CN110657975A - 一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，属于机械设计领域。试验装置包括材料试验机、螺栓连接试件、压力传感器、数据采集卡等。所述方法利用材料试验机对螺栓连接结构施加横向载荷，记录螺栓预紧力和单向拉伸试验过程中的力—位移曲线，以此划分螺栓连接在横向滑移过程中的各个阶段。使用提出的试验装置和方法，记录不同预紧力下螺栓连接横向滑移各阶段的载荷和位移阈值，并计算其切向表征刚度。采用压力传感器获取螺栓预紧后的预紧力，并进行螺栓连接性能的多因素分析。此外，还可以针对特定的螺栓连接结构进行性能检测与评估，为螺栓连接应用的可靠性评估和优化设计提供了重要依据和参考。

Description

一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法
技术领域
本发明涉及一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，属于机械设计领域。
背景技术
螺栓连接被广泛应用于各类机械结构中，其连接质量将直接影响机械结构的整体性能。但是在外部的载荷作用下，螺栓预紧力会逐渐减少，使得螺栓连接结构的连接性能降低。外部载荷常被分为沿螺栓轴向和垂直于螺栓轴向(横向)，相较于螺栓连接的轴向负载，横向载荷作用下螺栓连接更容易松动，因而引起了更多的关注。而且，横向载荷作用下，螺栓连接的力—位移曲线具有非线性特征，因此探究螺栓连接在横向载荷作用下的性能表现是其可靠性设计的必然要求。
螺栓连接在横向载荷作用下，其螺纹旋合处和承压面处的接触状态发生了变化。在横向载荷作用的初期，螺纹和螺栓承压面处仅发生局部的滑移，随着横向载荷的增大，螺纹处发生了完全滑移，螺纹区域接触状态的改变使得螺栓连接结构的整体性能发生了改变。当外部的横向载荷增大到一定程度时，螺栓连接件之间将发生相对滑动，致使螺杆与孔壁相接触。横向载荷作用下螺栓连接的性能强烈的非线性特征，增大了螺栓连接结构设计的难度。
螺栓连接结构的性能是多种因素综合作用的结果，如：连接件材料、润滑、螺栓规格及螺栓预紧力等。针对特定的螺栓连接结构，预紧力是螺栓连接设计的重要参数。螺栓预紧力的大小会影响结合面的应力分布状态，进而影响螺栓连接的整体性能。相关文献表明，提高预紧力，可显著提升螺栓连接的防松动性能，并提高螺栓连接的整体性能。目前常用的紧固方法都会造成螺栓预紧力一定程度的分散。预紧力对螺栓连接结构性能的影响也是其连接性能分析的重要内容。
为研究螺栓连接的性能，预紧后，根据实际工况确定相关试验参数，采用统一的螺栓连接性能检测与评估的试验方法，进而采取针对性措施，可提高螺栓连接的可靠性和一致性。
发明内容
本发明提出了横向载荷作用下螺栓连接阶段性能检测的试验方法。为实施该方法，本发明采用了螺栓连接性能检测的实验装置。该装置通过材料试验机对螺栓连接结构施加横向载荷，并记录试验过程中的力—位移曲线，针对曲线的各个阶段进行定性和定量分析；采用压力传感器记录预紧后螺栓获得的预紧力，并结合力—位移曲线进行多因素的综合分析。
本发明所采取的具体技术方案为：由螺栓连接结构实际的螺栓材料、规格、润滑情况选择合适的紧固方法，根据实际工况确定相关试验参数，经由控制器和材料试验机进行控制和实施。由压力传感器测量螺栓预紧后获得的预紧力。根据试验获得的力—位移曲线进行阶段划分，并对各阶段下的螺栓连接性能进行定性和定量分析。结合各阶段的横向载荷阈值，计算各阈值与螺栓预紧力的百分比，为预紧力的设计提供依据。
为实现上述目标，本方法所采用的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测装置包括：材料试验机(1)、上试验件(2)、下试验件(5)、螺杆(8)、压力传感器(9)、垫片(3)及螺母(4)、控制器(6)和计算机(7)等。螺杆(8)、垫片(3)和螺母(4)用于连接压力传感器(9)、上试验件(2)和下试验件(5)，其共同组成螺栓连接结构。压力传感器(9)用于测量螺栓连接结构预紧后获得的预紧力。螺栓连接结构的上试验件(2)和下试验件(5)分别由材料试验机(1)的上、下夹头固定。材料试验机(1)用于对螺栓连接结构施加横向载荷，并由控制器(6)记录加载过程中的力—位移曲线，最终将所有的实验数据导入至计算机(7)进行综合处理分析。
利用上述装置，提出了一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法。本方法根据实际的试验结果进行螺栓连接结构在横向载荷下的滑移阶段划分，并研究了螺栓连接结构在横向载荷作用下性能的影响因素。
