WO2012013137A1 - 螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法 - Google Patents

螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法 Download PDF

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Description

螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法 技术领域
本发明属于构件结合面全载荷静特性试验技术领域，涉及一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，本发明还涉及一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法。
背景技术
一台机器由众多构件组成，构件与构件连接的表面称为结合面，结合面特性对机器整机特性影响很大，机床、坐标测量机、机器人等机器的结合面刚度占整机刚度50%以上，阻尼占到50%-80%。构件与构件用螺栓连接起来的结合面称为螺栓结合面，螺栓结合面特性由两个构件的连接面、螺栓与其中一个构件的螺纹连接面及螺栓与另一个构件的连接面等三部分结合面的特性决定。结合面特性具有非线性特征，因此获取螺栓结合面特性的试验装置及试验方法对所获取的螺栓结合面特性的准确性至关重要。
实际结构中两个构件的连接面可能很大，连接螺栓个数可能有多个，把其中一个螺栓连接的结合面称为螺栓结合面单元，整个螺栓结合面特性取决于各个螺栓结合面单元特性及其分布，如果螺栓结合面单元的特性能够准确获取，然后通过解析就可以求出整个螺栓结合面特性。螺栓结合面单元是整个螺栓结合面的一部分，因此螺栓结合面单元就可能既承受法向预紧力，还要承受工作载荷（包括法向力、切向力、转矩和弯矩等全工作载荷）。而目前的螺栓结合面静特性试验装置只能局限于法向预紧特性试验。
 技术问题
本发明的目的是提供一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，能够进行螺栓结合面的法向力、切向力、转矩和弯矩全工作载荷静特性试验。本发明的另一个目的是提供一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，实现螺栓结合面的法向力、切向力、转矩和弯矩全工作载荷静特性试验。
 技术解决方案
本发明所采用的技术方案是，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体的台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；上试件的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件、第二施载组件，第一施载组件、第二施载组件分别垂直向上与横梁连接；上试件的两端悬臂端头各安装一个连接件，连接件与横梁的右立柱、左立柱之间各设有一轴线水平的施载组件，分别称为第三施载组件、第四施载组件。
本发明所采用的另一技术方案是，利用上述装置，进行下述测量实验：
方式1，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体的台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；所述预载组件的结构是，包括模拟螺栓头、力传感器、垫片、轴承、专用螺杆及定心附件，定心附件由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆、轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件、下试件的同心安装，专用螺杆的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆从上到下依次穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件的轴心孔，专用螺杆的下端与下试件通过螺纹连接；
利用上述的装置，进行竖直方向预紧力试验的步骤是，
将下试件固定在箱体上，将上试件置于下试件上表面，在下试件和上试件的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器，利用定心附件的同心安装作用，将专用螺杆下端依次向下穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头的孔后，使专用螺杆下端与下试件螺纹连接，撤走定心附件，转动专用螺杆的上端方头，专用螺杆压紧上试件、下试件，从而施加法向预紧力；此时，通过力传感器检测出预紧力，各个位移传感器同时检测出上试件、下试件的法向相对位移，该法向相对位移即是螺栓结合面单元的预变形，调整预载组件的专用螺杆改变预紧力，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的预紧力与预变形的关系；
方式2，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体的台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；上试件的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件、第二施载组件，第一施载组件、第二施载组件分别垂直向上与横梁连接；所述预载组件的结构是，包括模拟螺栓头、力传感器、垫片、轴承、专用螺杆及定心附件，定心附件由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆、轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件、下试件的同心安装，专用螺杆的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆从上到下依次穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件的轴心孔，专用螺杆的下端与下试件通过螺纹连接；所述第一施载组件、第二施载组件的结构相同，垂直安装，均包括力传感器组件、前施载螺母、后施载螺母及法兰，每个力传感器组件的一端与上试件两端悬臂分别固定连接，每个力传感器组件的另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与安装在横梁上的对应的法兰连接；
