本發(fā)明涉及一種考慮結(jié)合面特性的測(cè)定軸向螺栓松弛的裝置和方法，屬于機(jī)械制造及結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：零部件相互接觸的表面為結(jié)合面。螺栓松弛為具有一定預(yù)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(jié)合面間的特性影響著螺栓初始預(yù)緊力和振動(dòng)工況下夾緊力的衰減。結(jié)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(gòu)件的接觸剛度和接觸阻尼。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于接觸面間的接觸狀態(tài)和特性做了大量研究，得出了基于粗糙接觸、iwan串并聯(lián)模型和有限元仿真分析等眾多解決方法，很好的揭示了動(dòng)靜剛度的規(guī)律，雖然和實(shí)際情況有一些偏差，但總體能說明規(guī)律。阻尼耗能大多應(yīng)用在土石巖層，建筑工程和地震等方面，螺栓構(gòu)件上的應(yīng)用研究鮮少涉及。接觸阻尼在螺栓松弛中的主要體現(xiàn)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(diǎn)之一。結(jié)合面的微凸體接觸受接觸面的加工參數(shù)、施加載荷、振動(dòng)頻率等影響。通過改變結(jié)合面的加工參數(shù)、螺栓預(yù)緊力和施加載荷的力與頻率來探究特定結(jié)合面下螺栓松弛的規(guī)律。探究結(jié)合面影響下的螺栓松弛的現(xiàn)實(shí)影響因素很多，十分復(fù)雜，具體如下1)栓接件本身受加工影響，加工方式、粗糙度、預(yù)緊力、施加載荷和頻率都相同其松弛規(guī)律有偏差。內(nèi)在原因是，每個(gè)零件的表面形貌都具有獨(dú)立性，相同參數(shù)下(加工參數(shù)、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(shù)十分重要。2)單螺栓軸向螺栓試件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單又能保持原有結(jié)構(gòu)特性，不能有附加的接觸面和多余結(jié)構(gòu)，也不能破壞螺栓本身，方便螺栓擰緊和拆卸，構(gòu)件保持足夠的剛性又不能過于笨重。3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采用更精確的設(shè)備來采集包括表面數(shù)據(jù)、力學(xué)、位移和時(shí)間信號(hào)。為了系統(tǒng)性的研究探明結(jié)合面特性的對(duì)軸向螺栓松弛的規(guī)律，需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又能滿足要求的，測(cè)試精度較高的裝置和相應(yīng)的研究方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有裝置中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量精度不高、松弛過程接觸表面變化無法測(cè)定以及松弛和振動(dòng)位移之間關(guān)系不明確的問題。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又能滿足要求并且完整的考慮結(jié)合面特性的測(cè)定軸向螺栓松弛的裝置和方法。通過三維表面形貌測(cè)量?jī)x掃描獲得接觸表面三維形貌數(shù)據(jù)及其3d形貌，結(jié)合拉伸試驗(yàn)機(jī)和力學(xué)傳感器、位移傳感器采集的數(shù)據(jù),改變加工參數(shù)和載荷、預(yù)緊力參數(shù)，綜合分析得出松弛規(guī)律。本發(fā)明解決問題的具體技術(shù)方案為：一種考慮結(jié)合面特性的測(cè)定軸向螺栓松弛裝置采用三維表面形貌測(cè)量?jī)x來掃描連接件的表面，用拉伸試驗(yàn)機(jī)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(huán)力，隨著循環(huán)加載，獲得力學(xué)、位移隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，分析獲得軸向螺栓松弛規(guī)律，再將松弛階段劃分，按照先掃描形貌獲得數(shù)據(jù)在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)完成后再進(jìn)行掃描分析的過程重復(fù)試驗(yàn)，最終在三維形貌數(shù)據(jù)、力學(xué)數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)綜合分析下得出精度高、準(zhǔn)確的結(jié)合面特性對(duì)于軸向螺栓松弛規(guī)律的影響結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種考慮結(jié)合面特性的測(cè)定軸向螺栓松弛的裝置，該裝置包括拉伸試驗(yàn)機(jī)(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(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)、三維表面形貌測(cè)量?jī)x、數(shù)顯力矩扳手。