CN109211508B - 一种螺栓连接松动测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺栓连接松动测试系统，包括：激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置；所述激振装置与所述测试装置连接，所述激振装置可产生振动激励，并使所述测试装置产生共振；所述测试装置包括螺栓连接试件；所述柔性悬挂装置包括柔性绳，所述测试装置通过所述柔性绳与所述柔性悬挂装置柔性连接，所述测试装置悬挂于所述柔性装置的下方；所述控制系统与所述激振装置电连接，以控制所述激振装置产生激振。该螺栓连接松动测试系统结构设计合理，各部分连接紧凑，体积小，可通过共振原理放大施加载荷，进而实现大载荷加载目的。

Description

一种螺栓连接松动测试系统

技术领域

本发明属于螺栓连接技术领域，特别涉及一种螺栓连接松动测试系统。

背景技术

近些年来随着装配式结构的兴起，螺栓连接由于具有连接方便，连接强度高，易于拆卸和检修等诸多优点而被广泛应用于结构连接中。螺栓连接是保证两个被连接构件传递力或力矩以及密封结构的密封性能的重要接触副，螺栓连接的机械性能直接影响了被连接结构的强度及可靠性，是结构总体性能评价的重要指标。

目前，螺栓松动测试系统现有技术主要应用于钢结构及其大型组合结构的连接，所受载荷较为稳定，对高频动态要求不高，螺栓连接的预紧载荷在实验测试中较为容易实现，但对于某些特殊场合的螺栓连接，如内燃机主轴承、气缸盖等处的螺栓连接由于其工作载荷的特殊性，常处于大预紧力高频瞬态载荷作用下，因此对于其研究具有重要的工程意义。

螺栓连接在结构中受力较为复杂，连接结构的相对运动及其受力特征直接影响结构的整体性能，螺栓连接除承受剪切力外有时还承受动态载荷作用，易引起连接螺纹的周期性接触变形，引起接触螺纹间摩擦力的周期性变化，产生微小的相对运动，进而引起连接结构螺栓的松动。在众多结构螺纹连接中经常出现，螺纹松动不仅引起螺栓张紧力下降，使连接构件的紧固性降低，严重可导致螺栓的松脱，对于密封结构连接来说还可使密封结构的接触面出现泄露等现象。

因此，对螺栓连接进行力学研究成为对实际应用提供重要依据的重要措施。目前，对螺栓连接松动的研究主要通过仿真计算方法来实现，对高强度螺栓连接松动的研究试验验证还很难实现，主要体现在螺栓载荷的加载及其载荷频率控制上存在一定的难度。

目前螺栓连接松动测试系统一般都为驱动电机和试件夹紧机构通过连杆机构连接而成，如图1所示，其中，1’、驱动电机，2’、传动带轮，3’、驱动力臂，4’、导向机构，5’、连接杆，6’、滚针轴承，7’、螺栓连接件，8’、固定件。在图1所示的螺栓连接松动测试系统，其连接较为粗糙，试件的加载主要通过电机的调速来完成，由于电机的功率限制，其加载载荷和加载频率有所限制，动态载荷施加不能实现大载荷或超大载荷及高频状态加载，只能测试螺栓预紧载荷较小的，载荷频率较低的螺栓连接机构。

另外，驱动电机、驱动连接机构、试件测试台架，由于测试强度要求，体积过大，不能有效集成，该测试系统及其加载系统体积大，能源利用率低。

整体试验测试装置工作原理较为单一，且控制智能化程度、通用性均不高，不能进行多项试验测试，如需进行多项试验，则需花费成本较高。

发明内容

有鉴于此，为解决上述技术问题之一，本发明提供一种螺栓连接松动测试系统，该螺栓连接松动测试系统结构设计合理，各部分连接紧凑，体积小，可通过共振原理放大施加载荷，进而实现大载荷加载目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种螺栓连接松动测试系统，包括：激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置；所述激振装置与所述测试装置连接，所述激振装置可产生振动激励，并使所述测试装置产生共振；所述测试装置包括螺栓连接试件；所述柔性悬挂装置包括柔性绳，所述测试装置通过所述柔性绳与所述柔性悬挂装置柔性连接，所述测试装置悬挂于所述柔性装置的下方；所述控制系统与所述激振装置电连接，以控制所述激振装置产生激振。