利用上述的装置，进行法向工作载荷试验的步骤是，
将下试件固定在箱体上，将上试件置于下试件上，在下试件和上试件的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器，在上试件的两个悬臂上安装第一施载组件、第二施载组件；利用定心附件的同心安装作用，将专用螺杆的下端依次向下穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头的孔后，使专用螺杆的下端与下试件螺纹连接，撤走定心附件，转动专用螺杆的上端方头，专用螺杆压紧上试件、下试件从而施加法向预紧力；将第一施载组件、第二施载组件的一端与上试件悬臂分别固定连接，将第一施载组件、第二施载组件的另一端与横梁上的法兰连接，调整第一施载组件、第二施载组件的前施载螺母、后施载螺母，使垂直安装的第一施载组件、第二施载组件施加相同的法向工作载荷，即根据需要施加拉或压载荷；第一施载组件、第二施载组件施加的法向工作载荷由第一施载组件、第二施载组件各自的力传感器组件检测出，由垂直方向的位移传感器检测出上试件、下试件因法向工作载荷而产生的法向相对位移，即是螺栓结合面单元因法向工作载荷而产生的法向变形，改变第一施载组件、第二施载组件施加的法向工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的法向工作载荷与因法向工作载荷而产生的法向变形的关系；
方式3，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；上试件一侧悬臂端头安装一个连接件，连接件与横梁的右立柱之间设有一轴线水平的第三施载组件；所述预载组件的结构是，包括模拟螺栓头、力传感器、垫片、轴承、专用螺杆及定心附件，定心附件由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆、轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件、下试件的同心安装，专用螺杆的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆从上到下依次穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件的轴心孔，专用螺杆的下端与下试件通过螺纹连接；所述第三施载组件水平安装，包括力传感器组件、前施载螺母、后施载螺母及法兰，力传感器组件的一端通过连接件与上试件的一端头固定连接，力传感器组件的另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与安装在右立柱上对应的法兰连接；
利用上述的装置，进行切向工作载荷试验的步骤是，
将下试件固定在箱体上，将上试件置于下试件上方，在下试件和上试件的各个测量平面上设置若干水平方向的位移传感器；利用定心附件的同心安装作用，将专用螺杆下端依次向下穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头的孔后，使专用螺杆下端与下试件螺纹连接，撤走定心附件，转动专用螺杆的上端方头，专用螺杆压紧上试件、下试件从而施加法向预紧力；在上试件的一侧水平安装一个连接件及第三施载组件，第三施载组件的轴线S要通过上试件与下试件的连接面并与预载组件的专用螺杆的轴线L垂直相交，水平安装的第三施载组件的力传感器组件的一端与连接件右方固定连接，力传感器组件的另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与法兰连接，法兰固定安装在右立柱上；调整第三施载组件的前施载螺母、后施载螺母施加切向工作载荷，切向工作载荷根据需要为正或负，第三施载组件施加的切向工作载荷由第三施载组件的力传感器组件检测出，由水平方向的位移传感器检测出上试件与下试件因切向工作载荷而产生的切向相对位移，即是螺栓结合面单元因切向工作载荷而产生的切向变形，改变第三施载组件施加的切向工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的切向工作载荷与因切向工作载荷而产生的切向变形的关系；
方式4，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；上试件的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件、第二施载组件，第一施载组件、第二施载组件分别垂直向上与横梁连接；所述预载组件的结构是，包括模拟螺栓头、力传感器、垫片、轴承、专用螺杆及定心附件，定心附件由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆、轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件、下试件的同心安装，专用螺杆的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆从上到下依次穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件的轴心孔，专用螺杆的下端与下试件通过螺纹连接；所述第一施载组件、第二施载组件的结构相同，垂直安装，均包括力传感器组件、前施载螺母、后施载螺母及法兰，每个力传感器组件的一端与上试件两端悬臂分别固定连接，每个力传感器组件的另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与安装在横梁上的对应的法兰连接；