(1)提出了一种简单可行的试验方法，将横向载荷下螺栓连接的性能变化进行阶段划分，为螺栓连接的设计提供了重要参考。
(2)采用所提出的试验方法，可获得各阶段下的载荷阈值和位移阈值，对螺栓连接结构服役期间的可靠性评估提供了依据。
(3)提供了将螺栓连接的整体结构与螺栓预紧力的关系进行统一分析的方法，便于螺栓连接结构的优化设计。
(4)可对现有的螺栓连接结构进行性能检测与评估，得出定性和定量检测与评估结果。
附图说明
图1螺栓连接性能检测与评估的试验流程图。
图2螺栓连接性能检测与评估试验装置图。
图3横向载荷下典型的力—位移曲线图。
图中：1—材料试验机、2—上试验件、3—垫片、4—螺母、5—下试验件、6—控制器、7—计算机、8—螺杆、9—压力传感器、10—数据采集卡
具体实施方式
以下结合附图对本方法进行详细说明。
一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，该方法的实施步骤如下：
步骤1：螺栓连接结构预紧；
将螺杆8依次穿过压力传感器9、上试验件2、下试验件5、垫片3、螺母4，将压力传感器9连接至数据采集卡10和计算机7，并进行相关采集软件的配置。选取合适的预紧工具和预紧方法对螺栓连接结构进行预紧，并记录获得的螺栓预紧力F。
步骤2：螺栓连接结构拉伸试验；
将预紧后的螺栓连接结构放置在材料试验机1上，其中，上连接件2由材料试验机1的上夹头进行夹持，而下连接件5由下夹头进行夹持。根据实际工况选择施加横向载荷的大小和载荷施加速度，由控制器6进行对材料试验机1的控制，开展多次重复性试验，并进行实验过程中螺栓连接结构的力—位移曲线记录。
步骤3：实验数据分析与处理；
根据实验获得的力—位移曲线进行阶段划分。图3为横向载荷下典型的力—位移曲线图，将曲线OA段定义为局部滑移阶段，AB段定义为完全螺纹滑移阶段，BC段定义为完全滑移阶段，CD段定义为完全接触阶段。其中，点O为横向载荷作用的起始点，点A为从局部滑移阶段达到完全螺纹滑移阶段的临界点，点B为达到完全滑移阶段的临界点，点C为达到完全接触阶段的临界点，点D表示横向载荷作用的结束点。
A、B点处的横向载荷Fa和Fb被定义为达到完全螺纹滑移阶段和完全滑移阶段时的横向载荷阈值，对应的滑移距离分别为Da和Db。Ds为完全滑移阶段的滑移距离。D点处的滑移距离Dd为达到所施加横向载荷时的滑移距离。OA段曲线的斜率Ka被定义为局部滑移阶段的切向刚度，如式(1)，
Figure BDA0002231084960000041
AB段曲线的斜率Kb被定义为完全螺纹滑移阶段的切向刚度，如式(2)，
Figure BDA0002231084960000042
针对特定的工程应用，螺栓连接结构服役过程中所承受的横向载荷可确定。以给定横向载荷Fd和相应的滑移距离Dd表征的螺栓连接的切向刚度为
Figure BDA0002231084960000043
步骤4：预紧力与螺栓连接性能分析；
螺栓夹紧力的大小直接影响着螺栓连接结构的整体性能，为探究螺栓夹紧力与横向载荷下螺栓连接性能的影响关系，将达到完全螺纹滑移阶段的横向载荷阈值Fa所占螺栓预紧力F的百分比定义为达到完全螺纹滑移阶段的阈值百分比Φa为
同样，将达到完全螺纹滑移阶段的横向载荷阈值Fb所占螺栓预紧力F的百分比定义为达到完全滑移阶段的阈值百分比Φb为
通过多次重复性试验得出螺栓预紧力与两阶段横向载荷阈值百分比的定量分析结论。根据工程实践要求，根据试验得出的关系选取合适的预紧力。
步骤5：螺栓连接的性能检测与评估；
由步骤1至步骤4，获得螺栓连接性能表征的关键参数，对螺栓连接结构的设计提供参考，或对现有的螺栓连接进行性能检测与评估，以探究螺栓连接的性能，提高螺栓连接应用的可靠性。

Claims (9)

1.一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：装置包括材料试验机(1)，螺杆(8)、垫片(3)及螺母(4)用于连接螺栓上连接件(2)和螺栓下连接件(5)，压力传感器(9)安装在螺杆(8)头部和螺栓下连接件(5)之间，材料试验机(1)由控制器(6)进行控制，并记录相关试验数据，压力传感器(9)用于测量螺栓连接结构在预紧后的预紧力，经由数据采集卡(10)进行数据采集，试验中获得的全部数据传输至计算机(7)中，记录螺栓的预紧力和实验过程中力—位移曲线。
2.根据权利要求1所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：针对螺栓连接结构，根据实际工况选择横向载荷及其加载速度，开展多次重复性试验。
