CN108956077A - 多功能螺纹连接结构试验系统及性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能螺纹连接结构试验系统及性能优化方法，包括拧紧装置、扭矩转速传感器、横向振动机、第一拉压力传感器、轴向振动机、第二拉压力传感器、超声波振荡器和位移传感器，其中，拧紧装置的输出端与所述轴向振动机的输出端面对设置，横向振动机的输出端与所述轴向振动机的输出端互呈夹角。本发明公开的多功能螺纹连接结构试验系统通过精确模拟连接结构的实际工况使得实验结果更准确，通过对连接结构的多项参数进行评估使得实验结果更加全面。本发明的性能优化方法，通过对获得的多项参数的评估与检测使得连接结构性能得到优化和提升。

Description

多功能螺纹连接结构试验系统及性能优化方法

技术领域

本发明涉及紧固件测试领域，尤其涉及到一种多功能螺纹连接结构试验系统及性能优化方法。

背景技术

螺纹连接结构是目前最广泛应用的机械联接件之一，主要应用于各种机械设备，如车辆、船舶、铁路、桥梁等。螺纹连接结构主要由被连接件、紧固件及相关组件组成，因受到动态载荷的作用，连接结构会出现松动、屈服变形或疲劳断裂现象，从而丧失连接作用，导致设备或部件失效破坏，甚至出现安全事故。

由于影响连接结构性能的因素多且作用机理复杂，比较有效的方法是通过模拟试验机研究连接结构性能的影响规律。国内外现有的模拟试验机，如国家标准GB/T10431-2008推荐的紧固件横向振动试验设备、GB/T13682-1992规定的紧固件疲劳试验方法，德国SCHATZ公司研制的模拟装配试验机、多功能螺栓紧固分析与紧固件横向振动一体试验系统，Junker防松试验机，Yamamoto等人研制的防松试验机等。这些试验机主要研究不同规格型号、摩擦系数、扭矩系数及夹紧力的紧固件，在施加不同振幅、频率、循环次数的动态工作载荷下，对紧固件防松、抗屈服及疲劳耐久性的影响规律，从而评估紧固件本身的性能。但是，目前仍没有一个通用、预测准确的模型或试验装置可以评估、测试并以此优化螺纹连接结构的性能。

发明内容

本发明提供了一种多功能螺纹连接结构试验系统及性能优化方法，旨在解决现有技术中螺纹连接结构的测试结果不够准确，不能对螺纹连接结构进行多项性能测试的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多功能螺纹连接结构试验系统，用于检测包括第一被连接件、第二被连接件和螺纹紧固件的螺纹连接结构，包括：

拧紧装置，用于连接于所述螺纹紧固件的端部；

扭矩转速传感器，用于测量所述拧紧装置施加的扭矩及拧紧速度；

横向振动机，用于连接于所述第一被连接件以施加横向动态载荷；

第一拉压力传感器，用于测量所述横向动态载荷；

轴向振动机，用于连接所述第二被连接件以施加轴向动态载荷；

第二拉压力传感器，用于测量所述轴向动态载荷

超声波振荡器，用于测量所述螺纹紧固件的轴向力；

位移传感器，用于测量所述第一被连接件和所述第二被连接件之间的相对滑移量；

其中，所述拧紧装置的输出端与所述轴向振动机的输出端面对设置，所述横向振动机的输出端与所述轴向振动机的输出端互呈夹角。

优选地，所述拧紧装置包括调速电机和与所述调速电机的输出轴连接的套筒，所述套筒用于夹持螺纹紧固件的端部。

优选地，所述调速电机和所述套筒之间通过联轴器连接。

优选地，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括第一夹具，所述第一拉压力传感器与所述第一被连接件的第一传力臂通过所述第一夹具连接。

优选地，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括横向导轨，所述第一夹具上设置有能在所述横向导轨上移动的第一导向块。

优选地，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括第二夹具，所述第二拉压力传感器与所述第二被连接件的第二传力臂通过所述第二夹具连接。