利用上述的装置，进行弯矩工作载荷试验的步骤是，
将下试件固定在箱体上，将上试件置于下试件上方，在下试件和上试件的各个测量平面上设置若干位移传感器；利用定心附件的同心安装作用，将专用螺杆的下端依次向下穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头的孔后，使专用螺杆的下端与下试件螺纹连接，撤走定心附件，转动专用螺杆的上端方头，专用螺杆压紧上试件、下试件，从而施加法向预紧力；调整左、右垂直安装的第一施载组件、第二施载组件的前施载螺母、后施载螺母使左、右垂直安装的第一施载组件、第二施载组件施加大小相等方向相反的法向工作载荷，从而施加弯矩工作载荷，法向工作载荷由垂直安装的第一施载组件、第二施载组件的力传感器组件检测出，并由两个方向相反的法向工作载荷求出弯矩工作载荷；由垂直方向的位移传感器检测出上试件、下试件垂直方向的相对位移，由上试件、下试件垂直方向的相对位移求出螺栓结合面单元因弯矩工作载荷而产生的倾角变形，调整垂直安装的第一施载组件、第二施载组件的前施载螺母、后施载螺母，改变弯矩工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的倾角变形随着弯矩工作载荷变化而变化的关系；
方式5，一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体，箱体的上方设置有横梁，横梁通过左立柱、右立柱与箱体固定连接；在箱体的台面上安放有下试件，下试件上放置有上试件，上试件向上与横梁之间设置有预载组件，预载组件与上试件、下试件依次连接；上试件的两端悬臂端头各安装一个连接件，连接件与横梁的右立柱、左立柱之间各设有一轴线水平的施载组件，分别称为第三施载组件、第四施载组件；所述预载组件的结构是，包括模拟螺栓头、力传感器、垫片、轴承、专用螺杆及定心附件，定心附件由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆、轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件、下试件的同心安装，专用螺杆的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆从上到下依次穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头、上试件的轴心孔，专用螺杆的下端与下试件通过螺纹连接；所述第三施载组件、第四施载组件的结构相同，水平安装，均包括力传感器组件、前施载螺母、后施载螺母及法兰，每个力传感器组件的一端通过连接件与上试件的两端头分别固定连接，每个力传感器组件的另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与安装在左立柱、右立柱上对应的法兰连接；
利用上述的装置，进行转矩工作载荷试验的步骤是，
将下试件固定在箱体上，将上试件置于下试件上方，在下试件和上试件的各个测量平面上设置若干位移传感器；利用定心附件的同心安装作用，将专用螺杆的下端依次向下穿过轴承、垫片、力传感器、模拟螺栓头的孔后，使专用螺杆的下端与下试件螺纹连接，撤走定心附件，转动专用螺杆的上端方头，专用螺杆压紧上试件、下试件从而施加法向预紧力；在上试件左、右侧方各安装一个水平第三施载组件、第四施载组件，水平第三施载组件、第四施载组件轴线S要通过上试件、下试件的连接面，与专用螺杆的轴线L垂直但不相交，且左、右方水平的第三施载组件、第四施载组件的轴线S距专用螺杆的轴线L的距离相等而位置方向相反，一个在专用螺杆轴线L的前方，一个在专用螺杆轴线L的后方；第三施载组件的力传感器组件的一端通过连接件与上试件右方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与固定安装在右立柱上的法兰连接；第四施载组件的力传感器组件一端通过另一连接件与上试件左方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母、后施载螺母与左立柱上的法兰连接，通过调整水平的第三施载组件、第四施载组件的前施载螺母、后施载螺母，施加大小相等方向相反的切向工作载荷；由水平安装的第三施载组件、第四施载组件的力传感器组件检测到切向工作载荷，并由两个方向相反的切向工作载荷求出转矩工作载荷；由水平方向的位移传感器检测出上试件、下试件之间水平方向的相对位移，由上试件、下试件水平方向的相对位移求出螺栓结合面单元因转矩工作载荷而产生的转角变形，同时调整第三施载组件、第四施载组件的前施载螺母、后施载螺母，改变转矩工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的转角变形随着转矩工作载荷变化而变化的关系。
 有益效果
本发明的特点是：能够完成螺栓结合面单元的预紧力与预变形的关系试验、法向变形随着法向工作载荷变化而变化的关系试验、切向变形随着切向工作载荷变化而变化的关系试验、倾角变形随着弯矩工作载荷变化而变化的关系试验、以及转角变形随着转矩工作载荷变化而变化的关系试验，实现螺栓结合面单元的预紧力及全工作载荷的全面静特性试验。
附图说明
图1是螺栓结合面单元的构成示意图；
图2是本发明螺栓结合面单元的全工作载荷试验装置结构示意图；
图3是本发明方法中的预紧力试验安装示意图；
图4是本发明方法中的法向工作载荷及弯矩试验安装示意图；
图5是本发明方法中的切向工作载荷试验安装示意图；
图6是本发明方法中的转矩试验安装示意图；
图7是本发明装置中的施载组件与横梁连接示意图；
图8是本发明装置中的连接件与施载组件及右立柱的连接示意图；
图9是本发明装置中的各个位移传感器分布示意图；
图10是本发明方法进行转矩静特性试验时的交点示意图。
