CN114034474B - 一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于实验测量技术领域，公开了一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置及方法，包括：台架、滑柱、测力仪、力信号采集仪、平板试件、凸台试件、试验夹具、伺服电机和电机控制盒；台架包括水平设置的基架，和垂直设置在基架上表面的立板；伺服电机和电机控制盒均固定在基架上表面；滑柱竖直设置且与立板固定；测力仪固定在滑柱上；伺服电机输出轴上固定试验夹具；凸台试件为圆饼状，中部设有同轴凸台；凸台中央设有铆钉孔；平板测量试验一端设有铆钉孔；铆钉通过铆钉孔将凸台试件与平板试件铆接；凸台试件通过螺栓与试验夹具固定；且平板试件另一端与测力仪的测力传感器接触；力信号采集仪与测力仪连接用于采集测力仪的测量数据。

Description

一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置及方法
技术领域
本发明属于实验测量技术领域，涉及一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测 试装置及方法。
背景技术
铆钉连接是飞机的常用装配工艺，被广泛应用于机体结构的连接中，具有 连接构件强度稳定可靠、质量轻、成本低、工艺过程简单及容易检查和排查故 障等优点。相较于抽芯铆钉，实心铆钉铆接成型时，钉头受到铆枪的冲击力作 用，压迫钉杆膨胀变形并将钉孔完全填充形成紧密配合，钉杆端部受力镦粗变 形形成镦头，具有更高的连接强度，更能有效降低孔边应力，且其制造工艺简 单、成本更加低廉，在飞机装配中被大量应用。实心铆钉铆接后的铆接压力和 钉孔压强影响其连接强度，了解铆接压力和钉孔压强两个物理量的情况，能够 更好地完善强度校核分析，具有重要的科研和工程参考价值，目前尚无铆接压力和钉孔压强的实验测量方法。
发明内容
本发明设计了一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强的实验测量装置和方法， 该测量方法基于力矩平衡原理实现间接测量实心铆钉的铆接压力和钉孔压强， 测量装置可根据测量情况进行多维度调整，能够有效保证测量的准确性和有效 性，且测量过程操作简单。
本发明技术方案
一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，包括：所述装置包括：台架、 滑柱、测力仪、力信号采集仪、平板试件、凸台试件、试验夹具、伺服电机和 电机控制盒；
所述台架包括水平设置的基架，和垂直设置在基架上表面的立板；
所述伺服电机和电机控制盒均固定在基架上表面；
所述滑柱竖直设置且与立板固定；所述测力仪固定在所述滑柱上；
所述伺服电机输出轴上固定试验夹具；
所述凸台试件为圆饼状，中部设有同轴凸台；凸台中央设有铆钉孔；所述 平板测量试验为长板，一端设有铆钉孔；铆钉通过所述铆钉孔将凸台试件与平 板试件铆接；凸台试件通过螺栓与试验夹具固定；且所述平板试件另一端与测 力仪的测力传感器接触；
所述力信号采集仪与所述测力仪连接用于采集测力仪的测量数据。
进一步，所述台架还包括：四个可调支座、竖向水平尺和横向水平尺； 所述竖向水平尺和横向水平尺相互垂直设置在基架上表面；所述基架下表面四 角分别固定四个可调支座，所述四个可调支座用于将台架调节水平。
进一步，所述测力仪包括：测力传感器、紧固螺栓、主夹头和副夹头；
所述副夹头包括两块第一夹板，两块第一夹板一端通过销钉铰接，另一端 设有锁紧螺栓用于将副夹头与滑柱锁紧；所述副夹头外形与滑柱外形相匹配；
所述主夹头包括底板和两块第二夹板；所述底板与一块第一夹板连接且垂 直设置；所述底板中部固定测力传感器，所述底板上下两侧固定所述两块第二 夹板。
进一步，所述平板试件宽度不小于凸台试件的凸台直径；平板试件铆钉孔 与平板试件边缘的距离不小于凸台试件的凸台直径。
进一步，铆钉将平板试件和凸台试件铆接后，铆钉与平板试件铆钉孔孔壁 和凸台试件铆钉孔孔壁均为过盈配合。