优选地，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括纵向导轨，所述第二夹具上设置有能在所述纵向导轨上移动的第二导向块。

优选地，所述第二夹具包括间隔设置的第一支腿和第二支腿，所述第一支腿和第二支腿均用于连接于所述第二被连接件上。

优选地，所述紧固件包括螺栓和螺母，所述螺母位于靠近所述拧紧装置的一端，所述超声波振荡器邻近所述螺栓的头部设置。

本发明还提供一种螺纹连接结构的性能优化方法，包括如下步骤：

建立多功能螺纹连接结构试验系统，以模拟实际装配关系；

根据实际工况及连接结构参数进行模拟试验；

对螺纹连接结构的抗拉、抗剪、抗疲劳、防松、被连接件抗压溃五项性能指标中的一种或多种进行评估与检测；

根据评估与检测结果，建立优化模型，实现对螺纹连接结构性能的优化。

本发明的技术方案中，多功能螺纹连接结构试验系统通过给横向振动机和轴向振动机同时施加实际工作载荷且考虑实际作用位置、方向及随时间变化的实时波形，精确模拟连接结构的实际工况，使得实验结果更准确；本试验系统通过实际连接结构模拟装配，可精确模拟连接结构的实际工况，具有试验精度高、适用工况多、成本低、周期短、可重复性高的优点；通过对连接结构实际参数的有效模拟，对全面的连接结构参数进行模拟试验，对连接结构的多项参数进行评估，为连接结构的全面性能状态提供准确的数据，使得实验结果更加全面。本发明的螺纹连接结构的性能优化方法，通过模拟实际装配关系进行模拟实验，对螺纹连接结构的多项参数进行评估与检测，根据评估与检测结果使得连接结构性能得到优化和提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的多功能螺纹连接结构试验系统的立体图；

图2为图1所示实施例的多功能螺纹连接结构试验系统的俯视图；

图3为本发明螺纹连接结构的性能优化方法的流程示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1，本发明一实施例中，多功能螺纹连接结构试验系统包括拧紧装置、扭矩转速传感器3、横向振动机15、第一拉压力传感器13、轴向振动机14、第二拉压力传感器16、超声波振荡器12和位移传感器9。螺纹连接结构包括第一被连接件6、第二被连接件8和螺纹紧固件，位移传感器9用以测量第一被连接件6和第二被连接件8之间的相对滑移量。

螺纹紧固件包括螺栓11和螺母5，起到固定、辅助螺纹连接结构的作用。所述螺母5位于靠近所述拧紧装置的一端，超声波振荡器12邻近所述螺栓11的头部设置，用来测量螺栓11轴向力。在振动过程中，螺栓11同时承受轴向和横向动态载荷，此时超声波振荡器12的测量值为螺栓11的总拉力，当轴向动态载荷为时，测量值即为螺栓11的预紧力。

拧紧装置用于连接于所述螺纹紧固件的端部，能对螺纹紧固件施加拧紧力。扭矩转速传感器3用于测量所述拧紧装置施加的扭矩及拧紧速度。该拧紧装置可以采用多种可能的结构，优选包括调速电机1和套筒4的拧紧装置。

调速电机1和所述套筒4之间可以直接连接，优选通过联轴器2连接。调速电机1用来施加扭矩，调节拧紧速度，套筒4用来夹持螺纹紧固件的端部，且调速电机1和套筒4之间通过联轴器2连接，联轴器2起到传递扭矩的作用。

横向振动机15施加横向动态载荷，轴向振动机14施加轴向动态载荷，第一拉压力传感器13测量轴向振动机14施加轴向动态载荷，第二拉压力传感器16测量横向振动机15施加横向动态载荷。其中，所述拧紧装置的输出端与所述轴向振动机14的输出端面对设置，且横向振动机15的输出端与轴向振动机14的输出端互呈夹角。本发明所指的橫向是指图2所示的上下方向，轴向是图2所示的左右方向。横向振动机15的输出端与轴向振动机14的输出端之间可倾斜设置并互呈夹角，优选它们之间相互垂直。

