CN110196196A - 一种杠杆螺栓的s-n曲线试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种杠杆螺栓的S‑N曲线试验方法，具体步骤如下：首先计算3‑5级应力水平对应的试验力大小；其次结合杠杆螺栓的设计寿命及实际疲劳寿命，确定在试验过程中的指定寿命次数；再次根据计算得到的最大试验力，选择满足要求的疲劳试验机和对应的试样夹具；最后根据不同试验力大小、指定寿命，以疲劳失效为判断依据，在3‑5级应力水平范围内对杠杆螺栓进行S‑N曲线试验，并利用数据处理软件进行拟合S‑N曲线方程。本发明通过试验方法并根据其S‑N曲线方程，可以无须再考虑疲劳缺口修正系数、尺寸系数、表面质量系数、加载方式等多种因素的修正影响，可以直接为对杠杆螺栓进行准确可靠的有限寿命设计提供基础。

Description

一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法
技术领域
本发明属于零件疲劳试验技术领域，具体涉及一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法。
背景技术
金属材料的应力和疲劳寿命关系曲线，即S-N曲线，是零构件采用名义应力法进行有限寿命设计的依据，GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》和GB/T4337-2008《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》分别给出了在轴向力和纯弯曲力控制条件下进行金属材料S-N曲线的试验方法，也就是说，金属材料在不同类型载荷作用下的S-N曲线试验方法是成熟的，有据可依的，由于工程实际中的零构件几何形状和服役条件千变万化，具有复杂性和多变性，绝大多数情况下直接对其进行S-N曲线试验是不现实的，也未见到有相应的试验标准。
将材料的S-N曲线转化到零构件的S-N曲线，由于零构件可能存在不连续过渡或缺口而造成的应力集中效应，由于材料加工成的试样尺寸和零构件尺寸差异而造成的尺寸效应，由于试样表面与零构件表面的粗糙度不一致而造成的表面质量效应，由于加载方式不同而造成的载荷效应等，通常需要考虑疲劳缺口修正系数、尺寸系数、表面质量系数、加载方式等多种因素，而且这些影响因素一般需要通过大量的试验获得，因此，采用材料的S-N曲线对零构件进行有限寿命设计，通常会有较大的寿命设计误差和较高的试验成本，有文献研究过材料S-N曲线的表达形式、处理方法、影响因素等，但未见有零构件S-N曲线试验方法的报道，其中包括原尺寸杠杆螺栓等。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提供一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法。
本发明的技术方案是：一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，具体步骤如下：
步骤一、根据杠杆螺栓服役时的受力情况及制造材质力学性能指标，计算3-5级应力水平相应的试验力大小；
步骤二、结合杠杆螺栓的设计寿命及实际疲劳寿命，确定在试验过程中的指定寿命，其指定寿命数值为2×106次；
步骤三、根据步骤一中计算得到的最大试验力，选择载荷量程和误差范围满足要求的疲劳试验机和对应的试样夹具，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具包括上夹头和第一施力支撑杆，所述第一施力支撑杆通过固定螺栓与所述上夹头连接，所述下夹具包括下夹头和第二施力支撑杆，所述第二施力支撑杆通过固定螺栓与所述下夹头连接；
步骤四、根据步骤一中计算的不同试验力大小、步骤二中的指定寿命，以疲劳失效为判断依据，在3-5级应力水平范围内，采用成组法并通过步骤三中确定的疲劳试验机对杠杆螺栓进行S-N曲线试验，记录相关疲劳寿命的有效试验数据和该数据的分布特点，利用数据处理软件进行拟合S-N曲线方程。
进一步优化，在步骤一中确定试验力时，在保证杠杆螺栓的升温温度不超过40℃的情况下提高试验频率。
