集包括表面数据、力学、位移和时间信号。
为了系统性的研究探明结合面特性的对轴向螺栓松弛的规律，需要结构简单又能满足要求的，测试精度较高的装置和相应的研究方法。
发明内容
为了解决现有装置中结构复杂、测量精度不高、松弛过程接触表面变化无法测定以及松弛和振动位移之间关系不明确的问题。本发明设计了一套精度高、结构简单又能满足要求并且完整的考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置和方法。通过三维表面形貌测量仪扫描获得接触表面三维形貌数据及其3D形貌，结合拉伸试验机和力学传感器、位移传感器采集的数据,改变加工参数和载荷、预紧力参数，综合分析得出松弛规律。
本发明解决问题的具体技术方案为：一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛装置采用三维表面形貌测量仪来扫描连接件的表面，用拉伸试验机夹持轴向螺栓框型件试件，并给其提供可变周期、频率以及加载力大小的载荷并加载循环力，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得轴向螺栓松弛规律，再将松弛阶段划分，按照先扫描形貌获得数据在进行拉伸试验，拉伸试验完成后再进行扫描分析的过程重复试验，最终在三维形貌数据、力学数据和位移数据综合分析下得出精度高、准确的结合面特性对于轴向螺栓松弛规律的影响结果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，该装置包括拉伸试验机(1)、下连接件(2)、螺母(3)、电涡流位移传感器(4)、上连接件(5)、螺杆(6)和压力传感器(7)，对应的传感器数据采集系统和计算机、三维表面形貌测量仪、数显力矩扳手。三维表面形貌测量仪其最高精度为100nm，用来扫描试件接触面的三维形貌数据包括三维坐标、表面粗糙度、波纹度以及3D形貌，如图6所示。对接触面表面的形貌测量非常准确。
测定轴向螺栓松弛的装置的上连接件(5)和下连接件(2)的两端分别夹在拉伸实验机上，如图2所示。利用拉伸试验机加载循环载荷，目的是加速实验，缩短螺栓松动时间。拉伸试验机能够改变加载的力和频率，同时控制加载次数。
测定轴向螺栓松弛的装置从上到下依次是上连接件(5)、螺杆(6)、压力传感器(7)、下连接件(2)和螺母(3)，如图3所示。上连接件(5)和下连接件(2)通过固定尺寸的接触面接触。螺栓通过数显力矩扳手拧紧。压力传感器串联在螺杆(6)和上连接件(5)之间，依次连接数字放大器和数据采集卡最终将测得的数据实时输出至计算机对应的传感器数据采集软件中，通过计算机数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随时间变化的F-t曲线。上连接件(5)的端部设有方形带孔薄板，方形带孔薄板用以固定电涡流位移传感器(4)，并实现上下调节，将位移传感器下端探头安装至距离下连接件(2)右侧的方形薄板上端2-3mm处。电涡流位移传感器(4)设置在上连接件(5)的外侧，电涡流位移传感器(4)与LMS数据采集系统连接，获得精度高的振动下接触面间的位移时间的S-t图。
预紧力的计算：力矩与螺栓所能提供的预紧力之间的关系为T＝K·d·F，其中T是数显力矩扳手设定的扭矩；K为拧紧系数，取0.16～0.18之间；F为螺栓预紧力。
上连接件(5)和下连接件(2)均为框型结构，如图4。上连接件(5)和下连接件(2)的材料和加工方式相同，两者内侧过渡区域均采用大圆角过渡处理、框型件结合处两侧为倾斜过渡、框型件两侧至拉伸试验机加持部分逐渐过渡，这三种方法避免轴向加载过大引起零件因应力集中产生裂纹。表面粗糙度根据实验要求统一加工成Ra1.6或Ra3.2，但采用的加工方式对应为磨削、铣削或其他形式，并分别单独标注。
上连接件(5)和下连接件(2)用于安装螺栓的孔径为螺杆(6)直径+1mm。侧端的方形薄板为焊接结构，根据安装的位移传感器的大小有所调整，其孔径为10mm。
上连接件(5)和下连接件(2)在结合面两侧为倾斜状如图4的下端，目的是在轴向拉伸下减小试件的应力集中，其余部分通过圆弧过渡或逐渐减小横截面积来减小应力集中。
