專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置及方法，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，機(jī)床乃至各類(lèi)機(jī)械，為了滿(mǎn)足各種功能、性能和加工要求以及運(yùn)輸上的方便，一般都不是一個(gè)連續(xù)的整體，而是由各種零件按照一定的具體要求組合起來(lái)的。稱(chēng)零件、組件、部件之間相互接觸的表面為“機(jī)械結(jié)合面”，簡(jiǎn)稱(chēng)“結(jié)合面”，或稱(chēng)“接觸面”。相互接觸的零件、組件、部件稱(chēng)為結(jié)合部，而結(jié)合部又可以分為結(jié)合面以及被聯(lián)結(jié)件，被聯(lián)結(jié)件即為結(jié)合部除去結(jié)合面的部分，如

圖10所示。由于結(jié)合面在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的大量存在，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)不再具有連續(xù)性，進(jìn)而導(dǎo)致了問(wèn)題的復(fù)雜性。結(jié)合面存在著接觸剛度和接觸阻尼，因此從力學(xué)的角度分析結(jié)合面問(wèn)題，可以說(shuō)它和機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜特性存在著十分密切的關(guān)系。而螺栓聯(lián)接的結(jié)合面則是機(jī)械結(jié)構(gòu)中最典型的結(jié)合面之一。螺栓聯(lián)接具有聯(lián)接可靠、聯(lián)接強(qiáng)度高、可拆卸、能自鎖等優(yōu)點(diǎn)。在一般的螺栓結(jié)合面中，當(dāng)螺栓預(yù)緊后又受軸向工作載荷時(shí)，螺栓所受總的軸向拉力與螺栓剛度和結(jié)合部剛度有直接的關(guān)系。螺栓剛度容易獲得，但對(duì)于結(jié)合部剛度來(lái)說(shuō)，情況要復(fù)雜得多，至今也沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)明準(zhǔn)確的計(jì)算方法。因此，有必要對(duì)螺栓結(jié)合面和結(jié)合面的剛度進(jìn)行深入的研究。影響結(jié)合面靜態(tài)剛度特性的因素很多，而且十分復(fù)雜，這些因素主要有:(I)結(jié)合面材質(zhì)(包括材料、硬度等);(2)結(jié)合面的加工方法(常用的方法:車(chē)、統(tǒng)、刨、磨等);(3)結(jié)合面的加工質(zhì)量(包括表面粗糙度、波紋度、平面度)；(4)結(jié)合面的介質(zhì)狀況(包括干結(jié)合面、有油結(jié)合面)；(5)結(jié)合面的法向面壓(簡(jiǎn)稱(chēng)面壓)；(6)結(jié)合面間的相對(duì)位移性質(zhì)(法向位移、切向位移、轉(zhuǎn)角)；(7)結(jié)合面的功能(固定結(jié)合面、運(yùn)動(dòng)結(jié)合面等)；(8)結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸大小等。這么眾多的影響因素，再加之它們的影響規(guī)律又多種多樣，而且有些因素相互間又有影響，從而無(wú)法以理論解析的方法直接確定它們的影響規(guī)律和影響程度的大小，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法來(lái)予以解決。為了系統(tǒng)地研究和探明結(jié)合面靜態(tài)特性與其基本影響因素之間的關(guān)系，并掌握結(jié)合面靜態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)，需要一套完整的測(cè)試結(jié)合面靜態(tài)特性的裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一套通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)拉伸法向?qū)嶒?yàn)試件，使用力傳感器和電渦流位移傳感器分別獲得材料試驗(yàn)機(jī)的拉力信號(hào)和法向?qū)嶒?yàn)試件結(jié)合面處的軸向位移信號(hào)，并利用模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，綜合結(jié)合部、被聯(lián)結(jié)件、結(jié)合面三種剛度關(guān)系，得到結(jié)合面受力與結(jié)合部剛度之間的函數(shù)關(guān)系為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性的裝置，包括材料試驗(yàn)機(jī)(I)、兩個(gè)螺桿
(2)、下試件(3)、上試件(4)、高強(qiáng)螺栓(5)、無(wú)槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、電渦流位移傳感器(9)、力傳感器(10)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和PC機(jī)；其特征在于:高強(qiáng)螺栓