3.根据权利要求1所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：通过改变垫片种类及其组合方式、润滑条件、防松措施，进行不同条件下螺栓连接性能的检测与评估。
4.根据权利要求1所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：通过试验获取螺栓连接结构的力—位移曲线，将其在横向载荷下的性能划分为四个阶段，分别为：局部滑移阶段、完全螺纹滑移阶段、完全滑移阶段和完全接触阶段；但在装配间隙、横向载荷大小的影响下，螺栓连接结构不会出现完整的四个阶段，实际的滑移阶段应依据试验所获取的力—位移曲线进行划分。
5.根据权利要求1所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：将局部滑移阶段和完全螺纹滑移阶段横向载荷阈值与位移阈值的比值定义为螺栓连接的局部滑移刚度和完全螺纹滑移刚度，将给定载荷与该载荷下的滑移距离的比值定义为螺栓连接在特定载荷下的整体表征刚度。
6.根据权利要求1所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的装置，其特征在于：获得局部滑移阶段和完全螺纹滑移阶段横向载荷与螺栓预紧力的百分比，分别将其定义为局部滑移阶段横向载荷阈值百分比和完全螺纹滑移阶段的横向载荷阈值百分比，用于螺栓预紧力设计的参考。
7.利用权利要求1所述装置进行的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
步骤1，将螺栓连接结构预紧，采用压力传感器(9)测量获得的螺栓预紧力；
步骤2，使用材料试验机(1)对螺栓连接结构施加横向载荷，开展多次重复性试验，获得螺栓连接在横向载荷下的力—位移曲线，将其划分为不同的滑移阶段；
步骤3，分别获取完全螺纹滑移阶段和完全滑移阶段的横向载荷阈值和滑移距离阈值、达到完全接触阶段时的位移值以及给定载荷下的滑移距离；
步骤4，计算螺栓连接在局部滑移阶段和完全螺纹滑移阶段的切向表征刚度、完全滑移阶段的滑移距离、特定载荷下螺栓连接整体的切向表征刚度；
步骤5，计算各阶段横向载荷阈值所占预紧力的百分比，针对特定的螺栓连接结构，按照预紧力的百分比进行阶段划分，分析预紧力对各阶段横向载荷阈值的影响规律；
步骤6，根据试验测试结果进行螺栓连接性能的检测与评估。
8.根据权利要求7所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，其特征在于：根据实验获得的力—位移曲线进行阶段划分；横向载荷下典型的力—位移曲线图中，将曲线OA段定义为局部滑移阶段，AB段定义为完全螺纹滑移阶段，BC段定义为完全滑移阶段，CD段定义为完全接触阶段；其中，点O为横向载荷作用的起始点，点A为从局部滑移阶段达到完全螺纹滑移阶段的临界点，点B为达到完全滑移阶段的临界点，点C为达到完全接触阶段的临界点，点D表示横向载荷作用的结束点；
A、B点处的横向载荷Fa和Fb被定义为达到完全螺纹滑移阶段和完全滑移阶段时的横向载荷阈值，对应的滑移距离分别为Da和Db；Ds为完全滑移阶段的滑移距离；D点处的滑移距离Dd为达到所施加横向载荷时的滑移距离；OA段曲线的斜率Ka被定义为局部滑移阶段的切向刚度，如式(1)，
AB段曲线的斜率Kb被定义为完全螺纹滑移阶段的切向刚度，如式(2)，
Figure FDA0002231084950000022
针对特定的工程应用，螺栓连接结构服役过程中所承受的横向载荷可确定；以给定横向载荷Fd和相应的滑移距离Dd表征的螺栓连接的切向刚度为
Figure FDA0002231084950000031
9.根据权利要求7所述的一种横向载荷下螺栓连接阶段性能检测的试验方法，其特征在于：
螺栓夹紧力的大小直接影响着螺栓连接结构的整体性能，为探究螺栓夹紧力与横向载荷下螺栓连接性能的影响关系，将达到完全螺纹滑移阶段的横向载荷阈值Fa所占螺栓预紧力F的百分比定义为达到完全螺纹滑移阶段的阈值百分比Φa为
Figure FDA0002231084950000032
同样，将达到完全螺纹滑移阶段的横向载荷阈值Fb所占螺栓预紧力F的百分比定义为达到完全滑移阶段的阈值百分比Φb为
Figure FDA0002231084950000033
通过多次重复性试验得出螺栓预紧力与两阶段横向载荷阈值百分比的定量分析结论；根据工程实践要求，根据试验得出的关系选取合适的预紧力。
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