三維表面形貌測(cè)量?jī)x其最高精度為100nm，用來掃描試件接觸面的三維形貌數(shù)據(jù)包括三維坐標(biāo)、表面粗糙度、波紋度以及3d形貌，如圖6所示。對(duì)接觸面表面的形貌測(cè)量非常準(zhǔn)確。測(cè)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(shí)驗(yàn)機(jī)上，如圖2所示。利用拉伸試驗(yàn)機(jī)加載循環(huán)載荷，目的是加速實(shí)驗(yàn)，縮短螺栓松動(dòng)時(shí)間。拉伸試驗(yàn)機(jī)能夠改變加載的力和頻率，同時(shí)控制加載次數(shù)。測(cè)定軸向螺栓松弛的裝置從上到下依次是上連接件(5)、螺桿(6)、壓力傳感器(7)、下連接件(2)和螺母(3)，如圖3所示。上連接件(5)和下連接件(2)通過固定尺寸的接觸面接觸。螺栓通過數(shù)顯力矩扳手?jǐn)Q緊。壓力傳感器串聯(lián)在螺桿(6)和上連接件(5)之間，依次連接數(shù)字放大器和數(shù)據(jù)采集卡最終將測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出至計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)采集軟件中，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓夾緊力，獲得螺栓夾緊力隨時(shí)間變化的f-t曲線。上連接件(5)的端部設(shè)有方形帶孔薄板，方形帶孔薄板用以固定電渦流位移傳感器(4)，并實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)，將位移傳感器下端探頭安裝至距離下連接件(2)右側(cè)的方形薄板上端2-3mm處。電渦流位移傳感器(4)設(shè)置在上連接件(5)的外側(cè)，電渦流位移傳感器(4)與lms數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，獲得精度高的振動(dòng)下接觸面間的位移時(shí)間的s-t圖。預(yù)緊力的計(jì)算：力矩與螺栓所能提供的預(yù)緊力之間的關(guān)系為t＝k·d·f，其中t是數(shù)顯力矩扳手設(shè)定的扭矩；k為擰緊系數(shù)，取0.16～0.18之間；f為螺栓預(yù)緊力。上連接件(5)和下連接件(2)均為框型結(jié)構(gòu)，如圖4。上連接件(5)和下連接件(2)的材料和加工方式相同，兩者內(nèi)側(cè)過渡區(qū)域均采用大圓角過渡處理、框型件結(jié)合處兩側(cè)為傾斜過渡、框型件兩側(cè)至拉伸試驗(yàn)機(jī)加持部分逐漸過渡，這三種方法避免軸向加載過大引起零件因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。表面粗糙度根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求統(tǒng)一加工成ra1.6或ra3.2，但采用的加工方式對(duì)應(yīng)為磨削、銑削或其他形式，并分別單獨(dú)標(biāo)注。上連接件(5)和下連接件(2)用于安裝螺栓的孔徑為螺桿(6)直徑+1mm。側(cè)端的方形薄板為焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝的位移傳感器的大小有所調(diào)整，其孔徑為10mm。上連接件(5)和下連接件(2)在結(jié)合面兩側(cè)為傾斜狀如圖4的下端，目的是在軸向拉伸下減小試件的應(yīng)力集中，其余部分通過圓弧過渡或逐漸減小橫截面積來減小應(yīng)力集中。壓力傳感器(7)為環(huán)狀，環(huán)狀內(nèi)孔與螺栓安裝孔徑相等，大小為螺桿(6)直徑+1mm。壓力傳感器(7)的量程較大精度高，采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)記錄并自行生成f-t曲線，其數(shù)據(jù)保存以便于后續(xù)數(shù)據(jù)整合。另外傳感器本身剛度較大其變形相對(duì)于螺栓試件忽略不計(jì)。有益效果為了解決現(xiàn)有裝置中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量精度不高、松弛過程接觸表面變化無法測(cè)定以及松弛和振動(dòng)位移之間關(guān)系不明確的問題。1)設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單軸向螺栓松弛測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單為框型件，且符合剛度需求，在能夠獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果的同時(shí)沒有改動(dòng)螺栓結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)成部件只有連接件和螺栓螺母。