上述多功能螺纹连接结构试验系统可以直接装在地面或桌面上，优选设置专门的基台17，基台17能够固定各部件，保证试验装置的稳定运行。

进一步的，请参阅图1和图2，第一夹具6-2连接第一被连接件6的第一传力臂6-1和第一拉压力传感器13，且第一夹具6-2设置有能在横向导轨7上移动的第一导向块，使第一被连接件6和第二被连接件8朝着横向导轨7的固定方向移动。其中第一夹具6-2起到固定、辅助装配第一被连接件6的作用，第一传力臂6-1将横向振动机15施加的力传递给第一被连接件6和第一拉压力传感器13。横向导轨7允许第一被连接件6和第二被连接件8横向位移，阻止轴向位移，从而在施加橫向动态载荷的情况下，测试得到第一被连接件6和第二被连接件8的横向位移量。

进一步的，请参阅图1和图2，第二夹具8-2连接第二被连接件8的第二传力臂8-1和第二拉压力传感器16，且第二夹具8-2上设置有能在轴向导轨10上移动的第二导向块，使第一被连接件6和第二被连接件8朝着轴向导轨10的固定方向移动。其中第二夹具8-2起到固定、辅助装配第二被连接8的作用，第二传力臂8-1将轴向振动机14施加的力传递给第二被连接件8和第二拉压力传感器16。轴向导轨10允许第一被连接件6和第二被连接件8轴向位移，阻止橫向位移，从而在施加轴向动态载荷的情况下，测试得到第一被连接件6和第二被连接件8的轴向位移量。

如图2所示，第二夹具8-2包括第一支腿和第二支腿，第一支腿和第二支腿间隔设置，且第一支腿和第二支腿在结构上体现为平行关系使其对第一被连接件6和第二被连接件8的施加力平衡。第一支腿和第二支腿均用于连接第二被连接件8。

图3所示是本发明连接结构的性能优化方法的流程示意图，包括如下步骤：

S10，建立多功能螺纹连接结构试验系统，以模拟实际装配关系；

本发明通过对螺纹连接结构在静态标定进行一系列测试试验和模拟连接结构的复杂工况，实现在复杂工况下的试验数据的一致性，以及改善现有试验装置模拟工况简单、失真的缺点。

为保证多功能螺纹连接结构实验系统具有较高的精度，一方面，通过SolidWorks软件建立零部件的三维精确模型，然后通过接口软件将模型导入到ADAMS和/或View软件中进行动力学仿真，这样克服了ADAMS和View软件无法实现三维实体精确建模的局限性；另一方面，通过实际结构标定试验对仿真模型与参数进行修正，保证实验结果具有较高的精度。

根据实际需求对得到的横向与轴向工作载荷波形进行编辑，可改变波形的幅值、频率和循环次数，将编辑好的波形通过软件接口导入到微机控制系统，控制系统将波形传递至动力系统，从而对螺纹连接结构施加工作载荷，第一拉压力传感器13、第二拉压力传感器16和超声波振荡器12时时测试工作载荷、轴向力的值，并将信号反馈给控制系统，进行工作载荷的调节与修正，这样试验系统能够准确模拟实际工况，并具有较高的模拟精度。

此外，本发明通过设计配套的工装夹具和全面精确的模拟紧固件与第一被连接件6和第二被连接件8的刚度、接触形式(套筒4、支架及附件等)、接触状态(接触面积、工艺参数、形貌特征、涂层及涂油参数等)、孔型(盲孔、通孔)、孔隙和工作载荷(同时施加横向和轴向载荷)的实际作用位置、方向及随时间变化的实时波形，以实现向被连接件施加的工作载荷满足实际工况的目的。

