CN110108575A - 螺栓纯弯曲疲劳试验工装与系统 - Google Patents

螺栓纯弯曲疲劳试验工装与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种螺栓纯弯曲疲劳试验工装与系统，所述试验工装包括：相互平行的上板与下板，上板的定位端与下板的定位端分别设有位置相对应的上定位孔与下定位孔，以供测试螺栓穿过并定位；相互咬合的两个槽块与两个凸块，分别固定或者一体成型在所述下板、上板上，并位于所述上定位孔、下定位孔的两侧，使两处咬合点的连线垂直于所述测试螺栓的中心轴线。所述系统是在所述上板的另一端接收所述MTS试验机的纵向试验信号而形成。通过采用上述结构，本发明能够在通用的MTS疲劳试验机上可以进行螺栓弯曲疲劳强度的测试。

Description

螺栓纯弯曲疲劳试验工装与系统
技术领域
本发明涉及一种测试纯弯曲载荷作用下螺栓疲劳强度的夹具与系统，特别涉及一种在预紧力下测试高强度螺栓弯曲疲劳强度的夹具与系统。
背景技术
螺栓连接是机械设备中广泛应用的一种连接形式，其中，高强度螺栓是汽车、航空、冶金设备、钢结构行业中最常见最重要的连接方式。在实际工程中，高强度螺栓在很高的预紧力的基础上，还要承受外界各种反复载荷的作用，如拉压、弯曲、剪切及冲击载荷，或者同时承受上述几种载荷反复作用。在这些载荷类型中，由于螺栓几何结构的特点，弯曲载荷的出现对于螺栓来说是灾难性的。而对于纯弯曲载荷下螺栓的疲劳强度，由于实现螺栓纯弯曲存在困难，国内外目前并没有标准的测试方法，且无法找到公开的螺栓弯曲实验数据。
德国的M.Kampf等人，基于典型螺栓的工况，在实验中首次实现了静拉力与纯波动弯曲载荷的叠加。这种负载形式通常出现在中心预紧并受外部弯矩负载的螺栓联接中。图1所示是M.Kampf等人测试螺栓弯曲疲劳强度的测试机构。为了实现静拉力与波动纯弯曲的叠加，该测试机构采用如下的结构：螺栓夹紧于两个铰支盘之间，以便整个实验期间螺栓上作用一静拉伸预应力；力流在无附带夹紧件的情况下经十字弹簧而封闭，其纵向板簧上贴有应变片，用以测量实际动静拉伸载荷。所施加的弯曲角经十字弹簧横向板上的应变片控制调节，其值由一光标显示读出。实验负荷由一类似于装配预紧力的静拉伸载荷和一动弯载荷组合成。
但是这里的弯曲振动应力是由单一振动弯曲形变引起的。实验受实验装置的限制，在动态弯曲的同时伴随着一动态拉伸，其值约是弯曲载荷的10％，不能算作较为理想的纯弯曲载荷加载状况，因此得出的弯曲疲劳强度具有较大的误差。
并且此试验机构具有唯一性，需要特殊的定制专门的试验机构及工装，不具有普遍性。综上所述，现阶段针对螺栓弯曲疲劳强度的测试，一方面测试方法不尽理想，且没有形成相关的试验标准；另一方面，现有的螺栓弯曲疲劳强度的测试不具有普遍性，不能模拟各行业中高强螺栓连接的实际工况。
因此，设计一种有效的螺栓纯弯曲疲劳强度测试结构，提出一种新型的螺栓纯弯曲疲劳强度测试系统，对于完善螺栓疲劳强度测量体系，准确测量螺栓疲劳寿命具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种螺栓纯弯曲疲劳试验工装与系统，其能够适配于MTS疲劳试验机，解决现有测试结构仅适用于特定试验机构以及无法实现纯弯曲加载的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于，包括：
相互平行的上板与下板，上板的一端为定位端，另一端为受压端，下板的一端为定位端，另一端为固定端，上板的定位端与下板的定位端分别设有位置相对应的上定位孔与下定位孔，以供测试螺栓穿过并定位；
形状相同的两个槽块，固定或者一体成型在所述下板的上平面上，并位于所述上定位孔的两侧，每个槽块的上表面形成有一个咬合槽；
形状相同的两个凸块，固定或者一体成型在所述上板的下平面上，并位于所述下定位孔的两侧，每个凸块的下表面形成有一个咬合齿，两个咬合齿分别咬合在两个咬合槽中，且两处咬合点的连线垂直于所述测试螺栓的中心轴线。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：所述测试螺栓的相对两侧贴有位置相对应的应变片，所述应变片沿测试螺栓的轴向粘贴，并且连接至信号采集装置，而且位置相对应的应变片的连线垂直于所述两处咬合点的连线。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：在所述测试螺栓的相对两侧的上段、中段、下段的对应位置各贴有一个所述应变片。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：所述上板、凸块、下板、槽块对应于所述测试螺栓贴有应变片的位置形成有避让空间。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：所述咬合点的连线向远离上板的受压端的方向偏离所述测试螺栓的中心轴线一定偏移量，所述偏移量是所述测试螺栓的直径的0.05-0.1倍。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：所述槽块、凸块采用40Cr制成，并在咬合齿与咬合槽的咬合部位进行淬火处理，达到HRC47-50。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：所述咬合齿呈波峰形，所述咬合槽呈波谷形。
