[发明专利]一种螺栓结合面真实接触面积测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种螺栓结合面真实接触面积测量装置及方法，包括支撑箱座，支撑箱座上固定有下试件，下试件上通过螺栓连接有上试件，支撑箱座上设有通孔，通孔中设置有若干纳米级光纤位移传感器，所述纳米级光纤位移传感器通过调整组件连接在下试件上，且纳米级光纤位移传感器的顶部穿过下试件连接至下试件和上试件的结合面，纳米级光纤位移传感器的底部通过信号采集系统连接至计算机。本发明可以利用纳米级光纤位移传感器进行预紧载荷下螺栓结合面真实结合面积测量的试验，也可以同时进行螺栓结合面预变形随预紧载荷变化而变化的试验。

技术领域

本发明属于机械结构结合面技术领域，具体涉及一种基于光纤传感器的螺栓结合面真实接触面积测量装置及方法。

背景技术

机械系统中各零部件之间，为了便于加工制造、运输以及满足功能方面的要求，一般都不是连续的整体，而是许多零部件按照一定的功能要求组合起来的整机，整机中零部件间不可避免的形成了大量的结合部，结合部包括结合面以及结合面附近两零件的结构，两个零件接触并发生相对变形的表面层部分称为结合面。螺栓连接由于其易于实现预紧力的调整、装夹性能良好、方便拆卸维修和装配，是机床与其它复杂机械中应用最广的一种连接方式。螺栓结合部也是各类机械中最常见、最重要的结合部之一，如数控机床上主轴箱与床身、立柱与底座之间都存在螺栓结合部。螺栓结合部是由多个平面结合部、螺纹结合部以及多个零件组成的复杂结合部，相对于平面结合部在工作过程只受外载荷的作用，螺栓结合部在工作过程中承受的载荷更加复杂，是在受预紧力的状态下再承受多向外载荷作用。在预紧力的作用下，螺栓结合部的接触表面面压分布是不均匀的，接触面积和接触模型对法向接触刚度有着重要影响。

无论相互连接的零件表面加工如何精细，在显微镜下接触表面上的微观形貌总是凹凸不平的，两个机械加工平面的接触原理如图1所示，当零件间表面接触时，微凸体的凸起部分首先接触，所有微凸体间的接触面积和是实际接触面积，远小于零件表面名义面积，因此接触点实际接触面压也远高于零件间的面压。螺栓连接在承受预紧载荷时，结合面承受法向载荷，为获取螺栓连接平面真实结合面面积，目前采用超声波测量结合面真实面积的方法中，由于当前位移传感器超声波探头直径最小也达到0.9mm，导致测量获取的结合面面积的精度不够精确；采用电涡流位移传感器的方法，由于电涡流传感器不能直接位于结合面接触部位，测量的位移值中往往包含零件的变形，无法获取真实结合面积；而采用压敏纸测量结合面面积的方法由于压敏纸的介入结合面间会破坏结合面真实的表面形状。为了在尽量不破坏结合面实际结合表面的情况下获取螺栓结合面真实结合面积，需要一套完整的测量装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓结合面真实接触面积测量装置及方法，以克服现有技术中的问题，本发明可以利用纳米级光纤位移传感器进行预紧载荷下螺栓结合面真实结合面积测量的试验，也可以同时进行螺栓结合面预变形随预紧载荷变化而变化的试验。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺栓结合面真实接触面积测量装置，包括支撑箱座，支撑箱座上固定有下试件，下试件上通过螺栓连接有上试件，支撑箱座上设有通孔，通孔中设置有若干纳米级光纤位移传感器，所述纳米级光纤位移传感器通过调整组件连接在下试件上，且纳米级光纤位移传感器的顶部穿过下试件连接至下试件和上试件的结合面，纳米级光纤位移传感器的底部通过信号采集系统连接至计算机。

进一步地，所述的调整组件包括外套筒，外套筒上部活动连接有固定螺套，固定螺套与下试件固定连接，外套筒中设有内套筒，且内套筒上部穿插设置在固定螺套中，纳米级光纤位移传感器穿插设在内套筒中。

进一步地，外套筒上部设有内螺纹，固定螺套下部设有外螺纹，外套筒和固定螺套通过螺纹连接。

进一步地，内套筒的下部直径大于上部直径，内套筒的下部和上部之间形成平台，固定螺套的底部和平台之间设有弹簧。

一种基于上述装置的螺栓结合面真实接触面积测量方法，包括以下步骤：