在上述技术方案的基础上，本发明还有以下进一步的改进方案。

进一步，所述柔性悬挂装置还包括移动支撑滑板及支撑架，所述移动支撑滑板与所述支撑架滑动或滚动连接，并且两者之间在水平方向上可相对运动；所述柔性绳安装于所述移动滑板上。

进一步，所述柔性悬挂装置还包括滚轮，所述滚轮安装于所述移动支撑滑板和/或所述支撑架上，所述移动支撑滑板与所述支撑架之间通过所述滚轮实现滚动连接。

进一步，所述测试装置还包括两个振板、横梁、两个固定座、两个螺栓连接试件及两个加力杆；

两个振板分别与所述柔性绳连接；

两个所述振板之间设有所述横梁，所述横梁的两端分别固定于一个所述振板上；

两个所述固定座均安装于所述横梁的底部，所述固定座一端连接于所述横梁，另一端设有导向部；

两个所述螺栓连接试件的一端通过螺栓彼此连接，另一端分别与一个所述加力杆的一端连接，同时，两个螺栓连接试件的中部分别与一个所述导向部滑动连接；

两个所述加力杆均安装于所述螺栓连接试件与所述振板之间。

进一步，所述固定座一端通过连接组件与所述横梁固定连接，所述导向部为开设在所述固定座另一端的通孔，所述通孔的轴线沿水平方向。

进一步，所述测试装置还包括两个调节座，所述调节座上设置有多个连接孔，所述加力杆的端部可安装于任一个所述连接孔中。

进一步，两个所述螺栓连接试件彼此连接的部位为平直结构或者弯折结构。

进一步，所述激振装置包括推杆及激振器，所述激振器的动力输出端通过所述推杆与所述测试装置连接。

进一步，所述控制系统还包括力传感器及加速度传感器，所述力传感器安装于所述激振装置上，所述加速度传感器安装于所述测试装置上。

进一步，所述螺栓连接松动测试系统还包括与所述控制系统连接的跟踪测试系统及实时显示系统，所述跟踪测试系统用于将测试的数据传输给所述控制系统，所述显示系统用于将测试数据进行显示输出。

采用本发明所提供的螺栓连接松动测试系统，具有以下有益技术效果：

1.小型化，成本低。

小型化：试验测试系统由激振装置、控制装置、控制系统、柔性悬挂装置组成，各部分连接紧凑，体积小，可通过共振原理放大施加载荷，进而实现大载荷加载目的，因此使用成本低。

2.载荷大小可调，加载频率可变。

通过选用不同的柔性悬挂装置改变其测试系统的固有频率可实现载荷及其加载频率的变化。

3.可实现实时控制，试验系统安全可靠。

试验系统测试过程中通过固定于测试装置上的加速度传感器进行加速度测试，获得其测试动态频率，通过反馈系统以实现加载频率的控制，当频率变化超过设定的限制时即刻停止试验，保证系统的安全可靠。

4.试验装置可更换，一机多用。

可通过改变螺栓连接试件的连接处的结构，进行多种试验，如摩擦、磨损试验以及多轴试件疲劳试验等，具有高度的一机多用性能。

5.检测系统完善，可实时进行采样记录。

试验系统配有完善的跟踪测试及实时显示系统，可对测试机构的工作频率及其加载载荷进行实时测试并显示，同时对测试数据可根据需要进行输出，以备后续分析。

附图说明

图1为现有的螺栓连接松动测试系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种螺栓连接松动测试系统的结构原理示意图；

图3为本发明所提供的一种螺栓连接松动测试系统的测试装置的结构示意图；

图4为图3中Ⅰ处的放大示意图；

图5为图3中Ⅱ处的一种具体实施例的放大示意图；

图6为图3中Ⅱ处的另一种具体实施例的放大示意图；

图7为所述控制系统的一种具体实施例的原理图。

其中，图中的件号表示为：

1’、驱动电机，2’、传动带轮，3’、驱动力臂，4’、导向机构，5’、连接杆，6’、滚针轴承，7’、螺栓连接件；

1、柔性绳，2、移动支撑滑板，3、支撑架，4、推杆，5、激振器，6、加速度传感器，7、调节螺栓，8、加力杆，9、横梁，10、固定座，11、螺栓连接试件，11a、弯折结构，11b、平直结构，12、导向部，13、振板，14、力传感器，15、滚轮，16、调节座，161、连接孔。

