CN111721490B

CN111721490B - 一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置

Info

Publication number: CN111721490B
Application number: CN202010623914.9A
Authority: CN
Inventors: 张家陶
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: CN111721490A

Abstract

本发明公开了一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，包括测试单元、支架单元和驱动单元，支架单元用于安装测试单元和驱动单元；测试单元包括同轴心线均设有中心孔的振动模、定模、滚珠、加热炉、压力传感器和止转板，振动模中心孔与螺杆之间设有活动间隙，止转板中心孔具有与螺杆相对应的周向限定结构，用于安装被检测螺栓，振动模外周径向设有两个垂直方向的支耳；驱动单元通过两组曲柄连杆机构连接在两个支耳上，通过驱动轴带动振动模作回旋振动。本发明用于测试螺栓因振动和蠕变耦合作用导致预紧力松弛或松动的性能，以及诱导产生的剪切或弯曲疲劳损伤。与现有技术相比，该装置更接近于螺栓服役条件下多因素综合作用导致的连接失效。

Description

一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置

技术领域

本发明涉及螺栓连接组件可靠性测试技术领域，具体涉及一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，用于测试振动和蠕变耦合工况下螺栓连接组件防松和抗疲劳性能。

背景技术

螺栓连接组件在服役期间产生的预紧力松弛和松动是多方面综合因素造成的，包括塑性变形、振动、热膨胀和蠕变等。这些因素导致的预紧力松弛或松动还会耦合其他因素，最终导致螺栓连接组件失效。比如预紧力松弛为被连接构件的横向振动提供窗口，使螺栓不仅面临振动松动问题，同时还面临反复剪切应力的作用，即使螺栓不至于完全松动脱落，但也会因剪切疲劳产生失效。在内燃机上服役的螺栓，不仅面临振动，同时还受热，加速蠕变。因此在发动机上服役的螺栓因蠕变产生的预紧力松弛是不可忽略的，它往往是螺栓松动和疲劳失效的先导。

同时，发明人在实现本发明的过程中还发现：现有螺栓连接组件防松性能测试通常只考虑了一个方向的横向振动，而实际服役状态下螺栓承受的振动往往不会是单一方向的振动，加之现有测试方法并未纳入蠕变对螺栓松动和失效的影响，造成对螺栓连接组件防松性能测试的结果与实际应用不相符。

发明内容

发明构思：鉴于现有螺栓连接组件防松性能测试通常只考虑了一个方向的横向振动，而实际服役状态下螺栓承受的振动往往不会是单一方向的振动，加之现有测试方法并未纳入蠕变对螺栓松动和失效的影响，因此改进螺栓可靠性的测试方法包括以下几方面：（1）防松性能测试应当包含二维甚至三维的振动测试；（2）纳入蠕变对防松的影响评价；（3）综合考虑螺栓失效过程中松动诱导的剪切、弯曲应力疲劳损伤。

为了测试二维振动源和蠕变耦合作用下螺栓连接组件的可靠性，本发明提供了一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置。

为此，本发明的技术方案为，一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：包括测试单元、支架单元和驱动单元，

所述支架单元包括设在两侧的立板、上固定板、下固定板和支座，上固定板固定在立板的顶部，下固定板通过支座固定在两立板内侧，支座固定在立板上；

所述测试单元包括振动模、定模、滚珠、加热炉、压力传感器和止转板，其中：定模固定在上固定板的中央，振动模设在定模上方，滚珠设在定模与振动模之间；加热炉设在上固定板与下固定板之间，止转板设在下固定板的下方，压力传感器设在下固定板与止转板之间，振动模、定模、加热炉、压力传感器、止转板同轴心线设置，沿轴心线均设有供被测试螺栓的螺杆穿过的中心孔，振动模的中心孔与螺杆之间设有活动间隙，止转板的中心孔具有与螺杆的头部相对应的周向转动限定结构；振动模外周径向设有两个垂直方向上的支耳；

所述驱动单元采用两组曲柄连杆机构，每组包括连杆、可变曲拐、从动齿轮，连杆的一端铰接在对应的支耳上、另一端垂直方向上通过轴承连接可变曲拐，可变轴拐连接从动齿轮，从动齿轮上分别啮合有主动齿轮，主动齿轮设置在驱动轴上，驱动轴上设有电机连接端、通过连接电机带动驱动轴往复运动；