图中，1.箱体，2.下试件，3.上试件，4A.左立柱，4B.右立柱，5A.施载组件5A，5B.施载组件5B，5C.施载组件5C，5D.施载组件5D，6.预载荷组件，7.横梁，8.连接件，9.位移传感器，11.构件A，12. 构件B，13.结合面A，14.结合面B，15.结合面C，5-1.力传感器组件，5-2A.前施载螺母，5-2B.后施载螺母，5-3.法兰，6-1.模拟螺栓头，6-2.力传感器，6-3.垫片，6-4.轴承，6-5.专用螺杆，6-6.定心附件，L为专用螺杆轴线，S为施载组件轴线，a为切向静特性试验时施载组件轴线S与专用螺杆轴线L的交点，b为转矩静特性试验时右侧施载组件轴线S与专用螺杆轴线L的交点，c为转矩静特性试验时左侧施载组件轴线S与专用螺杆轴线L的交点。
 本发明的实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，螺栓结合面单元特性由两个构件11和构件12的连接面13（结合面A）、螺栓与其中一个构件12的螺纹连接面14（结合面B）及螺栓与另一个构件11的连接面15（结合面C）三部分结合面的特性决定。
如图2所示，本发明实验装置的结构是，包括箱体1，箱体1的上方设置有横梁7，横梁7通过左立柱4A、右立柱4B与箱体1固定连接；在箱体1的台面上安放有下试件2，下试件2上放置有上试件3，上试件3向上与横梁7之间设置有预载组件6，预载组件6用于将上试件3、下试件2连接并施加法向预紧力；上试件3的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件5A、施载组件5B，施载组件5A、施载组件5B向上与横梁7连接，用于施加法向工作载荷或弯矩；上试件3的两端悬臂端头各安装一个连接件8，连接件8与横梁7的支柱（右立柱4B、左立柱4A）之间各设有一水平的施载组件5C、施载组件5D，施载组件5C、施载组件5D用于施加切向工作载荷或转矩。
如图3所示，预载组件6的结构是，包括模拟螺栓头6-1、力传感器6-2、垫片6-3、轴承6-4、专用螺杆6-5及定心附件6-6，定心附件6-6由两个阶梯形半圆环组成，可在专用螺杆6-5、轴承6-4、垫片6-3、力传感器6-2、模拟螺栓头6-1、及上试件3、下试件2同心安装结束后拆除，专用螺杆6-5的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆6-5从上到下依次穿过轴承6-4、垫片6-3、力传感器6-2、模拟螺栓头6-1的轴心孔，专用螺杆6-5的下端与下试件2通过螺纹连接，从而使得专用螺杆6-5压紧上试件3，实现施加法向预紧力。
如图7、图8所示，施载组件5A、5B、5C、5D的结构相同，均包括力传感器组件5-1、前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B及法兰5-3，垂直安装的施载组件5A、施载组件5B的传感器组件5-1的一端与上试件3的悬臂固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B与法兰5-3连接，该法兰5-3固定安装在横梁7上；如图8所示，水平安装的施载组件5C的传感器组件5-1的一端通过连接件8与上试件3的端头固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B与法兰5-3连接，施载组件5C的法兰5-3固定安装在右立柱4B上，同样，施载组件5D的法兰5-3固定安装在左立柱4A上。
本发明利用上述的测量装置，能够实现以下五种方式的特性试验测量：
方式1，进行竖直方向预紧力试验的步骤是，参照图3、图9，将下试件2固定在箱体1上，将上试件3置于下试件2上表面，在下试件2和上试件3的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器9，利用定心附件6-6的同心安装作用，将专用螺杆6-5的下端依次向下穿过轴承6-4、垫片6-3、力传感器6-2、模拟螺栓头6-1的孔后，使专用螺杆6-5的下端与下试件2螺纹连接，撤走定心附件6-6，转动专用螺杆6-5的上端方头，专用螺杆6-5压紧上试件3、下试件2，从而施加法向预紧力；此时，通过力传感器6-2检测出预紧力，各个垂直方向的位移传感器9同时检测出上试件3、下试件2的法向相对位移，该法向相对位移即是螺栓结合面单元的预变形，调整预载组件6的专用螺杆6-5改变预紧力，重复上述过程，即可得到螺栓结合面单元的预紧力与预变形的关系。
方式2，进行法向工作载荷试验的步骤是，参照图4、图9，将下试件2固定在箱体1上，将上试件3置于下试件2上，在下试件2和上试件3的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器9，在上试件3的两个悬臂上安装施载组件5A、施载组件5B；首先通过专用螺杆6-5施加一定的法向预紧力，施加法向预紧力的步骤与前述的预紧力试验的步骤相同；参照图7, 施载组件5A、施载组件5B的一端与上试件3的悬臂分别固定连接，施载组件5A、施载组件5B的另一端与横梁7上的法兰5-3连接，调整施载组件5A、施载组件5B的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B，使垂直安装的施载组件5A、施载组件5B施加相同的法向工作载荷，法向工作载荷可为正或负，即，可施加拉或压载荷；施载组件5A、施载组件5B施加的法向工作载荷由施载组件5A、施载组件5B各自的力传感器组件5-1检测出，由图9所示的垂直方向的位移传感器9检测出上试件3、下试件2因法向工作载荷而产生的法向相对位移，即是螺栓结合面单元因法向工作载荷而产生的法向变形，改变施载组件5A、施载组件5B施加的法向工作载荷，重复上述过程，即可得到螺栓结合面单元的法向工作载荷与因法向工作载荷而产生的法向变形的关系。