具体实施方式

本发明的具体实施例中所涉及的专业术语解释：

共振：当外载激励的频率和系统的固有频率相等时，系统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。

模块化：系统结构中，模块化是将具有不同的功能的组件分解成多个小的独立、互相作用的组件，以处理复杂，大型的系统。

激振器：是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。

柔性悬挂装置：共振测试装置通过悬挂装置模拟装夹结构的自由状态，以此获得准确的固有频率。

螺栓松动：螺栓连接件在外载荷冲击或振动载荷的作用下，预紧力会降低，进而引起松动。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，附图仅为为说明本发明所提供的示意图，而非真正的实物投影图；另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参照图2至图7，图2为本发明所提供的一种螺栓连接松动测试系统的结构原理示意图；图3为本发明所提供的一种螺栓连接松动测试系统的测试装置的结构示意图；图4为图3中Ⅰ处的放大示意图；图5为图3中Ⅱ处的一种具体实施例的放大示意图；图6为图3中Ⅱ处的另一种具体实施例的放大示意图；图7为所述控制系统的一种具体实施例的原理图。

在本发明所提供的一种螺栓连接松动测试系统的具体实施例中，包括：激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置；所述激振装置与所述测试装置连接，所述激振装置可产生振动，并使所述测试装置产生共振；所述测试装置包括螺栓连接试件11；所述柔性悬挂装置包括柔性绳1，所述测试装置通过所述柔性绳1与所述柔性悬挂装置柔性连接，所述测试装置悬挂于所述柔性装置的下方；所述控制系统与所述激振装置电连接，以控制所述激振装置产生激振。其中，柔性绳1可以为柔性钢丝。

具体的，如图2、图3所示，所述柔性悬挂装置还包括移动支撑滑板2及支撑架3，所述移动支撑滑板2与所述支撑架3滑动或滚动连接，并且两者之间在水平方向上可相对运动；所述柔性绳1安装于所述移动滑板上。

所述柔性悬挂装置还包括滚轮15，所述滚轮15安装于所述移动支撑滑板2和/或所述支撑架3上，所述移动支撑滑板2与所述支撑架3之间通过所述滚轮15实现滚动连接。

所述测试装置还包括两个振板13、横梁9、两个固定座10、两个螺栓连接试件11及两个加力杆8；两个振板13分别与所述柔性绳1连接；两个所述振板13之间设有所述横梁9，所述横梁9的两端分别固定于一个所述振板13上；两个所述固定座10均安装于所述横梁9的底部，所述固定座10一端连接于所述横梁9，另一端设有导向部12；两个所述螺栓连接试件11的一端通过螺栓彼此连接，另一端分别与一个所述加力杆8的一端连接，同时，两个螺栓连接试件11的中部分别与一个所述导向部12滑动连接；两个所述加力杆8均安装于所述螺栓连接试件11与所述振板13之间。

所述固定座10一端通过连接组件与所述横梁9固定连接，所述导向部12为开设在所述固定座10另一端的通孔，所述通孔的轴线沿水平方向。

所述测试装置还包括两个调节座16，调节座16通过调节螺栓7安装于两个振板13的内侧，所述调节座16上设置有多个连接孔161，所述加力杆8的端部可安装于任一个所述连接孔161中。

两个所述螺栓连接试件11彼此连接的部位为平直结构11b或者弯折结构11a。

所述激振装置包括推杆4及激振器5，所述激振器5的动力输出端通过所述推杆4与所述测试装置连接。

所述控制系统还包括力传感器14及加速度传感器6，所述力传感器14安装于所述激振装置上，所述加速度传感器6安装于所述测试装置上。

所述螺栓连接松动测试系统还包括与所述控制系统连接的跟踪测试系统及实时显示系统，所述跟踪测试系统用于将测试的数据传输给所述控制系统，所述显示系统用于将测试数据进行显示输出。