测试时，将被测试螺栓的螺杆端从止转板的中心孔穿入、从振动模的上表面穿出，通过螺母拧紧螺栓；启动电机，驱动轴带动主动齿轮旋转，主动齿轮再带动从动齿轮、从动齿轮带动可变曲拐、可变曲拐带动连杆；可变曲拐与连杆构成曲柄连杆机构，当采用单个连杆驱动振动模、振动模仅沿着一个方向作往复振动；当两个连杆同时驱动时，两个垂直方向的往复振动形成合运动，使振动模绕螺杆作回旋振动；振动模振动时一方面使螺栓连接件产生振动松动，另一方面使螺杆处于反复剪切、弯曲应力状态；加热炉对螺栓加热，模拟在耦合振动时螺栓受热膨胀和蠕变工况时产生的预紧力松弛；通过压力传感器读取螺栓在振动、蠕变的复合工况下预紧力变化数据，被测试螺栓连接件组件在振动、蠕变复合工况下的防松和抗疲劳性能。

作为优选，所述可变曲拐由主偏心轴和副偏心轴组成，主偏心轴一端安装从动齿轮，另一端设置有轴孔，孔内轴向设置有一个键槽，用于安装副偏心轴；副偏心轴A端与轴孔相配合，该端外壁上轴向设置有多个键槽，副偏心轴B端与连杆配合；主偏心轴上的键槽与副偏心轴上不同的键槽配合并通过键固定，主偏心轴一端和副偏心轴B端的轴中心线距离发生变化，由此改变振动模的振幅。

对上述技术方案的进一步限定在于，所述振动模的中心孔与螺杆之间的活动间隙大于主偏心轴一端和副偏心轴B端的轴中心线之间距离，以保证振动模能够沿被检测螺栓的螺杆回旋振动。

对上述技术方案的进一步改进在于，所述定模上设有环形槽，滚珠放置在环形槽中，使振动模除了受到被测试螺栓的螺母的摩擦阻力，不会受到被测试螺栓的其他横向阻力，从而能够实现振动模的回旋振动。

对上述技术方案的进一步改进在于，所述立板的竖直方向上设有导向槽，支座通过螺栓固定在导向槽中，用于针对不同长度的被检测螺栓可以灵活调整下固定板与上固定板之间的距离，更具有通用性。

对上述技术方案的进一步限定在于，当被检测螺栓为外六角螺栓时，所述止转板的周向转动限定结构为正六角孔，与被检测螺栓的外六角相适应；当被检测螺栓为内六角螺栓时，增设六角销，六角销的一端套在止转板六角孔内，另一端插入螺栓的内六角孔，使该装置更具通用性。

有益效果：本发明中，被检测螺栓在二维横向振动源产生的回旋振动工况下的防松性能要高于现有一维横向振动条件下的测试结果，更接近与实际服役条件下螺栓承受的振动特征。同时，本发明把蠕变对螺栓松动的影响纳入到测试中，对于指导受热或者蠕变现象突出的工况下螺栓的开发与可靠性测试具有重要意义。综合测试螺栓因振动和蠕变耦合作用导致的预紧力松弛或松动，进而诱导的剪切或弯曲疲劳损伤，这更接近于螺栓服役条件下多因素综合作用导致的连接失效。这对于促进高可靠性螺栓连接组件的开发具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明的剖视图。

图4是本发明的振动模的结构图。

图5是本发明中长度短的可变曲拐所用主偏心轴的示意图。

图6是本发明中长度长的可变曲拐所用主偏心轴的示意图。

图7是本发明的副偏心轴的结构图。

图8是本发明的可变曲拐中主偏心轴输入端轴心与副偏心轴输出端轴心的距离为振幅。

图9是本发明的被测试螺栓为内六角螺栓的周向转动限定结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明如图1至图9所示：

一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，包括测试单元、支架单元和驱动单元，

所述支架单元包括设在两侧L型的立板8（L型的水平段与竖直段之间设有加强筋板）、上固定板7、下固定板9和支座10，上固定板7固定在立板8的顶部，下固定板9通过支座10固定在两立板8内侧，支座固定在立板上；