(5)垂直穿過(guò)上試件(4)和下試件(3)中心處的通孔，為高強(qiáng)螺栓(5)施加一定預(yù)緊力，使上試件(4)的端面和下試件(3)的端面相互貼合構(gòu)成結(jié)合面，高強(qiáng)螺栓(5)預(yù)埋了應(yīng)變片，應(yīng)變片弓I出導(dǎo)線連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀；無(wú)槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分別均勻固定在上試件(4 )和下試件(3 )外側(cè)表面中心處，電渦流位移傳感器(9 )夾緊在有槽定位支架(8 )上，無(wú)槽定位支架(7)提供電渦流位移傳感器(9)的測(cè)距參考面，電渦流位移傳感器(9)用于測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量；上試件(4)和下試件(3)通兩個(gè)螺桿(2)分別與材料試驗(yàn)機(jī)連接；材料試驗(yàn)機(jī)(I)搭載力傳感器(10)并沿縱向?yàn)樯稀⑾略嚰┘屿o態(tài)拉力；測(cè)量預(yù)緊力以及高強(qiáng)螺栓應(yīng)變信號(hào)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量的電渦流位移傳感器(9)及測(cè)量靜態(tài)力信號(hào)的力傳感器(10)將各自信號(hào)輸出至模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，然后輸送至PC機(jī)。 上試件(4 )和下試件(3 )完全相同，僅為了表述上更加清晰采用了不同的名稱(chēng)。它們所用材料、結(jié)構(gòu)形狀、表面粗糙度均相同。所述電渦流位移傳感器(9)采用型號(hào)為SV3300的電渦流趨近式傳感器；所述力傳感器(10)采用型號(hào)為BK55687的力傳感器。一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性的方法，其特征在于:步驟1，向高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力，通過(guò)設(shè)定材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載速度以及不大于預(yù)緊力的加載力，對(duì)下試件(3)、上試件(4)施加縱向的靜態(tài)拉力；步驟2，在施加靜態(tài)拉力的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、電渦流位移傳感器(9)、以及力傳感器(10)分別將高強(qiáng)螺栓應(yīng)變信號(hào)、結(jié)合面法向位移變化信號(hào)、以及靜態(tài)拉力信號(hào)傳輸至模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，然后輸出送至PC機(jī)，當(dāng)材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載力達(dá)到所設(shè)定的加載力大小時(shí)會(huì)自動(dòng)停止；步驟3，根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同結(jié)合面受力所對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度，其中結(jié)合部是指上下試塊。首先，計(jì)算結(jié)合面受力y，計(jì)算公式為如下:結(jié)合面受力y=設(shè)定的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力-材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載力；其次，對(duì)計(jì)算得到的結(jié)合面受力y，以及電渦流位移傳感器(9)測(cè)量得到的結(jié)合面法向位移量X進(jìn)行曲線擬合，即I = f(x)，該曲線的導(dǎo)函數(shù)即為結(jié)合部剛度函數(shù)，即k=y;，提取一組結(jié)合面受力Ii,以及Yi對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度值ki ；其中，
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性的裝置，包括材料試驗(yàn)機(jī)(I)、兩個(gè)螺桿(2)、下試件(3)、上試件(4)、高強(qiáng)螺栓(5)、無(wú)槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、電渦流位移傳感器(9)、力傳感器(10)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和PC機(jī)；其特征在于:高強(qiáng)螺栓(5)垂直穿過(guò)上試件(4)和下試件(3)中心處的通孔，為高強(qiáng)螺栓(5)施加一定預(yù)緊力，使上試件(4)的端面和下試件(3)的端面相互貼合構(gòu)成結(jié)合面，高強(qiáng)螺栓(5)預(yù)埋了應(yīng)變片，應(yīng)變片引出導(dǎo)線連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀；無(wú)槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分別均勻固定在上試件(4 )和下試件(3 )外側(cè)表面中心處，電渦流位移傳感器(9 )夾緊在有槽定位支架(8 )上，無(wú)槽定位支架(7)提供電渦流位移傳感器(9)的測(cè)距參考面，電渦流位移傳感器(9)用于測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量；上試件(4)和下試件(3)通兩個(gè)螺桿(2)分別與材料試驗(yàn)機(jī)連接；材料試驗(yàn)機(jī)(I)搭載力傳感器(10)并沿縱向?yàn)樯稀⑾略嚰┘屿o態(tài)拉力；測(cè)量預(yù)緊力以及高強(qiáng)螺栓應(yīng)變信號(hào)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量的電渦流位移傳感器(9)及測(cè)量靜態(tài)力信號(hào)的力傳感器(10)將各自信號(hào)輸出至模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，然后輸送至PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置，其特征在于:上試件(4)和下試件(3)完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置，其特征在于:所述電渦流位移傳感器(9)采用型號(hào)為SV3300的電渦流趨近式傳感器；所述力傳感器(10)采用型號(hào)為BK55687的力傳感器。