方式3，进行切向工作载荷试验的步骤是，如图5所示，将下试件2固定在箱体1上，将上试件3置于下试件2上方，在下试件2和上试件3的各个测量平面上设置若干水平方向的位移传感器9；首先通过专用螺杆6-5施加一定的法向预紧力，施加法向预紧力的方法与前述的预紧力试验的方法相同；在上试件3的一侧（右方）水平安装一个连接件8及施载组件5C，施载组件5C的轴线S要通过上试件3与下试件2的连接面并与预载组件6的专用螺杆轴线L垂直相交（参照图10中交点a），水平安装的施载组件5C的力传感器组件5-1的一端与连接件8的右方固定连接，力传感器组件5-1的另一端通过其螺纹及前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B与法兰5-3连接，法兰5-3固定安装在右立柱4B上。调整施载组件5C的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B施加切向工作载荷，切向工作载荷可为正或负，施载组件5C施加的切向工作载荷由施载组件5C的力传感器组件5-1检测出，由水平方向的位移传感器9检测出上试件3与下试件2因切向工作载荷而产生的切向相对位移，即是螺栓结合面单元因切向工作载荷而产生的切向变形，改变施载组件5C施加的切向工作载荷，重复上述过程，即可得到螺栓结合面单元的切向工作载荷与因切向工作载荷而产生的切向变形的关系。
方式4，进行施加弯矩工作载荷试验的步骤是，参照图4、图9，弯矩工作载荷试验采用的试验装置与法向工作载荷试验的试验装置相同，施加预紧力的方法也相同；但施加的法向工作载荷不同，调整左、右垂直安装的施载组件5A、施载组件5B的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B使左、右垂直安装的施载组件5A、施载组件5B施加大小相等方向相反的法向工作载荷，从而施加弯矩工作载荷，法向工作载荷由垂直安装的施载组件5A、施载组件5B的力传感器5-1检测出，并由两个方向相反的法向工作载荷求出弯矩工作载荷；由垂直方向的位移传感器9检测出上试件3、下试件2垂直方向的相对位移，由上试件3、下试件2垂直方向的相对位移求出螺栓结合面单元因弯矩工作载荷而产生的倾角变形，调整垂直安装的施载组件5A、施载组件5B的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B，改变弯矩工作载荷，重复上述过程，即可得到螺栓结合面单元的倾角变形随着弯矩工作载荷变化而变化的关系。
方式5，进行转矩工作载荷试验的步骤是，参照图6，下试件2固定在箱体1上，上试件3置于下试件2上方；首先施加一定的法向预紧力，施加法向预紧力的装置及方法与预紧力试验的方法相同；在上试件3的左、右侧方各水平安装一个连接件8及一个水平施载组件5C、施载组件5D，水平施载组件5C、施载组件5D的轴线S要通过上试件3、下试件2的连接面，与预载组件的专用螺杆轴线L垂直但不相交，且左、右方水平施载组件5C、施载组件5D的轴线S距专用螺杆轴线L的距离相等而位置、方向相反，一个在螺杆轴线L的前方（如图10中交点b），一个在螺杆轴线L的后方（如图10中交点c）；施载组件5C的力传感器组件5-1的一端通过连接件8与上试件3的右方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B与法兰5-3连接，施载组件5C的法兰5-3固定安装在右立柱4B上，施载组件5D的力传感器组件5-1的一端通过另一连接件8与上试件3左方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B与法兰5-3连接，施载组件5D的法兰5-3固定安装在左立柱4A上，通过调整水平施载组件5C、施载组件5D的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B施加大小相等方向相反的切向工作载荷；切向工作载荷由水平安装的施载组件5C、施载组件5D的力传感器5-1检测，并由两个方向相反的切向工作载荷求出转矩工作载荷；由水平方向的位移传感器9（有多个）检测出上试件3、下试件2水平方向的相对位移，由上试件3、下试件2水平方向的相对位移求出螺栓结合面单元因转矩工作载荷而产生的转角变形，调整水平安装5C、5D的施载组件的前施载螺母5-2A、后施载螺母5-2B，改变转矩工作载荷，重复上述过程，即可得到螺栓结合面单元的转角变形随着转矩工作载荷变化而变化的关系。
 工业实用性
综上所述，本发明的装置及其方法，能够完成螺栓结合面单元的预紧力与预变形的关系试验、法向变形随着法向工作载荷变化而变化的关系试验、切向变形随着切向工作载荷变化而变化的关系试验、倾角变形随着弯矩工作载荷变化而变化的关系试验、以及转角变形随着转矩工作载荷变化而变化的关系试验，实现螺栓结合面单元的预紧力及全工作载荷的全面静特性试验。

Claims (9)

1、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，其特征在于：
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
上试件（3）的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B），第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）分别垂直向上与横梁（7）连接；
上试件（3）的两端悬臂端头各安装一个连接件（8），连接件（8）与横梁（7）的右立柱（4B）、左立柱（4A）之间各设有一轴线水平的施载组件，分别称为第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）。
2、根据权利要求1所述的螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，其特征在于：所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心安装，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接。