所述测试单元包括振动模100、定模300、滚珠200、加热炉400、压力传感器500和止转板700，其中：定模300固定在上固定板7的中央，振动模100设在定模上方，定模300上设有环形槽，滚珠200放置在定模与振动模之间的环形槽中；加热炉400设在上固定板7与下固定板9之间，止转板700设在下固定板9的下方（止转板为倒置的Ω形结构，止转板的中间凹槽构成压力传感器的安装部、槽口向两侧的延伸部构成安装部、并通过安装部固定在支座10底部），压力传感器500设在下固定板9与止转板700之间，振动模、定模、加热炉、压力传感器、止转板同轴心线设置，沿轴心线均设有供被测试螺栓600的螺杆穿过的中心孔，振动模100的中心孔与螺杆之间设有活动间隙，止转板700的中心孔具有与螺杆的头部相对应的周向转动限定结构；振动模100的外周设有两个垂直方向上的支耳101；

所述驱动单元采用两组曲柄连杆机构，每组包括连杆11、可变曲拐12、从动齿轮13，连杆11的一端通过圆柱插销102 铰接在对应的支耳101上、另一端垂直方向上通过轴承连接可变曲拐12（两组可变曲拐的长度不同），可变轴拐连接从动齿轮13（其中：长度短的可变曲拐连接的从动齿轮采用锥型齿轮），可变曲拐12通过轴承座16连接在支撑座17上，从动齿轮上分别啮合有主动齿轮15（与锥型齿轮啮合的主动齿轮为对应的锥型齿轮），两个主动齿轮间隔设置在同一根驱动轴14上实现同步运动，驱动轴14通过轴承座16连接在支撑座17上，驱动轴14上设有电机连接端、通过连接电机带动驱动轴往复运动。

所述可变曲拐12由主偏心轴121和副偏心轴122组成，主偏心轴一端1211安装从动齿轮，另一端设置有轴孔1212，孔内轴向设置有一个键槽1213，用于安装副偏心轴122；副偏心轴A端1221与轴孔1212相配合，该端外壁上轴向设置有多个键槽1222并通过键连接，副偏心轴B端1223与连杆通过轴承相连接；主偏心轴121上的键槽1213与副偏心轴122上不同的键槽1222配合时，主偏心轴一端1211和副偏心轴B端1223的轴中心线距离发生变化，由此改变振动模100的振幅。

所述振动模100的中心孔与螺杆之间的活动间隙大于主偏心轴一端1211和副偏心轴一端1223的轴中心线之间距离（即偏心量），以保证振动模能够沿被检测螺栓的螺杆回旋转动。

所述立板8的竖直方向上设有两排导向槽81，支座10通过螺栓固定在导向槽中，用于针对不同长度的被检测螺栓可以灵活调整下固定板与上固定板之间的距离，更具有通用性。

当被检测螺栓为外六角螺栓时，所述止转板700的周向转动限定结构为正六角孔，与被检测螺栓的外六角相适应；当被检测螺栓为内六角螺栓时，增设六角销800，六角销的一端套在止转板六角孔内，另一端插入螺栓的内六角孔，使该装置更具通用性。

本发明的使用方法：

测试时，将被测试螺栓600的螺杆端从止转板700的中心孔穿入、从振动模100的上表面穿出，通过螺母拧紧螺栓；启动电机，驱动轴14带动主动齿轮15旋转，主动齿轮再带动从动齿轮13、从动齿轮带动可变曲拐12、可变曲拐带动连杆11，可变曲拐与连杆11构成曲柄连杆机构，若采用单个连杆驱动振动模100、振动模仅沿着一个方向作往复振动；当两个连杆同时驱动时，两个垂直方向的往复振动形成合运动，使振动模绕螺杆作回旋振动；振动模100振动时一方面使螺栓连接件产生振动松动，另一方面使螺杆处于反复剪切、弯曲应力状态；加热炉400对螺栓加热，模拟在耦合振动时螺栓受热膨胀和蠕变工况时产生的预紧力松弛；通过压力传感器500读取螺栓在振动、蠕变的复合工况下预紧力变化数据，被测试螺栓连接件组件在振动、蠕变复合工况下的防松和抗疲劳性能。

本发明中其他未详述部分均属于现有技术，故在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：包括测试单元、支架单元和驱动单元，