一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试方法，所述方法用于所述的装置， 包括以下步骤：
步骤一：准备两块平板试件，分别记为平板试件一和平板试件二；以及两 件凸台试件，分别记为凸台试件一和凸台试件二；平板试件一和凸台试件一的 表面状态相同，为表面状态一；平板试件二和凸台试件二的表面状态相同，为 表面状态二；
步骤二：分别测量以下三种组合之间的摩擦系数:平板试件一与凸台试件 一、平板试件二与凸台试件二、平板试件一盒凸台试件二；
步骤三：用铆钉铆接平板试件一盒凸台试件一，并将固定后的试件整体固 定在试验夹具上，且平板试件与测力仪接触；通过电机控制盒逐渐增大伺服电 机的输出功率，使得凸台试件由静止进入转动状态，并记录这一过程中测力仪 测量的最大力值；并测量测力仪测力点到铆钉中心距离，结合最大力值计算力 矩M(1)；通过等效摩擦系数测量实验测量铆钉钉头与凸台试件之间的摩擦系 数μ1(1)、铆钉墩头与平板试件之间的摩擦系数μ2(1)；
步骤四：重复步骤三，使用相同的铆钉测量另外两种组合对应的力矩M(2)、 M(3)、钉头与凸台试件之间的摩擦系数μ1(2)、μ1(3)、墩头与平板试件之间的 摩擦系数μ2(2)、μ2(3)；
步骤五：通过等效摩擦系数测量实验测量铆钉顶杆与铆钉孔孔壁之间的摩 擦系数δ；
步骤六：测量铆钉的直径为d，钉头直径为d1，镦头直径为d2；
步骤七：根据三组力矩、三组钉头与凸台试件之间的摩擦系数μ1、三组墩 头与平板试件之间的摩擦系数μ2、顶杆与铆钉孔孔壁之间的摩擦系数δ和铆钉 尺寸计算铆接压力和钉孔压强。
进一步，铆接压力N计算公式如下：
Figure BDA0003295600600000031
式中，
Figure BDA0003295600600000032
Figure BDA0003295600600000033
对N(1)、N(2)、N(3)求平均得到铆接压力N。
进一步，钉孔压强P计算公式如下：
Figure BDA0003295600600000034
式中对k-1，2，3，S为铆钉孔孔壁面积，包括平板试件铆钉孔孔壁面 积和凸台试件铆钉孔孔壁面积；
P(1)、P(2)、P(3)求平均即得到铆接压力P。
本发明的优点：
(1)基于力矩平衡原理设计的间接测量方法，解决了实心铆钉的铆接压力 和钉孔压强的实验测量问题，具有重要的科研和工程应用价值；
(2)台架1和测力装置3的设计考虑了多种测量影响因素，具有可调性， 能够保证测量的准确性；
(3)在测量过程中，铆钉仅受到铆接压力、钉孔挤压力和摩擦力作用，受 力状态单一，避免了引入过多载荷，有效控制了测量误差；
(4)平板测量试件5和凸台测量试件6的结构简单，设计要求明确，可根 据科研和工程应用需要更改材料、厚度、尺寸等参数，实用性好；
(5)测量步骤具有系统性和规律性，操作过程简单明了；
(6)计算方法步骤清晰明确，易于计算。
附图说明
图1为测量装置组成示意图；
图2为台架组成示意图；
图3为可调支座结构示意图；
图4为测力仪示意图；
图5为平板测量试件示意图；
图6为凸台测量试件示意图；
图7为铆钉示意图；
图8为铆接示意图。
具体实施方式
针对目前实心铆钉的铆接压力和钉孔压强无相应测量方法问题设计提供一 种基于力矩平衡原理间接测量的装置和方法，能够有效测量实心铆钉的铆接压 力和钉孔压强，为铆接技术的科研和工程分析提供重要的实验数据参考。
发明涉及一种实心铆钉的铆接压力和钉孔压强的实验测量装置，其主要组 成包括台架1、滑柱2、测力装置3、力信号采集仪4、平板测量试件5、凸台 测量试件6、试件夹具7、伺服电机8、电机控制盒9。组装时，滑柱2与台架 1的立板固定连接，测力装置3通过自身的锁紧机构与滑柱2连接，力信号号 采集仪4用于采集测力装置3的力信号，伺服电机8通过螺栓固定在台架1上， 通过电机控制盒9控制伺服电机8的输出功率，凸台测量试件6通过试件夹具 7与伺服电机8固定连接，平板测量试件5与凸台测量试件6通过需测量铆钉 铆接固定。