本发明还提供一种螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其具有前述螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：
所述下板固定；
测试螺栓从上板的上定位孔中插入，从下板的下定位孔中穿出，并拧上螺母，所述螺栓与螺母拧紧至预定预紧力；
所述上板的受压端接收所述MTS试验机的试验信号，使上板绕所述两处咬合点的连线旋转。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其中：还包括下连接件，其与所述下板固定连接，用于将下板固定在MTS试验机的下方。
所述的螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其中：还包括上连接件，其下端与所述上板的受压端枢转连接，其上端连接MTS试验机。
与现有螺栓弯曲疲劳前度测试实验相比较，本发明能够将MTS试验机的纵向位移转化为上板的转动，从而施加转矩到测试螺栓，使得在通用的MTS疲劳试验机上可以进行螺栓弯曲疲劳强度的测试，并可以模拟真实的螺栓预紧连接状况；通过确定板长等参数，可以使得实验过程中螺栓最大限度地处于纯弯曲交变载荷的工况之下；同时此试验装置操作简便，无需拆卸实验工作，每次试验只需更换螺栓即可。
附图说明
图1是现有测试螺栓弯曲疲劳强度的测试机构的结构原理图。
图2是本发明提供的螺栓纯弯曲疲劳试验工装的立体示意图；
图3是图2的局部剖开图。
图4是本发明提供的螺栓纯弯曲疲劳试验工装的螺栓纵断面的剖视图。
图5是咬合齿与咬合槽的咬合点放大示意图。
图6是测试螺栓上粘贴应变片的位置示意图。
图7是咬合点的连线偏离于测试螺栓的中心轴线的示意图。
附图标记说明：上板1；上定位孔11；槽块22；咬合槽221；下板2；下定位孔21；凸块12；咬合齿121；定位板23；测试螺栓3；下连接件4；下轴销41；上连接件5；上轴销51；应变片6；避让空间7；d偏移量；D测试螺栓的直径。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的举例说明，但并不能使用该优选实施例来限定本发明的保护范围。
如图2、图3、图4、图5所示，本发明提供一种螺栓纯弯曲疲劳试验工装，包括：
相互平行的上板1与下板2，上板1的一端为定位端，另一端为受压端，下板2的一端为定位端，另一端为固定端，上板1的定位端与下板2的定位端分别设有位置相对应的上定位孔11与下定位孔21，可供测试螺栓3穿过并定位；
形状相同的两个槽块22，固定或者一体成型在所述下板2的上平面上，并位于所述下定位孔21的两侧，每个槽块22的上表面形成有一个波谷形咬合槽221；
形状相同的两个凸块12，固定或者一体成型在所述上板1的下平面上，并位于所述上定位孔11的两侧，每个凸块12的下表面形成有一个波峰形咬合齿121，两个波峰形咬合齿121分别咬合在两个波谷形咬合槽221中，且两处咬合点的连线L1垂直于所述测试螺栓3的中心轴线；在图2、图5所示的实施例中，所述波峰形咬合齿121与所述波谷形咬合槽221形成线接触；而如图7所示，所述咬合点的连线L1最好向远离受压端的方向偏离所述测试螺栓3的中心轴线一定偏移量d，所述偏移量d是所述测试螺栓3的直径D的0.05-0.1倍，使测试螺栓3的弯曲应力幅值高于拉伸应力幅值一个数量级；
下连接件4，与所述下板2的固定端固定连接，用于将下板2固定住；在图2所示的实施例中，所述下板2的固定端通过下轴销41与所述下连接件4枢转连接，但所述下板2的固定端还沿垂向延伸有定位板23，所述定位板23与所述下连接件4紧贴，使下板2与下连接件4只能同步转动；
上连接件5，其下端通过上轴销51与所述上板1的受压端枢转连接，其上端用于连接MTS试验机(未予图示)。
如图3、图6所示，在所述测试螺栓3的受拉、受压的两侧的上段、中段、下段的对应位置各沿轴向贴一个应变片6，这些应变片6组桥(组桥结构为现有技术，在此不予赘述)或不组桥再连接信号采集装置(未图示)，可计算得到测试螺栓3的弯曲应力变化信息。
为了避免应变片6发生摩擦，也为了便于应变片6的连线L1，所述上板1(包括凸块12)、下板2(包括槽块22)对应于所述测试螺栓3贴有应变片6的位置形成有阶梯形的避让空间7。