进一步优化，所述步骤三中的第一施力支撑杆和第二施力支撑杆均为T型支撑杆，且第一施力支撑杆的长度小于第二施力支撑杆，所述第一施力支撑和所述第二施力支撑杆分别在上夹头和下夹头的横向段任意调整固定。
进一步优化，所述固定螺栓的一端嵌入到施力支撑杆内，另一端延伸至施力支撑杆外且用于固定在施力支撑杆上，所第一施力支撑杆和第二施力支撑杆上设置有供所述固定螺栓安装的多个螺孔。
进一步优化，所述步骤四中的疲劳试验机为MTS 311S-1000kN电液伺服轴向疲劳试验机。
进一步优化，所述步骤四中所选疲劳试验机具有载荷控制、数据采集功能。
进一步优化，所述步骤四中成组法为选择多个应力水平，每个应力水平选用3-5件试件杠杆螺栓，采用疲劳试验机对多个杠杆螺栓进行疲劳寿命的测定。
进一步优化，所述步骤四中疲劳失效的依据为通过肉眼观察杠杆螺栓疲劳断裂为两部分或出现明显裂纹。
进一步优化，所述步骤四中数据处理软件为EXCEL、ORIGION中的一种。
本发明的有益效果为：
本发明采用疲劳试验机和对应的试样夹具对杠杆螺栓进行疲劳寿命测定，其中试样夹具包括上夹具和下夹具，上、下夹具配合使用对试样杠杆螺栓固定，第一施力支撑杆和第二施力支撑杆分别在上夹头和下夹头上左右调整位置，调整好位置后固定螺栓与螺孔配合，以方便试样夹具作用在杠杆螺栓的施力点应方便调节和固定；通过试验直接获得杠杆螺栓的S-N曲线，避免了将材料的S-N曲线转化到杠杆螺栓的S-N曲线需要考虑疲劳缺口修正系数、尺寸系数、表面质量系数、加载方式等多种因素而可能导致的较大寿命设计误差和较高的试验成本，从而为对其进行准确可靠的安全寿命设计提供依据。
附图说明
图1为试样夹具的结构示意图
图2为第一施力支撑杆的结构示意图
图3为杠杆螺栓的S-N曲线图
图4为杠杆螺栓施力点的结构示意图
附图标记：1、上夹头，2、第一施力支撑杆，3、固定螺栓，4、下夹头，5、第二施力支撑杆，6、螺孔，7、杠杆螺栓。
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除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
实施例1
一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其具体实施方式为：具体步骤如下：
步骤一、选取屈服强度和抗拉强度分别不低于930MPa和1080MPa的42CrMo的钢杠杆螺栓，根据杠杆螺栓服役时的受力情况及制造材质力学性能指标，计算3-5级应力水平对应的试验力大小，在保证杠杆螺栓的升温温度不超过40℃的情况下将试验频率提高至（1-3）Hz；
步骤二、结合杠杆螺栓的设计寿命及实际疲劳寿命，确定在试验过程中的指定寿命，其指定寿命数值为2×106次；
步骤三、根据步骤一中计算得到的最大试验力，选择载荷量程和误差范围满足要求的疲劳试验机和对应的试样夹具，其中选取的疲劳试验机的型号为MTS 311S-1000kN电液伺服轴向疲劳试验机，该疲劳试验机具有载荷控制、数据采集功能，方便在使用过程中对杠杆螺栓的疲劳性能以及相关数据的采集；
步骤四、根据步骤一中计算的不同试验力大小、步骤二中的指定寿命，以通过肉眼观察杠杆螺栓疲劳断裂为两部分或出现明显裂纹疲劳失效为疲劳失效的判断依据，在3-5级应力水平范围内，采用成组法并通过步骤三中确定的疲劳试验机对杠杆螺栓进行S-N曲线试验，记录相关疲劳寿命的有效试验数据和该数据的分布特点，利用EXCEL数据处理软件进行拟合S-N曲线方程。
在本发明中，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具包括上夹头1和第一施力支撑杆2，所述第一施力支撑杆2通过固定螺栓3与所述上夹头1连接，所述下夹具包括下夹头4和第二施力支撑杆5，所述第二施力支撑杆5通过固定螺栓3与所述下夹头4连接，所述步骤三中的第一施力支撑杆2和第二施力支撑杆5均为T型支撑杆，且第一施力支撑杆2的长度小于第二施力支撑杆5，所述第一施力支撑2和所述第二施力支撑杆5分别在上夹头1和下夹头4的横向段任意调整固定，所述固定螺栓3的一端嵌入到施力支撑杆内，另一端延伸至施力支撑杆外且用于固定在施力支撑杆上，所第一施力支撑杆2和第二施力支撑杆5上设置有供所述固定螺栓3安装的多个螺孔6。
进一步优化，所述步骤四中成组法为选择多个应力水平，每个应力水平选用3-5件试件杠杆螺栓，采用疲劳试验机对多个杠杆螺栓进行疲劳寿命的测定。