台架1组成包括4个可调支座10、基架11、竖向水平尺12、横向水平尺 13。组装时，可调支座10与基架11通过双向螺栓14连接，竖向水平尺12和 横向水平尺13固定在基架11上易于观察位置。使用时，通过观察竖向水平尺 12和横向水平尺13，调整4个可调支座10使基架11处于水平状态。
可调支座10由双向螺栓14和底座15组成。双向螺栓14上部与基架连接， 下部与底座15连接，旋转双向螺栓14可调整基架11高度。
测力装置3组成包括2个防护橡胶16、力传感器17、主夹具18、副夹具 19、销钉20、2个防滑橡胶21、紧固螺栓22。组装时，主夹具18与副夹具19 通过销钉20连接，主夹具18与副夹具可绕销钉20自由转动，2个防滑橡胶21 分别粘接固定在主夹具端部的上、下内表面上，防止主夹具18与平板测量试件 5发生硬碰撞损伤，2个防滑橡胶21分别粘接固定在主夹具18和副夹具19的 圆弧内壁上，紧固螺栓22连接主夹具18和副夹具19，通过旋紧紧固螺栓22将测力装置3固定在滑柱2上。
平板测量试件5一端有铆钉孔，宽度和铆钉边距不小于凸台测量试件6的 凸台直径D；凸台测量试件6的凸台上有铆钉孔，通过螺栓与试件夹具7固定 连接；平板测量试件5与凸台测量试件6由测量铆钉铆接连接。
测量时，需准备2种表面状态的平板测量试件5和凸台测量试件6，可通 过改变表面粗糙度或镀层等条件实现，通过常规摩擦系数测量实验测出对应摩 擦系数，并按下表记录。
Figure RE-GDA0003423711880000061
测量时，通过电机控制盒9逐渐增大伺服电机8输出功率，使凸台测量试 件6由静止进入转动状态，记录这一过程中的测力装置3测量的最大力值，对 上表所列3组测量序号分别进行上述的最大力值测量；分别测量力传感器17 测力点到铆钉中心距离，结合测量的最大力值计算出对应力矩，并按下表记录。
Figure BDA0003295600600000062
由等效摩擦系数测量实验测出铆钉钉杆与钉孔孔壁之间的摩擦系数δ。
由等效摩擦系数测量实验测出铆钉钉头与凸台测量试件6、镦头与平板测 量试件5对应的摩擦系数，并按下表记录。
Figure BDA0003295600600000063
实心铆钉结构中，铆钉的直径为d，钉头直径为d1，镦头直径为d2，其铆 接压力N按如下公式计算
Figure BDA0003295600600000071
式中，
Figure BDA0003295600600000072
Figure BDA0003295600600000073
对N(1)、N(2)、N(3)求平均即得到铆接压力N。
测量平板测量试件5和凸台测量试件6厚度，结合钉孔尺寸，计算出钉孔 孔壁面积S，由求得的铆接压力N按如下公式计算钉孔压强P
Figure BDA0003295600600000074
式中对k＝1，2，3，P(1)、P(2)、P(3)求平均即得到铆接压力P。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部 分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术 人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发 明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，其特征在于：所述装置包括：所述装置包括：台架、滑柱、测力仪、力信号采集仪、平板试件、凸台试件、试验夹具、伺服电机和电机控制盒；
所述台架包括水平设置的基架，和垂直设置在基架上表面的立板；
所述伺服电机和电机控制盒均固定在基架上表面；
所述滑柱竖直设置且与立板固定；所述测力仪固定在所述滑柱上；
所述伺服电机输出轴上固定试验夹具；
所述凸台试件为圆饼状，中部设有同轴凸台；凸台中央设有铆钉孔；所述平板测量试验为长板，一端设有铆钉孔；铆钉通过所述铆钉孔将凸台试件与平板试件铆接；凸台试件通过螺栓与试验夹具固定；且所述平板试件另一端与测力仪的测力传感器接触；
所述力信号采集仪与所述测力仪连接用于采集测力仪的测量数据。