所述支架单元包括设在两侧的立板（8）、上固定板（7）、下固定板（9）和支座（10），上固定板（7）固定在立板（8）的顶部，下固定板（9）通过支座（10）固定在两立板（8）内侧，支座固定在立板上；

所述测试单元包括振动模（100）、定模（300）、滚珠（200）、加热炉（400）、压力传感器（500）和止转板（700），其中：定模（300）固定在上固定板（7）的中央，振动模（100）设在定模上方，滚珠（200）设在定模与振动模之间；加热炉（400）设在上固定板（7）与下固定板（9）之间，止转板（700）设在下固定板（9）的下方，压力传感器（500）设在下固定板（9）与止转板（700）之间，振动模、定模、加热炉、压力传感器、止转板同轴心线设置，沿轴心线均设有供被测试螺栓（600）的螺杆穿过的中心孔，振动模（100）的中心孔与螺杆之间设有活动间隙，止转板（700）的中心孔具有与螺杆的头部相对应的周向转动限定结构；振动模（100）外周径向设有两个垂直方向上的支耳（101）；

所述驱动单元采用两组曲柄连杆机构，每组包括连杆（11）、可变曲拐（12）、从动齿轮（13），连杆（11）的一端铰接在对应的支耳（101）上、另一端垂直方向上通过轴承连接可变曲拐（12），可变轴拐连接从动齿轮（13），从动齿轮上分别啮合有主动齿轮（15），主动齿轮设置在驱动轴（14）上，驱动轴上设有电机连接端、通过连接电机带动驱动轴往复运动；

测试时，将被测试螺栓（600）的螺杆端从止转板（700）的中心孔穿入、从振动模（100）的上表面穿出，通过螺母拧紧螺栓；启动电机，驱动轴（14）带动主动齿轮（15）旋转，主动齿轮再带动从动齿轮（13）旋转、从动齿轮带动可变曲拐（12）绕着输入端轴心旋转；可变曲拐与连杆（11）构成曲柄连杆机构，若采用单个连杆驱动振动模（100），振动模仅沿着一个方向作往复振动；当两个连杆同时驱动时，两个垂直方向的往复振动形成合运动，使振动模绕螺杆作回旋振动；振动模（100）振动时一方面使螺母产生振动松动，另一方面使螺杆处于反复剪切、弯曲应力状态；加热炉（400）对螺栓加热，模拟在耦合振动时螺栓受热膨胀和蠕变工况时产生的预紧力松弛；通过压力传感器（500）读取螺栓在振动、蠕变的复合工况下预紧力变化数据，用于分析被测试螺栓连接件组件在振动、蠕变复合工况下的防松和抗疲劳性能。

2.根据权利要求1所述一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：所述可变曲拐（12）由主偏心轴（121）和副偏心轴（122）组成，主偏心轴一端（1211）安装从动齿轮，另一端设置有轴孔（1212），孔内轴向设置有一个键槽（1213），用于安装副偏心轴（122）；副偏心轴A端（1221）与轴孔（1212）相配合，该端外壁上轴向设置有多个键槽（1222），副偏心轴B端（1223）与连杆配合；主偏心轴（121）上的键槽（1213）与副偏心轴（122）上不同的键槽（1222）配合并通过键固定，主偏心轴一端（1211）和副偏心轴B端（1223）的轴中心线距离发生变化，由此改变振动模（100）的振幅。

3.根据权利要求1或2所述一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：所述振动模（100）的中心孔与螺杆之间的活动间隙大于主偏心轴一端（1211）和副偏心轴B端（1223）的轴中心线之间距离。

4.根据权利要求3所述一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：所述定模（300）上设有环形槽，滚珠（200）放置在环形槽中。

5.根据权利要求1或2或4所述一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：所述立板（8）的竖直方向上设有导向槽（81），支座（10）通过螺栓固定在导向槽中。

6.根据权利要求5所述一种螺栓连接组件防松与抗疲劳综合性能测试装置，其特征在于：当被检测螺栓为外六角螺栓时，所述止转板（700）的周向转动限定结构为正六角孔，与被检测螺栓的外六角相适应；当被检测螺栓为内六角螺栓时，增设有六角销（800），六角销的一端套在止转板六角孔内，另一端插入螺栓的内六角孔。