3、根据权利要求2所述的螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，其特征在于：所述第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的结构相同，垂直安装，均包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），每个力传感器组件（5-1）的一端与上试件（3）的两端悬臂分别固定连接，每个力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）分别与安装在横梁（7）上的对应的法兰（5-3）连接。
4、根据权利要求2所述的螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置，其特征在于：所述第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的结构相同，水平安装，均包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），每个力传感器组件（5-1）的一端通过连接件（8）与上试件（3）的两端头分别固定连接，每个力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）与安装在左立柱（4A）、右立柱（4B）上对应的法兰（5-3）连接。
5、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，其特征在于，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心安装，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接；
利用上述的装置，进行竖直方向预紧力试验的步骤是，
将下试件（2）固定在箱体（1）上，将上试件（3）置于下试件（2）上表面，在下试件（2）和上试件（3）的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器（9），利用定心附件（6-6）的同心安装作用，将专用螺杆（6-5）的下端依次向下穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）的孔后，使专用螺杆（6-5）下端与下试件（2）螺纹连接，撤走定心附件（6-6），转动专用螺杆（6-5）的上端方头，专用螺杆（6-5）压紧上试件（3）、下试件（2），从而施加法向预紧力；此时，通过力传感器（6-2）检测出预紧力，各个由垂直方向的位移传感器（9）同时检测出上试件（3）、下试件（2）的法向相对位移，该法向相对位移即是螺栓结合面单元的预变形，调整预载组件（6）的专用螺杆（6-5）改变预紧力，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的预紧力与预变形的关系。
6、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，其特征在于，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
上试件（3）的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B），第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）分别垂直向上与横梁（7）连接；
所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心定位，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接；
所述第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的结构相同，垂直安装，均包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），每个力传感器组件（5-1）的一端与上试件（3）的两端悬臂分别固定连接，每个力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）分别与安装在横梁（7）上的对应的法兰（5-3）连接；
利用上述的装置，进行法向工作载荷试验的步骤是，
将下试件（2）固定在箱体（1）上，将上试件（3）置于下试件（2）上，在下试件（2）和上试件（3）的各个测量平面上设置若干垂直方向的位移传感器（9），在上试件（3）的两个悬臂上安装第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）；利用定心附件（6-6）的同心安装作用，将专用螺杆（6-5）的下端依次向下穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）的孔后，使专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）螺纹连接，撤走定心附件（6-6），转动专用螺杆（6-5）的上端方头，专用螺杆（6-5）压紧上试件（3）、下试件（2），从而施加法向预紧力；将第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的一端与上试件（3）的悬臂分别固定连接，将第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的另一端与横梁（7）上的法兰（5-3）连接，调整第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B），使垂直安装的第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）施加相同的法向工作载荷，即根据需要施加拉或压载荷；第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）施加的法向工作载荷由第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）各自的力传感器组件（5-1）检测出，由垂直方向的位移传感器（9）检测出上试件（3）、下试件（2）因法向工作载荷而产生的法向相对位移，即是螺栓结合面单元因法向工作载荷而产生的法向变形，改变第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）施加的法向工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的法向工作载荷与因法向工作载荷而产生的法向变形的关系。