在本发明所提供的上述螺栓连接松动系统的具体实施例中，其测试过程为：激振器5通过推杆4将激励载荷通过力传感器14施加于振板13，当推杆4沿其轴向以测试装置的弯曲固有频率做往复运动时，就会激起系统谐振。由于振板13的弯曲运动，使两侧振板13通过加力杆8将载荷分别加载于螺栓连接试件11，对螺栓连接松动状态进行测试。测试过程中通过固定于另一侧振板13上的加速度传感器6及力传感器14的信号反馈回控制系统，以实现对激励载荷的幅值和频率的测量与调节，进而实现闭环控制。控制系统可根据系统的振动幅值和频率变化来判断实验状态，并适时自动中止试验。测试过程可通过监测设备对螺栓连接的状态进行实时监测，以此获得螺栓连接螺纹处的动态应变，转动角度等参数信息。

测试装置顶部用移动支撑滑板2是保证振板13的横向运动左右两个支点具有同步性，实现振板13的平动的运动特点。使用柔性钢丝是模拟振板13在垂向上呈现弹性支撑状态，这样振板13整体和与振板13连接的被测件就组成了具有柔性悬挂的测试装置。整个测试系统的固有频率不受外界因素的影响，测试的原理就是利用测试系统的第一阶频率的共振效应来实现激励放大来实现外载荷的大激励加载的。

在共振状态下，激励载荷能够放大数十倍甚至上百倍，因此试验台的输出功率很小，能耗低。同时也可实现对螺栓连接进行大载荷和高频率加载状态的松动实验测试。

具体来说，本发明通过以下方案使得螺栓连接松动测试系统具有以下有益技术效果：

1、小型化，成本低，一机多用。

a.通过对试验系统进行系统分解，将试验测试系统分为激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置组成，形成模块化连接方式，各模块之间连接紧凑，体积小，进而实现小型化。

b.通过共振原理放大施加载荷，进而实现大载荷加载目的，因此可使用小功率激振系统可完成高强度螺栓松动测试要求，大大降低了实验成本。

c.通过改变夹紧装置可进行多种试验，如摩擦、磨损试验以及多轴试件疲劳试验等，具有高度的一机多用性能。

2.载荷大小可调，加载频率可变。

现有螺栓松动测试系统的载荷调节多采用调频系统来调节电动机的功率和转速，来实现加载载荷和加载频率的变化，用以进行不同试验条件的设置，但受所选电机的参数限制，不能实现大载荷或超大载荷及高频加载的实验工况测试。

本发明通过以下方案使得螺栓松动测试系统具有载荷大小可调，加载频率可变。

a.通过调节激振器5的幅值以及加力杆8的方向，可改变施加在螺栓连接测试件上的激励载荷。

b.通过改变振板13的结构尺寸来改变整体测试系统的固有频率，进而实现加载频率的控制调节。

3.实时控制，试验系统安全可靠。

现有螺栓松动测试系统的对螺栓连接测试件测试过程控制不精确，对于测试过程中的试验条件参数的改变不能及时进行反馈，不能根据参数变化值来判别试验进程。

本发明通过以下方案使得螺栓松动测试系统具有实时控制，试验系统安全可靠。

a.通过固定于测试振板13上的加速度传感器6及串联在推杆4上的力传感器14对测试过程中的测试系统加载激励载荷及加载频率的变化进行实时监控，通过系统信号及时反馈调节，保证测试过程实验条件的一致性。

b.通过对激振系统的频率进行检测，当螺栓松动达到一定程度时，系统频率会大幅度降低，实验系统会自动终止实验进程，保证实验系统的空载运行，造成损坏。

4.试验装置可更换，可用于疲劳及多轴载荷时间疲劳的试验测试。

现有螺栓松动测试系统的只能完成对螺栓连接松动测试单一载荷方向实验，实验装置不具有可换性。针对螺栓连接在复杂载荷状态下的测试很难完成。

本发明通过以下方案使得螺栓松动测试系统具有试验装置可更换，可用于疲劳及多轴载荷时间疲劳的试验测试。

a.通过合理设计试验装置，具体为所述测试装置中，螺栓连接试件11可以自由设计，也可以自由替换，通过设计为不同的连接方式，借助共振测试系统可将螺栓松动测试系统用于疲劳测试。