试验装置合理配置传感器及测量装置，用以测量紧固件、第一被连接件6、第二被连接件8及结合面相关参数及性能状态，为连接结构多项性能评估与优化提供全面、准确的基础数据，解决现有试验装置与方法所研究的连接结构性能单一、模拟工况及参数少而导致的评估检测结果不准确和无法指导参数优化的缺点。

S20，根据实际工况及连接结构参数进行模拟试验；

在本发明的多功能螺纹连接结构试验系统装配完成后，试验装置安装实际连接结构进行模拟试验，传递实际工况下所受到的力给被连接件的第一传力臂6-1和第二传力臂8-I，精确模拟连接结构的实际工况与参数进行模拟实验。

根据螺栓11的材质得到螺栓11结构的不同参数，包括螺栓11的应力面积，螺栓11的抗拉强度螺栓11，螺栓11的剪切面横截面积，螺栓11的抗剪强度螺栓11，螺栓11的拉伸应力幅，螺栓11的横截面面积，螺栓11的拉伸疲劳极限，螺栓11的拉伸刚度等等；上述参数都与螺栓11本身的材质有关。通过测定第一被连接件6和第二被连接件8的材料弹性模量和尺寸，计算得到第一被连接件6和第二被连接件8的压缩刚度；通过超声波测量仪测定的初始预紧力与残余预紧力的差值，计算得到预紧力损失量；通过第一被连接件6和第二被连接件8的材料规格得到第一被连接件6和第二被连接件8的临界面压。

上述参数影响着螺纹连接结构的多项性能，在试验装置安装实际连接结构进行模拟试验之前，获取上述参数，将得到的参数代入测试螺纹连接结构性能的多项公式，用来准确评估优化螺纹连接结构的多项性能。

S30，对螺纹连接结构的抗拉、抗剪、抗疲劳、防松、被连接件抗压渍五项性能指标中的一种或多种进行评估与检测；

使用本发明公开的多功能螺纹连接结构试验系统根据实际工况及连接结构参数进行模拟试验，可以达到对螺纹连接结构多项性能进行评估与检测的效果，而非只能评估和检测螺纹连接结构单一的性能。

使用本发明公开的螺纹连接结构试验系统测试螺纹连接结构，可以同时评估和检测螺纹连接结构如下的一种或多种性能。

螺栓11抗拉性能：

其中，σ_v为拉伸应力，F_v为轴向力，A_s为螺栓11应力面积，σ_B为抗拉强度。

螺栓11抗拉性能主要通过施加拉伸应力测试得到螺纹连接结构的抗拉强度。

螺栓11抗剪性能：

其中，τ_h为剪切应力，F_h为横向力，通过第二拉压力传感器16测定的最大值。A_b为螺栓11剪切面横截面积，τ_B为抗剪强度，与螺栓11性能等级对应。

螺栓11抗剪性能主要通过施加剪切应力测试得到螺纹连接结构的抗剪强度。

螺栓11抗疲劳性能：

其中，σ_a为螺栓11拉伸应力幅，为接口的内力系数，W_v为拉伸交变载荷，A_s为螺栓11横截面面积，σ_w为拉伸疲劳极限，K_B为螺栓11拉伸刚度，K_C为被连接件压缩刚度。

螺栓11抗疲劳性能通过对螺栓11在模拟试验中施加预定循环次数的动态载荷后，发生断裂时的疲劳极限测试得到

螺栓11防松性能：

limΔF＝C

其中，ΔF为预紧力损失量，C为常数。

螺栓11在模拟试验中施加预定循环次数的载荷后，判定是否发生旋转松动，由于开始发生旋转松动时超声波测量仪测定的预紧力快速下降；如果不发生旋转松动，则预紧力趋于稳定，此时根据稳定时的预紧力得到预紧力损失量，进而完成对螺栓11防松性能得评估。

被连接件抗压渍性能：

其中，ρ_cr为支承面压应力，F_max为最大轴向夹紧力，W_v为轴向交变载荷，通过第二拉压力传感器16测定的最大值，A_w为支承面面积，σ_cr为被连接件的临界面压。

