[发明专利]一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法，属于机械工程与力学领域。

背景技术

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螺栓已加工表面的残余应力影响着螺栓初始预紧力和振动工况下夹紧力的衰减。

螺栓已加工表面质量存在有残余应力，残余应力是一种以平衡状态存在于物体内部的力，同时是一种不稳定的应力状态，当物体受到外力作用时，作用应力与残余应力相互作用，使其某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配；当外力作用去除后，整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。螺栓已加工表面层的残余应力作为螺栓已加工表面质量一个重要指标，对机械零部件的使用性能有极大的影响。螺栓连接广泛用于机械结构中，它具有结构简单、连接可靠、拆卸方便等优点，且作为重要的连接零部件，螺栓的性能对结构的可靠性和安全性至关重要。由于这些结构在长期的使用过程中,螺栓加工表面的残余应力会发生变化，使具有一定螺栓预紧力的紧固件在交变外力作用下，其预紧力下降而导致螺栓连接件发生松弛，而螺栓紧固件的松动会导致机器设备发生故障，降低设备的使用寿命和可靠性，甚至会发生安全事故，严重威胁人身及财产安全。因此，需要通过实验找出螺栓已加工表面的残余应力对螺栓连接结构夹紧力影响的关系，为螺栓连接结构的设计、制造、使用提供可靠的实验依据。

目前，可以通过适当的方法调整和控制螺栓已加工的残余压应力，可以明显的提高螺栓连接件疲劳强度和耐腐蚀性。工程界已经发展和应用了多种调整控制工件表面残余应力的工艺，如热处理、喷丸、滚压等，但这些工艺不但设备昂贵，会产生表面硬化现象，降低零件的冲击韧性，而且对精密或者具有复杂结构的工件无法应用。而且螺栓已加工表面的残余应力对螺栓连接结构夹紧力的影响没有确定的研究方法，需要通过特定的设备、仪器和处理方法来获得残余应力对螺栓的松弛影响，造成实验数据的波动，精确度不高。

基于以上所述，为了解决以上问题且更加系统的研究螺栓残余应力对螺栓连接结构的影响，因此需要一种能定量分析两者关系，操作简单、测量数据精确和测量精度高的方法来研究螺栓残余应力对螺栓夹紧力的影响。

发明内容

本发明为了解决现有方法中操作复杂、测量精度不高以及无法定量分析残余应力和螺栓夹紧力之间关系的问题。本发明是设计了一种精度高、操作简单不仅能通过不同残余应力螺栓来测量螺栓夹紧力的衰减，而且还可以通过螺栓残余应力来反映螺栓的松弛规律，同时考虑了在不同残余应力下结合面间的相对位移变化与螺栓夹紧力的关系。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，以及对同种材料的螺栓通过控制振动台加载试验的时间来控制的残余应力大小，采用X射线残余应力测试仪测量残余应力的大小，获得不同水平的残余应力螺栓，同时在相同的预紧力和特定幅值的循环交变载荷下，结合拉伸试验机和力学传感器、位移传感器采集的数据，综合分析得出不同残余应力下螺栓夹紧力的衰减。

本发明解决问题的具体技术方案为：一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量装置，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、螺栓6和压力传感器7，电涡流位移传感器4和压力传感器7与传感器数据采集系统连接，传感器数据采集系统与计算机连接。三维表面形貌测量仪的最高精度达到100nm，用来扫描试件接触面的三维形貌数据，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，对接触面表面的形貌测量非常准确。通过振动台和X射线残余应力测试仪获得不同大小的残余应力，随后轴向组装轴向螺栓连接件，上连接件5和下连接件2之间通过螺栓6连接，螺栓6通过螺母3紧固，压力传感器7设置在螺栓6的头部。上连接件5和下连接件2通过固定尺寸的接触面接触，压力传感器7串联在螺栓6和上连接件5之间，压力传感器7依次连接数字放大器和数据采集卡，最终将测得的数据实时输出至计算机对应采集软件中，通过计算机的传感器数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随着时间变化的F-t曲线。上连接件5的端部设有方形带孔薄板，以固定电涡流位移传感器4，并实现上下调节，将电涡流位移传感器4的下端探头安装至距离下连接件2一侧的方形薄板上端2-3mm处。电涡流位移传感器4使用LMS数据采集系统进行连接，获得精度较高的振动下不同残余应力下结合面间的位移时间的S-t图。然后对其施加特定的频率、波形和一定幅值的交变载荷进行循环载荷下的拉伸重复试验。上连接件5和下连接件2与拉伸试验机1连接。