b.通过更换螺栓连接试件11，可改变测试系统的用途，用于材料的单轴以及多轴的疲劳试验测试。

5.检测系统完善，可实时进行采样记录。

现有螺栓松动测试系统不论结构上还是测试方法上都较为简单，测试过程数据采集只能通过简单的监测系统，各系统关联性不高，数据综合分析难度较高。

本发明通过以下方案使得螺栓松动测试系统检测系统完善，可实时进行采样记录。

a.通过给试验测试系统安装完善的跟踪测试及实时显示系统，对测试机构的工作频率及其加载载荷进行实时测试并显示，可对测试全过程进行检测。

b.通过与测试控制终端进行信息传输，可将测试数据根据需要进行实时输出，也可进行存储备份以备后续分析。

总之，本发明所提供的螺栓连接松动测试系统，由激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置组成，形成模块化共振系统，结构简单，安装方便。

整个设备可以利用共振原理，通过控制系统将激振力进行放大，对试件进行加载测试，同时可以对激振频率实时控制，动力成本消耗低廉，测试结果精确度高。

采用共振原理及频率感应反馈系统，利用测试系统频率变化控制激振器5的激励载荷，进行实时调整，进而降低试验功耗。

本发明所提供的螺纹松动测试系统可实现大载荷或超大载荷的施加，同时载荷频率可根据工况需要进行调整设置，测试系统具有载荷施加范围大、载荷频率带宽高，试验过程智能化等优点。同时实验设备具有模块化特征，结构简单，运输安装方便等优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，包括：激振装置、控制系统、测试装置、柔性悬挂装置；

所述激振装置与所述测试装置连接，所述激振装置可产生振动激励，并使所述测试装置产生共振；

所述测试装置包括螺栓连接试件；

所述柔性悬挂装置包括柔性绳，所述测试装置通过所述柔性绳与所述柔性悬挂装置柔性连接，所述测试装置悬挂于所述柔性悬挂装置的下方；

所述控制系统与所述激振装置电连接，以控制所述激振装置产生激振；

所述测试装置还包括两个振板、横梁、两个固定座、两个螺栓连接试件及两个加力杆；

两个振板分别与所述柔性绳连接；

两个所述振板之间设有所述横梁，所述横梁的两端分别固定于一个所述振板上；

两个所述固定座均安装于所述横梁的底部，所述固定座一端连接于所述横梁，另一端设有导向部；

两个所述螺栓连接试件的一端通过螺栓彼此连接，另一端分别与一个所述加力杆的一端连接，同时，两个螺栓连接试件的中部分别与一个所述导向部滑动连接；

两个所述加力杆均安装于所述螺栓连接试件与所述振板之间；

所述固定座一端通过连接组件与所述横梁固定连接，所述导向部为开设在所述固定座另一端的通孔，所述通孔的轴线沿水平方向；

所述测试装置还包括两个调节座，所述调节座上设置有多个连接孔，所述加力杆的端部可安装于任一个所述连接孔中。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，所述柔性悬挂装置还包括移动支撑滑板及支撑架，所述移动支撑滑板与所述支撑架滑动或滚动连接，并且两者之间在水平方向上可相对运动；所述柔性绳安装于所述移动支撑滑板上。

3.根据权利要求2所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，所述柔性悬挂装置还包括滚轮，所述滚轮安装于所述移动支撑滑板和/或所述支撑架上，所述移动支撑滑板与所述支撑架之间通过所述滚轮实现滚动连接。

4.根据权利要求1所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，

两个所述螺栓连接试件彼此连接的部位为平直结构或者弯折结构。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，

所述激振装置包括推杆及激振器，所述激振器的动力输出端通过所述推杆与所述测试装置连接。

6.根据权利要求1所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，

所述控制系统还包括力传感器及加速度传感器，所述力传感器安装于所述激振装置上，所述加速度传感器安装于所述测试装置上。

7.根据权利要求1所述的一种螺栓连接松动测试系统，其特征在于，所述螺栓连接松动测试系统还包括与所述控制系统连接的跟踪测试系统及实时显示系统，所述跟踪测试系统用于将测试的数据传输给所述控制系统，所述显示系统用于将测试数据进行显示输出。

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