在模拟试验结束后，被连接件与紧固件之间的结合面没有发生塑性变形或嵌入现象，根据上述公式完成对被连接件抗压渍性能得评估。

S40，根据评估与检测结果，建立优化模型，实现对螺纹连接结构性能的优化。

使用本发明公开的多功能螺纹连接结构试验系统根据实际工况及连接结构参数进行模拟试验，为连接结构的全面性能状态提供准确的数据，通过多因素试验设计，在典型的复杂工况下改变相关参数的取值，测试得到螺纹连接结构的抗拉、抗剪、抗疲劳、防松、被连接件抗压渍五项性能指标。当5项指标全部满足判定标准，方可判定连接结构性能符合要求。

此外，结合螺栓11的规格型号、表面处理、数量、刚度、摩擦系数等参数，螺母5的规格型号、表面处理、数量、刚度、摩擦系数、螺纹啮合长度等参数，被连接件(包括套筒4、支架、附件等)的结构尺寸、材料、临界面压、刚度、孔型(盲孔、通孔)、孔隙等参数，结合面的尺寸、工艺参数、形貌特征、涂层及涂油参数，研究相关参数对连接结构性能的影响规律，通过建立优化模型并采用多目标优化方法实现多工况、多学科下的多参数组合优化方案，使连接结构满足各项性能的评估要求，从而使连接结构性能得到优化和提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能螺纹连接结构试验系统，用于检测包括第一被连接件、第二被连接件和螺纹紧固件的螺纹连接结构，其特征在于，包括：

拧紧装置，用于连接于所述螺纹紧固件的端部；

扭矩转速传感器，用于测量所述拧紧装置施加的扭矩及拧紧速度；

横向振动机，用于连接于所述第一被连接件以施加横向动态载荷；

第一拉压力传感器，用于测量所述横向动态载荷；

轴向振动机，用于连接所述第二被连接件以施加轴向动态载荷；

第二拉压力传感器，用于测量所述轴向动态载荷；

超声波振荡器，用于测量所述螺纹紧固件的轴向力；

位移传感器，用于测量所述第一被连接件和所述第二被连接件之间的相对滑移量；

其中，所述拧紧装置的输出端与所述轴向振动机的输出端面对设置，所述横向振动机的输出端与所述轴向振动机的输出端互呈夹角。

2.根据权利要求1所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述拧紧装置包括调速电机和与所述调速电机的输出轴连接的套筒，所述套筒用于夹持螺纹紧固件的端部。

3.根据权利要求2所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述调速电机和所述套筒之间通过联轴器连接。

4.根据权利要求1所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括第一夹具，所述第一拉压力传感器与所述第一被连接件的第一传力臂通过所述第一夹具连接。

5.根据权利要求4所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括横向导轨，所述第一夹具上设置有能在所述横向导轨上移动的第一导向块。

6.根据权利要求1所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括第二夹具，所述第二拉压力传感器与所述第二被连接件的第二传力臂通过所述第二夹具连接。

7.根据权利要求6所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述多功能螺纹连接结构试验系统还包括纵向导轨，所述第二夹具上设置有能在所述纵向导轨上移动的第二导向块。

8.根据权利要求6所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述第二夹具包括间隔设置的第一支腿和第二支腿，所述第一支腿和第二支腿均用于连接于所述第二被连接件上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的多功能螺纹连接结构试验系统，其特征在于，所述紧固件包括螺栓和螺母，所述螺母位于靠近所述拧紧装置的一端，所述超声波振荡器邻近所述螺栓的头部设置。

10.一种螺纹连接结构的性能优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立权利要求1-9任一项所述的多功能螺纹连接结构试验系统，以模拟实际装配关系；

根据实际工况及连接结构参数进行模拟试验；

对螺纹连接结构的抗拉、抗剪、抗疲劳、防松、被连接件抗压溃五项性能指标中的一种或多种进行评估与检测；

根据评估与检测结果，建立优化模型，实现对螺纹连接结构性能的优化。