上述实施例中，所述上板1(包括凸块12)、下板2(包括槽块22)优选采用40Cr制成，以提高关键部位耐磨性。由于咬合齿121与咬合槽221的咬合部位在实验过程中要经历多次循环转动，为进一步提高其耐磨性，可对所述部位进行淬火处理，使其达到HRC47-50。
上述实施例中，所述上连接件5、下连接件4优选采用45钢材质，并与所述上轴销51、下轴销41之间采用过盈配合；而所述轴销采用A3钢材质。
本发明使用的时候，将下板2通过下连接件4固定在MTS试验机的下方，再使上板1的咬合齿121与下板2的咬合槽221相对咬合，接着将测试螺栓3从上板1的上定位孔11中插入，从下板2的下定位孔21中穿出，拧上螺母，然后用扭矩扳手将螺栓与螺母拧紧至预定预紧力，使上板1与下板2之间通过螺栓夹紧，并具有两处咬合点的连线L1所形成的枢转轴(注意，应保持位置相对应的应变片6的连线L2垂直于所述两处咬合点的连线L1，即使各应变片6位于受拉或受压的方向上)；如此情况下，通过MTS试验机在上连接件5上施加周期性压力，可使上板1绕所述枢转轴往复摆动，相当于在螺栓夹紧的情况下施加了纯弯曲载荷。
如此试验直至测试螺栓3断裂，通过测试螺栓3上贴的应变片6，收集应变信号并处理转化为弯曲应变信号和拉伸应变信号，可确定循环周期数，螺栓通过回归方程确定断裂处应力，结合多组数据绘制螺栓弯曲疲劳的S-N曲线。
与现有螺栓弯曲疲劳前度测试实验相比较，本发明能够将MTS试验机的纵向位移转化为上板1的转动，从而施加转矩到测试螺栓3，使得在通用的MTS疲劳试验机上可以进行螺栓弯曲疲劳强度的测试，并可以模拟真实的螺栓预紧连接状况；通过确定板长等参数，可以使得实验过程中螺栓最大限度地处于纯弯曲交变载荷的工况之下；同时此试验装置操作简便，无需拆卸实验工作，每次试验只需更换螺栓即可。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于，包括：
相互平行的上板与下板，上板的一端为定位端，另一端为受压端，下板的一端为定位端，另一端为固定端，上板的定位端与下板的定位端分别设有位置相对应的上定位孔与下定位孔，以供测试螺栓穿过并定位；
形状相同的两个槽块，固定或者一体成型在所述下板的上平面上，并位于所述上定位孔的两侧，每个槽块的上表面形成有一个咬合槽；
形状相同的两个凸块，固定或者一体成型在所述上板的下平面上，并位于所述下定位孔的两侧，每个凸块的下表面形成有一个咬合齿，两个咬合齿分别咬合在两个咬合槽中，且两处咬合点的连线垂直于所述测试螺栓的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于：所述测试螺栓的相对两侧贴有位置相对应的应变片，所述应变片沿测试螺栓的轴向粘贴，并且连接至信号采集装置，而且位置相对应的应变片的连线垂直于所述两处咬合点的连线。
3.根据权利要求2所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于：在所述测试螺栓的相对两侧的上段、中段、下段的对应位置各贴有一个所述应变片。
4.根据权利要求2所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于：所述上板、凸块、下板、槽块对应于所述测试螺栓贴有应变片的位置形成有避让空间。
5.根据权利要求1所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于：所述咬合点的连线向远离上板的受压端的方向偏离所述测试螺栓的中心轴线一定偏移量，所述偏移量是所述测试螺栓的直径的0.05-0.1倍。
6.根据权利要求1所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其特征在于：所述咬合齿呈波峰形，所述咬合槽呈波谷形。
7.一种螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其特征在于，具有如权利要求1-6中任一项所述的螺栓纯弯曲疲劳试验工装，其中：
所述下板固定；
测试螺栓从上板的上定位孔中插入，从下板的下定位孔中穿出，并拧上螺母，所述螺栓与螺母拧紧至预定预紧力；
所述上板的受压端接收所述MTS试验机的试验信号，使上板绕所述两处咬合点的连线旋转。
8.根据权利要求7所述的螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其特征在于：还包括下连接件，其与所述下板固定连接，用于将下板固定在MTS试验机的下方。
9.根据权利要求7所述的螺栓纯弯曲疲劳试验系统，其特征在于：还包括上连接件，其下端与所述上板的受压端枢转连接，其上端连接MTS试验机。
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