7、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，其特征在于，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
上试件（3）的一侧悬臂端头安装一个连接件（8），连接件（8）与横梁（7）的右立柱（4B）之间设有一轴线水平的第三施载组件（5C）；
所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心安装，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接；
所述第三施载组件（5C）水平安装，包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），力传感器组件（5-1）的一端通过连接件（8）与上试件（3）的一端头固定连接，力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）与安装在右立柱（4B）上的对应的法兰（5-3）连接；
利用上述的装置，进行切向工作载荷试验的步骤是，
将下试件（2）固定在箱体（1）上，将上试件（3）置于下试件（2）上方，在下试件（2）和上试件（3）的各个测量平面上设置若干水平方向的位移传感器（9）；利用定心附件（6-6）的同心安装作用，将专用螺杆（6-5）的下端依次向下穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）的孔后，使专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）螺纹连接，撤走定心附件（6-6），转动专用螺杆（6-5）的上端方头，专用螺杆（6-5）压紧上试件（3）、下试件（2），从而施加法向预紧力；在上试件（3）的一侧水平安装一个连接件（8）及第三施载组件（5C），第三施载组件（5C）的轴线S要通过上试件（3）与下试件（2）的连接面并与预载组件（6）的专用螺杆（6-5）的轴线L垂直相交，水平安装的第三施载组件（5C）的力传感器组件（5-1）的一端与连接件（8）的右方固定连接，力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）与法兰（5-3）连接，法兰（5-3）固定安装在右立柱（4B）上；调整第三施载组件（5C）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）施加切向工作载荷，切向工作载荷为正或负，第三施载组件（5C）施加的切向工作载荷由第三施载组件（5C）的力传感器组件（5-1）检测出，由水平方向的位移传感器（9）检测出上试件（3）与下试件（2）因切向工作载荷而产生的切向相对位移，即是螺栓结合面单元因切向工作载荷而产生的切向变形，改变第三施载组件（5C）施加的切向工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的切向工作载荷与因切向工作载荷而产生的切向变形的关系。
8、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，其特征在于，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
上试件（3）的两端悬臂上对称地各安装有一个施载组件，分别称为第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B），第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）分别垂直向上与横梁（7）连接；
所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心定位，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接；
所述第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的结构相同，垂直安装，均包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），每个力传感器组件（5-1）的一端与上试件（3）的两端悬臂分别固定连接，每个力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）分别与安装在横梁（7）上的对应的法兰（5-3）连接；
利用上述的装置，进行弯矩工作载荷试验的步骤是，