压力传感器(7)为环状，环状内孔与螺栓安装孔径相等，大小为螺杆(6)直径+1mm。压力传感器(7)的量程较大精度高，采集的数据能够实时记录并自行生成F-t曲线，其数据保存以便于后续数据整合。另外传感器本身刚度较大其变形相对于螺栓试件忽略不计。
有益效果
为了解决现有装置中结构复杂、测量精度不高、松弛过程接触表面变化无法测定以及松弛和振动位移之间关系不明确的问题。
1)设计了一套简单轴向螺栓松弛测量装置，结构简单为框型件，且符合刚度需求，在能够获得实验数据和预期结果的同时没有改动螺栓结构，主要构成部件只有连接件和螺栓螺母。
2)采用特制、精度更高的压力传感器，能够实时输出数据和保存，同时结合拉伸试验机的高精度加载和频率控制，这些都保证数据的精确性，对于后续分析提供了大量的、精确的数据基础。
3)首次采用了三维表面形貌测量仪，扫描并建立了接触表面三维数据，为结合面特性的影响提供基础。
4)说明了振动下零件间相对位移和松弛之间的关系，表明了夹紧力的衰减和位移之间的关系。
附图说明
图1是测试结合面影响下轴向螺栓松弛规律的系统框图。
图2是轴向螺栓松弛测定装置及其附件构成系统图。
图3是轴向结构主要装置剖面图。
图4是轴向螺栓装置上连接件主视图。
图5是轴向螺栓装置上连接件A向视图。
图6是结合面以铣削为加工方式的表面形貌。
图7是接触表面表面二维形貌。
图8是接触表面波纹度和原始形貌对比图。
图9是接触表面粗糙度和原始形貌对比图。
图中：1、拉伸试验机，2、上连接件，3、螺母，4、电涡流位移传感器，5、下连接件，6、螺杆，7、压力传感器
具体实施方式
步骤一：将不同加工质量的上连接件2、下连接件5的接触面通过三维表面形貌测量仪扫描接触区域并建立相应的数据库，包括3D形貌、三维坐标、表面粗糙度、波纹度等参数作为接触表面特征的初始参照值。启动拉伸试验机1，进行预热；压力传感器7、数字放大器、数据采集卡和计算机依次连接起来，通过软件设置并将初始值调零；压力传感器7穿在螺杆6上；将某一加工表面质量下的上连接件5、下连接件2，通过螺杆6和螺母3连接起来，使得压力传感器7在螺杆6和上连接件5之间形成串联；控制扭矩扳手的不同扭矩来控制螺栓的预紧力，设定螺栓预紧力的初始值，计算机显示的压力传感器7达到相应初始值时停止增大扭矩。将所连接的试件加在拉伸试验机1上，设定加载频率和加载力大小，并设置循环类型(正弦波、方波、锯齿波)和循环周期；开启拉伸试验，并记录压力传感器7输出的F-t曲线图和相应的力时间二维数据、电涡流位移传感器4输出的S-t曲线和相应的位移时间二维数据。实验完成后，保存并输出数据。实验后将螺栓轴向件拧松拆卸，分别在三维表面形貌上扫描上连接件5、下连接件2的接触面，获得相应数据3D形貌、三维坐标、表面粗糙度、波纹度。
步骤二：重复以上实施过程，通过特定频率、波形、加载力和螺栓预紧力的情况下几组螺栓松弛拉伸试验可获得螺栓松弛特性即夹紧力随时间的衰减曲线。将螺栓松弛的夹紧力衰减F-t图划分，定义快速松弛阶段为N，缓慢松弛阶段为M，定义准则为斜率，将斜率大的定义为快速松弛阶段，斜率小的定义为缓慢松弛阶段，整周期T＝N+M。划分N为三个阶段，N1、N2、N3，按照时间划分,标注对应时间和夹紧力。划分M为三个阶段，M1、M2、M3，按照时间划分。如下表所示：
N1 N2 N3 M1 M2 M3
时间
夹紧力
步骤三：组装六组螺栓试件，拉伸试验采用同样的加载频率和加载力，加载周期即时间结束节点为N1、N2、N3、M1、M2、M3。重复步骤一的操作和实施方法，，拉伸试验结束后，同样扫描接触表面获得表面形貌参数。
步骤四：改变上连接件5和下连接件2的材料、表面加工质量、螺栓预紧力、加载力以及加载频率，利用控制变量法，改变其中一个参数，重复步骤一、二、三，获得相应数据并保存。
数据分析
试验后获得数据包括：力学信号二维数组F-t,位移信号二维数组S-t,接触面三维表面数据。本方法想要获得的几种关系为，螺栓夹紧力随着循环时间的衰减特性曲线即F-t图，螺栓松弛过程中结合面位移时间图即S-t图，螺栓松弛过程中接触表面形貌变化随着时间的变化规律(多张图进行综合分析)。通过综合分析，获得在改变预紧力、加工表面参数、加载频率和加载力下的螺栓松弛特性以及分节点松弛数据和表面数据，得出基于结合面特性的多种因素。

Claims (6)