4.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性的方法，其特征在于: 步驟1，向高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力，通過(guò)設(shè)定材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載速度以及不大于預(yù)緊力的加載力，對(duì)下試件(3 )、上試件(4 )施加縱向的靜態(tài)拉力； 步驟2，在施加靜態(tài)拉力的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、電渦流位移傳感器(9)、以及力傳感器(10)分別將高強(qiáng)螺栓應(yīng)變信號(hào)、結(jié)合面法向位移變化信號(hào)、以及靜態(tài)拉力信號(hào)傳輸至模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，然后輸出送至PC機(jī)，當(dāng)材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載力達(dá)到所設(shè)定的加載力大小時(shí)會(huì)自動(dòng)停止； 步驟3，根據(jù)步驟2得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同結(jié)合面受力所對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度， 首先，計(jì)算結(jié)合面受力y，計(jì)算公式為如下: 結(jié)合面受力y=設(shè)定的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力-材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載力； 其次，對(duì)計(jì)算得到的結(jié)合面受力1，以及電渦流位移傳感器(9)測(cè)量得到的結(jié)合面法向位移量χ進(jìn)行曲線擬合，即y=f(x)，該曲線的導(dǎo)函數(shù)即為結(jié)合部剛度函數(shù)，即k=r，提取一組結(jié)合面受力li，以及Ii對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度值ki ； 步驟4，改變施加給高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，重新設(shè)定材料試驗(yàn)機(jī)(I)的加載速度以及加載力，得到多組結(jié)合面受力Ii,以及Ii對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度值h ； 步驟5，將以上步驟所得的多組不同結(jié)合面受力范圍對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度數(shù)據(jù)，進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，所得的擬合函數(shù)即為修正后的結(jié)合部剛度函數(shù)K，其中，當(dāng)結(jié)合面受力yi相同，對(duì)應(yīng)的結(jié)合部剛度值&不同時(shí)，對(duì)結(jié)合部剛度值Iii求平均； 步驟6，計(jì)算被聯(lián)結(jié)件的剛度km，計(jì)算方程式為:
全文摘要
一種測(cè)試高強(qiáng)螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置及方法，包括材料試驗(yàn)機(jī)、兩個(gè)螺桿、下試件、上試件、高強(qiáng)螺栓、無(wú)槽定位支架、有槽定位支架、電渦流位移傳感器、力傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和PC機(jī)。高強(qiáng)螺栓垂直穿過(guò)上試件和下試件，使上試件和下試件相互貼合構(gòu)成結(jié)合面，高強(qiáng)螺栓預(yù)埋了應(yīng)變片；電渦流位移傳感器用于測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量；上試件和下試件通過(guò)兩個(gè)螺桿分別與材料試驗(yàn)機(jī)連接；材料試驗(yàn)機(jī)搭載力傳感器并沿縱向?yàn)樯?、下試件施加靜態(tài)拉力；測(cè)量預(yù)緊力以及高強(qiáng)螺栓應(yīng)變信號(hào)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、測(cè)量結(jié)合面法向位移變化量的電渦流位移傳感器及測(cè)量靜態(tài)力信號(hào)的力傳感器將各自信號(hào)輸出至模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，然后輸送至PC機(jī)。
文檔編號(hào)G01M13/00GK103217278SQ201310001169
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者蔡力鋼, 郝宇, 郭鐵能, 劉志峰, 張東梅 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)