2.根据权利要求1所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，其特征在于：所述台架还包括：四个可调支座、竖向水平尺和横向水平尺；
所述竖向水平尺和横向水平尺相互垂直设置在基架上表面；所述基架下表面四角分别固定四个可调支座，所述四个可调支座用于将台架调节水平。
3.根据权利要求1所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，其特征在于：所述测力仪包括：测力传感器、紧固螺栓、主夹头和副夹头；
所述副夹头包括两块第一夹板，两块第一夹板一端通过销钉铰接，另一端设有锁紧螺栓用于将副夹头与滑柱锁紧；所述副夹头外形与滑柱外形相匹配；
所述主夹头包括底板和两块第二夹板；所述底板与一块第一夹板连接且垂直设置；所述底板中部固定测力传感器，所述底板上下两侧固定所述两块第二夹板。
4.根据权利要求3所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，其特征在于：所述平板试件宽度不小于凸台试件的凸台直径；平板试件铆钉孔与平板试件边缘的距离不小于凸台试件的凸台直径。
5.根据权利要求3所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试装置，其特征在于：铆钉将平板试件和凸台试件铆接后，铆钉与平板试件铆钉孔孔壁和凸台试件铆钉孔孔壁均为过盈配合。
6.一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试方法，所述方法用于权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：准备两块平板试件，分别记为平板试件一和平板试件二；以及两件凸台试件，分别记为凸台试件一和凸台试件二；平板试件一和凸台试件一的表面状态相同，为表面状态一；平板试件二和凸台试件二的表面状态相同，为表面状态二；
步骤二：分别测量以下三种组合之间的摩擦系数:平板试件一与凸台试件一、平板试件二与凸台试件二、平板试件一盒凸台试件二；
步骤三：用铆钉铆接平板试件一盒凸台试件一，并将固定后的试件整体固定在试验夹具上，且平板试件与测力仪接触；通过电机控制盒逐渐增大伺服电机的输出功率，使得凸台试件由静止进入转动状态，并记录这一过程中测力仪测量的最大力值；并测量测力仪测力点到铆钉中心距离，结合最大力值计算力矩M(1)；通过等效摩擦系数测量实验测量铆钉钉头与凸台试件之间的摩擦系数μ1(1)、铆钉墩头与平板试件之间的摩擦系数μ2(1)；
步骤四：重复步骤三，使用相同的铆钉测量另外两种组合对应的力矩M(2)、M(3)、钉头与凸台试件之间的摩擦系数μ1(2)、μ1(3)、墩头与平板试件之间的摩擦系数μ2(2)、μ2(3)；
步骤五：通过等效摩擦系数测量实验测量铆钉顶杆与铆钉孔孔壁之间的摩擦系数δ；
步骤六：测量铆钉的直径为d，钉头直径为d1，镦头直径为d2；
步骤七：根据三组力矩、三组钉头与凸台试件之间的摩擦系数μ1、三组墩头与平板试件之间的摩擦系数μ2、顶杆与铆钉孔孔壁之间的摩擦系数δ和铆钉尺寸计算铆接压力和钉孔压强。
7.根据权利要求6所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试方法，其特征在于：铆接压力N计算公式如下：
Figure FDA0003295600590000031
式中，
Figure FDA0003295600590000032
i＝j+1，j＝1，2，3，M(4)＝M(1)，对N(1)、N(2)、N(3)求平均得到铆接压力N。
8.根据权利要求7所述的一种实心铆钉铆接压力和钉孔压强测试方法，其特征在于：钉孔压强P计算公式如下：
Figure FDA0003295600590000033
式中对k＝1，2，3，S为铆钉孔孔壁面积，包括平板试件铆钉孔孔壁面积和凸台试件铆钉孔孔壁面积；
P(1)、P(2)、P(3)求平均即得到铆接压力P。
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