实施例2
根据本发明提出方法完成了42CrMo钢杠杆螺栓的S-N曲线试验，从图3可见，试验数据较好地满足幂函数方程，即S=2531.05N0.09092（拟合系数R2=0.9367），符合金属材料及其零构件S-N曲线的常用表达函数关系，根据其S-N曲线方程，无须再考虑疲劳缺口修正系数、尺寸系数、表面质量系数、加载方式等多种因素的修正影响，可以直接为对杠杆螺栓进行准确可靠的有限寿命设计提供基础；另外，从图4可见，杠杆螺栓的受力点为A、B、C、D，从试验后的杠杆螺栓裂纹萌生位置可见，所有断裂螺栓裂纹均萌生在上施力点A、B附近所对应的截面内，符合杠杆螺栓服役时的裂纹萌生位置，设计的试验方案可以较好模拟杠杆螺栓服役过程中的疲劳失效状态。
以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、工作过程、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、根据杠杆螺栓服役时的受力情况及制造材质力学性能指标，计算3-5级应力水平相应的试验力大小；
步骤二、结合杠杆螺栓的设计寿命及实际疲劳寿命，确定在试验过程中的指定寿命，其指定寿命数值为2×106次；
步骤三、根据步骤一中计算得到的最大试验力，选择载荷量程和误差范围满足要求的疲劳试验机和对应的试样夹具，所述试样夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具包括上夹头（1）和第一施力支撑杆（2），所述第一施力支撑杆（2）通过固定螺栓（3）与所述上夹头（1）连接，所述下夹具包括下夹头（4）和第二施力支撑杆（5），所述第二施力支撑杆（5）通过固定螺栓（3）与所述下夹头（4）连接；
步骤四、根据步骤一中计算的不同试验力大小、步骤二中的指定寿命，以疲劳断裂为失效依据，在3-5级应力水平范围内，采用成组法并通过步骤三中确定的疲劳试验机对杠杆螺栓进行S-N曲线试验，记录相关疲劳寿命的有效试验数据和该数据的分布特点，利用数据处理软件进行拟合S-N曲线方程。
2.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：在步骤一中确定试验力时，在保证杠杆螺栓的升温温度不超过40℃的情况下提高试验频率。
3.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤三中的第一施力支撑杆（2）和第二施力支撑杆（5）均为T型支撑杆，且第一施力支撑杆（2）的长度小于第二施力支撑杆（5），所述第一施力支撑（2）和所述第二施力支撑杆（5）分别在上夹头（1）和下夹头（4）的横向段任意调整固定。
4.如权利要求3所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述固定螺栓（3）的一端嵌入到施力支撑杆内，另一端延伸至施力支撑杆外且用于固定在施力支撑杆上，所第一施力支撑杆（2）和第二施力支撑杆（5）上设置有供所述固定螺栓（3）安装的多个螺孔（6）。
5.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤四中的疲劳试验机为MTS 311S-1000kN电液伺服轴向疲劳试验机。
6.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤四中所选疲劳试验机具有载荷控制、数据采集功能。
7.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤四中成组法为选择多个应力水平，每个应力水平选用3-5件试件杠杆螺栓，采用疲劳试验机对多个杠杆螺栓进行疲劳寿命的测定。
8.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤四中疲劳失效的依据为通过肉眼观察杠杆螺栓疲劳断裂为两部分或出现明显裂纹。
9.如权利要求1所述的一种杠杆螺栓的S-N曲线试验方法，其特征在于：所述步骤四中数据处理软件为EXCEL、ORIGION中的一种。
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