2)采用特制、精度更高的壓力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)輸出數(shù)據(jù)和保存，同時(shí)結(jié)合拉伸試驗(yàn)機(jī)的高精度加載和頻率控制，這些都保證數(shù)據(jù)的精確性，對(duì)于后續(xù)分析提供了大量的、精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3)首次采用了三維表面形貌測(cè)量?jī)x，掃描并建立了接觸表面三維數(shù)據(jù)，為結(jié)合面特性的影響提供基礎(chǔ)。4)說明了振動(dòng)下零件間相對(duì)位移和松弛之間的關(guān)系，表明了夾緊力的衰減和位移之間的關(guān)系。附圖說明圖1是測(cè)試結(jié)合面影響下軸向螺栓松弛規(guī)律的系統(tǒng)框圖。圖2是軸向螺栓松弛測(cè)定裝置及其附件構(gòu)成系統(tǒng)圖。圖3是軸向結(jié)構(gòu)主要裝置剖面圖。圖4是軸向螺栓裝置上連接件主視圖。圖5是軸向螺栓裝置上連接件a向視圖。圖6是結(jié)合面以銑削為加工方式的表面形貌。圖7是接觸表面表面二維形貌。圖8是接觸表面波紋度和原始形貌對(duì)比圖。圖9是接觸表面粗糙度和原始形貌對(duì)比圖。圖中：1、拉伸試驗(yàn)機(jī)，2、上連接件，3、螺母，4、電渦流位移傳感器，5、下連接件，6、螺桿，7、壓力傳感器具體實(shí)施方式步驟一：將不同加工質(zhì)量的上連接件2、下連接件5的接觸面通過三維表面形貌測(cè)量?jī)x掃描接觸區(qū)域并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，包括3d形貌、三維坐標(biāo)、表面粗糙度、波紋度等參數(shù)作為接觸表面特征的初始參照值。啟動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)1，進(jìn)行預(yù)熱；壓力傳感器7、數(shù)字放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)依次連接起來，通過軟件設(shè)置并將初始值調(diào)零；壓力傳感器7穿在螺桿6上；將某一加工表面質(zhì)量下的上連接件5、下連接件2，通過螺桿6和螺母3連接起來，使得壓力傳感器7在螺桿6和上連接件5之間形成串聯(lián)；控制扭矩扳手的不同扭矩來控制螺栓的預(yù)緊力，設(shè)定螺栓預(yù)緊力的初始值，計(jì)算機(jī)顯示的壓力傳感器7達(dá)到相應(yīng)初始值時(shí)停止增大扭矩。將所連接的試件加在拉伸試驗(yàn)機(jī)1上，設(shè)定加載頻率和加載力大小，并設(shè)置循環(huán)類型(正弦波、方波、鋸齒波)和循環(huán)周期；開啟拉伸試驗(yàn)，并記錄壓力傳感器7輸出的f-t曲線圖和相應(yīng)的力時(shí)間二維數(shù)據(jù)、電渦流位移傳感器4輸出的s-t曲線和相應(yīng)的位移時(shí)間二維數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后，保存并輸出數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)后將螺栓軸向件擰松拆卸，分別在三維表面形貌上掃描上連接件5、下連接件2的接觸面，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)3d形貌、三維坐標(biāo)、表面粗糙度、波紋度。步驟二：重復(fù)以上實(shí)施過程，通過特定頻率、波形、加載力和螺栓預(yù)緊力的情況下幾組螺栓松弛拉伸試驗(yàn)可獲得螺栓松弛特性即夾緊力隨時(shí)間的衰減曲線。將螺栓松弛的夾緊力衰減f-t圖劃分，定義快速松弛階段為n，緩慢松弛階段為m，定義準(zhǔn)則為斜率，將斜率大的定義為快速松弛階段，斜率小的定義為緩慢松弛階段，整周期t＝n+m。劃分n為三個(gè)階段，n1、n2、n3，按照時(shí)間劃分,標(biāo)注對(duì)應(yīng)時(shí)間和夾緊力。劃分m為三個(gè)階段，m1、m2、m3，按照時(shí)間劃分。如下表所示：n1n2n3m1m2m3時(shí)間夾緊力步驟三：組裝六組螺栓試件，拉伸試驗(yàn)采用同樣的加載頻率和加載力，加載周期即時(shí)間結(jié)束節(jié)點(diǎn)為n1、n2、n3、m1、m2、m3。重復(fù)步驟一的操作和實(shí)施方法，，拉伸試驗(yàn)結(jié)束后，同樣掃描接觸表面獲得表面形貌參數(shù)。步驟四：改變上連接件5和下連接件2的材料、表面加工質(zhì)量、螺栓預(yù)緊力、加載力以及加載頻率，利用控制變量法，改變其中一個(gè)參數(shù)，重復(fù)步驟一、二、三，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)并保存。數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)后獲得數(shù)據(jù)包括：力學(xué)信號(hào)二維數(shù)組f-t,位移信號(hào)二維數(shù)組s-t,接觸面三維表面數(shù)據(jù)。本方法想要獲得的幾種關(guān)系為，螺栓夾緊力隨著循環(huán)時(shí)間的衰減特性曲線即f-t圖，螺栓松弛過程中結(jié)合面位移時(shí)間圖即s-t圖，螺栓松弛過程中接觸表面形貌變化隨著時(shí)間的變化規(guī)律(多張圖進(jìn)行綜合分析)。通過綜合分析，獲得在改變預(yù)緊力、加工表面參數(shù)、加載頻率和加載力下的螺栓松弛特性以及分節(jié)點(diǎn)松弛數(shù)據(jù)和表面數(shù)據(jù)，得出基于結(jié)合面特性的多種因素。當(dāng)前第1頁12