[发明专利]一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置和方法，属于机械制造及结构力学领域。

背景技术

零部件相互接触的表面为结合面。螺栓松弛为具有一定预紧力的螺栓紧固件在交变载荷情况下，其夹紧力下降的过程称为螺栓松弛。螺栓松弛的影响因素繁多，其中重要的影响因素之一是结合面间的特性影响着螺栓初始预紧力和振动工况下夹紧力的衰减。结合面间特性从根本上讲是粗糙微凸体的接触特性和螺栓件因接触而形成的构件的接触刚度和接触阻尼。国内外学者对于接触面间的接触状态和特性做了大量研究，得出了基于粗糙接触、Iwan串并联模型和有限元仿真分析等众多解决方法，很好的揭示了动静刚度的规律，虽然和实际情况有一些偏差，但总体能说明规律。阻尼耗能大多应用在土石岩层，建筑工程和地震等方面，螺栓构件上的应用研究鲜少涉及。接触阻尼在螺栓松弛中的主要体现为阻尼耗能，目前基于能量耗散的轴向螺栓松弛研究甚少，也是难点之一。结合面的微凸体接触受接触面的加工参数、施加载荷、振动频率等影响。通过改变结合面的加工参数、螺栓预紧力和施加载荷的力与频率来探究特定结合面下螺栓松弛的规律。

探究结合面影响下的螺栓松弛的现实影响因素很多，十分复杂，具体如下

1)栓接件本身受加工影响，加工方式、粗糙度、预紧力、施加载荷和频率都相同其松弛规律有偏差。内在原因是，每个零件的表面形貌都具有独立性，相同参数下(加工参数、粗糙度)的接触表面具有相似性。因此获得初始接触表面的三维参数十分重要。

2)单螺栓轴向螺栓试件，其结构设计要求简单又能保持原有结构特性，不能有附加的接触面和多余结构，也不能破坏螺栓本身，方便螺栓拧紧和拆卸，构件保持足够的刚性又不能过于笨重。

3)实验设备的精度影响最终结果的准确性，需要采用更精确的设备来采集包括表面数据、力学、位移和时间信号。

为了系统性的研究探明结合面特性的对轴向螺栓松弛的规律，需要结构简单又能满足要求的，测试精度较高的装置和相应的研究方法。

发明内容

为了解决现有装置中结构复杂、测量精度不高、松弛过程接触表面变化无法测定以及松弛和振动位移之间关系不明确的问题。本发明设计了一套精度高、结构简单又能满足要求并且完整的考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置和方法。通过三维表面形貌测量仪扫描获得接触表面三维形貌数据及其3D形貌，结合拉伸试验机和力学传感器、位移传感器采集的数据,改变加工参数和载荷、预紧力参数，综合分析得出松弛规律。

本发明解决问题的具体技术方案为：一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛装置采用三维表面形貌测量仪来扫描连接件的表面，用拉伸试验机夹持轴向螺栓框型件试件，并给其提供可变周期、频率以及加载力大小的载荷并加载循环力，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得轴向螺栓松弛规律，再将松弛阶段划分，按照先扫描形貌获得数据在进行拉伸试验，拉伸试验完成后再进行扫描分析的过程重复试验，最终在三维形貌数据、力学数据和位移数据综合分析下得出精度高、准确的结合面特性对于轴向螺栓松弛规律的影响结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种考虑结合面特性的测定轴向螺栓松弛的装置，该装置包括拉伸试验机(1)、下连接件(2)、螺母(3)、电涡流位移传感器(4)、上连接件(5)、螺杆(6)和压力传感器(7)，对应的传感器数据采集系统和计算机、三维表面形貌测量仪、数显力矩扳手。三维表面形貌测量仪其最高精度为100nm，用来扫描试件接触面的三维形貌数据包括三维坐标、表面粗糙度、波纹度以及3D形貌，如图6所示。对接触面表面的形貌测量非常准确。

测定轴向螺栓松弛的装置的上连接件(5)和下连接件(2)的两端分别夹在拉伸实验机上，如图2所示。利用拉伸试验机加载循环载荷，目的是加速实验，缩短螺栓松动时间。拉伸试验机能够改变加载的力和频率，同时控制加载次数。