1.一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，其特征在于：该装置包括拉伸试验机(1)、下连接件(2)、螺母(3)、电涡流位移传感器(4)、上连接件(5)、螺杆(6)和压力传感器(7)，对应的传感器数据采集系统和计算机、三维表面形貌测量仪、数显力矩扳手；三维表面形貌测量仪其最高精度为100nm，用来扫描试件接触面的三维形貌数据包括三维坐标、表面粗糙度、波纹度以及3D形貌；对接触面表面的形貌测量非常准确；
测定轴向螺栓松弛的装置的上连接件(5)和下连接件(2)的两端分别夹在拉伸实验机上；利用拉伸试验机加载循环载荷，目的是加速实验，缩短螺栓松动时间；拉伸试验机能够改变加载的力和频率，同时控制加载次数；
测定轴向螺栓松弛的装置从上到下依次是上连接件(5)、螺杆(6)、压力传感器(7)、下连接件(2)和螺母(3)；上连接件(5)和下连接件(2)通过固定尺寸的接触面接触；螺栓通过数显力矩扳手拧紧；压力传感器串联在螺杆(6)和上连接件(5)之间，依次连接数字放大器和数据采集卡最终将测得的数据实时输出至计算机对应的传感器数据采集软件中，通过计算机数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随时间变化的F-t曲线；上连接件(5)的端部设有方形带孔薄板，方形带孔薄板用以固定电涡流位移传感器(4)，并实现上下调节，将位移传感器下端探头安装至距离下连接件(2)右侧的方形薄板上端2-3mm处；电涡流位移传感器(4)设置在上连接件(5)的外侧，电涡流位移传感器(4)与LMS数据采集系统连接，获得精度高的振动下接触面间的位移时间的S-t图；
预紧力的计算：力矩与螺栓所能提供的预紧力之间的关系为T＝K·d·F，其中T是数显力矩扳手设定的扭矩；K为拧紧系数，取0.16～0.18之间；F为螺栓预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，其特征在于：上连接件(5)和下连接件(2)均为框型结构；上连接件(5)和下连接件(2)的材料和加工方式相同，两者内侧过渡区域均采用大圆角过渡处理、框型件结合处两侧为倾斜过渡、框型件两侧至拉伸试验机加持部分逐渐过渡，这三种方法避免轴向加载过大引起零件因应力集中产生裂纹；表面粗糙度根据实验要求统一加工成Ra1.6或Ra3.2，但采用的加工方式对应为磨削、铣削或其他形式，并分别单独标注。
3.根据权利要求1所述的一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，其特征在于：上连接件(5)和下连接件(2)用于安装螺栓的孔径为螺杆(6)直径+1mm；侧端的方形薄板为焊接结构，根据安装的位移传感器的大小有所调整，其孔径为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，其特征在于：上连接件(5)和下连接件(2)在结合面两侧为倾斜状的下端，目的是在轴向拉伸下减小试件的应力集中，其余部分通过圆弧过渡或逐渐减小横截面积来减小应力集中。
5.根据权利要求1所述的一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，其特征在于：压力传感器(7)为环状，环状内孔与螺栓安装孔径相等，大小为螺杆(6)直径+1mm；压力传感器(7)的量程较大精度高，采集的数据能够实时记录并自行生成F-t曲线，其数据保存以便于后续数据整合。
6.一种利用权利要求1所述的装置进行的一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的方法，其特征在于：
步骤1，使用三维表面形貌测量仪扫描上连接件(5)和下连接件(2)结合面处表面形貌，建立结合面特性数据库，作为分析对比基础；
步骤2，使用特制压力传感器放置在螺杆(6)和上连接件(5)之间，配合拉伸试验机的拉伸特性，设定为一端不动，另一端加载，获得螺栓夹紧力随时间的变化的F＝f(t)曲线，并且可以及时输出保存数据，为位移和表面数据作对比；
步骤3，通过划分螺栓松弛阶段，做不同节点循环周期的拉伸试验，并检测夹紧力变化和扫描获得接触表面三维形貌的数据，获得螺栓某一松弛阶段接触面的形貌变化。
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