将下试件（2）固定在箱体（1）上，将上试件（3）置于下试件（2）上方，在下试件（2）和上试件（3）的各个测量平面上设置若干位移传感器（9）；利用定心附件（6-6）的同心安装作用，将专用螺杆（6-5）的下端依次向下穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）的孔后，使专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）螺纹连接，撤走定心附件（6-6），转动专用螺杆（6-5）的上端方头，专用螺杆（6-5）压紧上试件（3）、下试件（2），从而施加法向预紧力；调整左、右垂直安装的第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）使左、右垂直安装的第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）施加大小相等方向相反的法向工作载荷，从而施加弯矩工作载荷，法向工作载荷由垂直安装的第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的力传感器组件（5-1）检测出，并由两个方向相反的法向工作载荷求出弯矩工作载荷；由垂直方向的位移传感器（9）检测出上试件（3）、下试件（2）垂直方向的相对位移，由上试件（3）、下试件（2）垂直方向的相对位移求出螺栓结合面单元因弯矩工作载荷而产生的倾角变形，调整垂直安装的第一施载组件（5A）、第二施载组件（5B）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B），改变弯矩工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的倾角变形随着弯矩工作载荷变化而变化的关系。
9、一种螺栓结合面单元全载荷静特性试验方法，其特征在于，利用下述的装置，其结构是，
包括箱体（1），箱体（1）的上方设置有横梁（7），横梁（7）通过左立柱（4A）、右立柱（4B）与箱体（1）固定连接；在箱体（1）的台面上安放有下试件（2），下试件（2）上放置有上试件（3），上试件（3）向上与横梁（7）之间设置有预载组件（6），预载组件（6）与上试件（3）、下试件（2）依次连接；
上试件（3）的两端悬臂端头各安装一个连接件（8），连接件（8）与横梁（7）的右立柱（4B）、左立柱（4A）之间各设有一轴线水平的施载组件，分别称为第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）；
所述预载组件（6）的结构是，包括模拟螺栓头（6-1）、力传感器（6-2）、垫片（6-3）、轴承（6-4）、专用螺杆（6-5）及定心附件（6-6），定心附件（6-6）由两个阶梯形半圆环组成，用于对专用螺杆（6-5）、轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）、下试件（2）的同心定位，专用螺杆（6-5）的上端为方头结构，并通过轴心开有水平的加力孔，专用螺杆（6-5）从上到下依次穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）、上试件（3）的轴心孔，专用螺杆（6-5）的下端与下试件（2）通过螺纹连接；
所述第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的结构相同，水平安装，均包括力传感器组件（5-1）、前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）及法兰（5-3），每个力传感器组件（5-1）的一端通过连接件（8）与上试件（3）的两端头分别固定连接，每个力传感器组件（5-1）的另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）分别与安装在左立柱（4A）、右立柱（4B）上对应的法兰（5-3）连接；
利用上述的装置，进行转矩工作载荷试验的步骤是，
将下试件（2）固定在箱体（1）上，将上试件（3）置于下试件（2）上方，在下试件（2）和上试件（3）的各个测量平面上设置若干位移传感器（9）；利用定心附件（6-6）的同心安装作用，将专用螺杆（6-5）的下端依次向下穿过轴承（6-4）、垫片（6-3）、力传感器（6-2）、模拟螺栓头（6-1）的孔后，使专用螺杆（6-5）下端与下试件（2）螺纹连接，撤走定心附件（6-6），转动专用螺杆（6-5）的上端方头，专用螺杆（6-5）压紧上试件（3）、下试件（2），从而施加法向预紧力；在上试件（3）左、右侧方各安装一个水平施载组件，即第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D），水平的第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的轴线S要通过上试件（3）、下试件（2）的连接面，与专用螺杆（6-5）的轴线L垂直但不相交，且左、右方水平的第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的轴线S距专用螺杆（6-5）的轴线L的距离相等而位置方向相反，一个在专用螺杆（6-5）的轴线L的前方，一个在专用螺杆（6-5）的轴线L的后方；第三施载组件（5C）的力传感器组件（5-1）的一端通过连接件（8）与上试件（3）的右方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）与固定安装在右立柱（4B）上的法兰（5-3）连接；第四施载组件（5D）的力传感器组件（5-1）一端通过另一连接件（8）与上试件（3）的左方固定连接，另一端通过其螺纹及前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B）与左立柱（4A）上的法兰（5-3）连接，通过调整水平的第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B），施加大小相等方向相反的切向工作载荷；由水平安装的第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的力传感器组件（5-1）检测到切向工作载荷，并由两个方向相反的切向工作载荷求出转矩工作载荷；由水平方向的位移传感器（9）检测出上试件（3）、下试件（2）之间水平方向的相对位移，由上试件（3）、下试件（2）水平方向的相对位移求出螺栓结合面单元因转矩工作载荷而产生的转角变形，同时调整第三施载组件（5C）、第四施载组件（5D）的前施载螺母（5-2A）、后施载螺母（5-2B），改变转矩工作载荷，重复上述过程，即得到螺栓结合面单元的转角变形随着转矩工作载荷变化而变化的关系。
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