[發明專利]一種考慮結合面特性的測定軸向螺栓松弛的裝置及方法

在審

• 申請號: 201710336967.0
• 申請日: 2017-05-14
• 公開（公告）號: CN107192494A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 蔡力鋼;劉強;劉志峰;李迎;呂華峰;徐文祥
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01L5/24
• 分類號: G01L5/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及一種考慮結合面特性的測定軸向螺栓松弛的裝置和方法，屬于機械制造及結構力學領域。

背景技術

零部件相互接觸的表面為結合面。螺栓松弛為具有一定預緊力的螺栓緊固件在交變載荷情況下，其夾緊力下降的過程稱為螺栓松弛。螺栓松弛的影響因素繁多，其中重要的影響因素之一是結合面間的特性影響著螺栓初始預緊力和振動工況下夾緊力的衰減。結合面間特性從根本上講是粗糙微凸體的接觸特性和螺栓件因接觸而形成的構件的接觸剛度和接觸阻尼。國內外學者對于接觸面間的接觸狀態和特性做了大量研究，得出了基于粗糙接觸、Iwan串并聯模型和有限元仿真分析等眾多解決方法，很好的揭示了動靜剛度的規律，雖然和實際情況有一些偏差，但總體能說明規律。阻尼耗能大多應用在土石巖層，建筑工程和地震等方面，螺栓構件上的應用研究鮮少涉及。接觸阻尼在螺栓松弛中的主要體現為阻尼耗能，目前基于能量耗散的軸向螺栓松弛研究甚少，也是難點之一。結合面的微凸體接觸受接觸面的加工參數、施加載荷、振動頻率等影響。通過改變結合面的加工參數、螺栓預緊力和施加載荷的力與頻率來探究特定結合面下螺栓松弛的規律。

探究結合面影響下的螺栓松弛的現實影響因素很多，十分復雜，具體如下

1)栓接件本身受加工影響，加工方式、粗糙度、預緊力、施加載荷和頻率都相同其松弛規律有偏差。內在原因是，每個零件的表面形貌都具有獨立性，相同參數下(加工參數、粗糙度)的接觸表面具有相似性。因此獲得初始接觸表面的三維參數十分重要。

2)單螺栓軸向螺栓試件，其結構設計要求簡單又能保持原有結構特性，不能有附加的接觸面和多余結構，也不能破壞螺栓本身，方便螺栓擰緊和拆卸，構件保持足夠的剛性又不能過于笨重。

3)實驗設備的精度影響最終結果的準確性，需要采用更精確的設備來采集包括表面數據、力學、位移和時間信號。

為了系統性的研究探明結合面特性的對軸向螺栓松弛的規律，需要結構簡單又能滿足要求的，測試精度較高的裝置和相應的研究方法。

發明內容

為了解決現有裝置中結構復雜、測量精度不高、松弛過程接觸表面變化無法測定以及松弛和振動位移之間關系不明確的問題。本發明設計了一套精度高、結構簡單又能滿足要求并且完整的考慮結合面特性的測定軸向螺栓松弛的裝置和方法。通過三維表面形貌測量儀掃描獲得接觸表面三維形貌數據及其3D形貌，結合拉伸試驗機和力學傳感器、位移傳感器采集的數據,改變加工參數和載荷、預緊力參數，綜合分析得出松弛規律。

本發明解決問題的具體技術方案為：一種考慮結合面特性的測定軸向螺栓松弛裝置采用三維表面形貌測量儀來掃描連接件的表面，用拉伸試驗機夾持軸向螺栓框型件試件，并給其提供可變周期、頻率以及加載力大小的載荷并加載循環力，隨著循環加載，獲得力學、位移隨時間變化數據，分析獲得軸向螺栓松弛規律，再將松弛階段劃分，按照先掃描形貌獲得數據在進行拉伸試驗，拉伸試驗完成后再進行掃描分析的過程重復試驗，最終在三維形貌數據、力學數據和位移數據綜合分析下得出精度高、準確的結合面特性對于軸向螺栓松弛規律的影響結果。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種考慮結合面特性的測定軸向螺栓松弛的裝置，該裝置包括拉伸試驗機(1)、下連接件(2)、螺母(3)、電渦流位移傳感器(4)、上連接件(5)、螺桿(6)和壓力傳感器(7)，對應的傳感器數據采集系統和計算機、三維表面形貌測量儀、數顯力矩扳手。三維表面形貌測量儀其最高精度為100nm，用來掃描試件接觸面的三維形貌數據包括三維坐標、表面粗糙度、波紋度以及3D形貌，如圖6所示。對接觸面表面的形貌測量非常準確。

測定軸向螺栓松弛的裝置的上連接件(5)和下連接件(2)的兩端分別夾在拉伸實驗機上，如圖2所示。利用拉伸試驗機加載循環載荷，目的是加速實驗，縮短螺栓松動時間。拉伸試驗機能夠改變加載的力和頻率，同時控制加載次數。