专利名称：一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法，属于机械设计与制造领域。
背景技术：
众所周知，机床乃至各类机械，为了满足各种功能、性能和加工要求以及运输上的方便，一般都不是一个连续的整体，而是由各种零件按照一定的具体要求组合起来的。称零件、组件、部件之间相互接触的表面为“机械结合面”，简称“结合面”，或称“接触面”。相互接触的零件、组件、部件称为结合部，而结合部又可以分为结合面以及被联结件，被联结件即为结合部除去结合面的部分，如
图10所示。由于结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或系统不再具有连续性，进而导致了问题的复杂性。结合面存在着接触刚度和接触阻尼，因此从力学的角度分析结合面问题，可以说它和机械结构的静特性存在着十分密切的关系。而螺栓联接的结合面则是机械结构中最典型的结合面之一。螺栓联接具有联接可靠、联接强度高、可拆卸、能自锁等优点。在一般的螺栓结合面中，当螺栓预紧后又受轴向工作载荷时，螺栓所受总的轴向拉力与螺栓刚度和结合部刚度有直接的关系。螺栓刚度容易获得，但对于结合部刚度来说，情况要复杂得多，至今也没有一个简明准确的计算方法。因此，有必要对螺栓结合面和结合面的刚度进行深入的研究。影响结合面静态刚度特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有:(I)结合面材质(包括材料、硬度等);(2)结合面的加工方法(常用的方法:车、统、刨、磨等);(3)结合面的加工质量(包括表面粗糙度、波纹度、平面度)；(4)结合面的介质状况(包括干结合面、有油结合面)；(5)结合面的法向面压(简称面压)；(6)结合面间的相对位移性质(法向位移、切向位移、转角)；(7)结合面的功能(固定结合面、运动结合面等)；(8)结合面处的结构类型和尺寸大小等。这么众多的影响因素，再加之它们的影响规律又多种多样，而且有些因素相互间又有影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。为了系统地研究和探明结合面静态特性与其基本影响因素之间的关系，并掌握结合面静态基础特性参数，需要一套完整的测试结合面静态特性的装置与方法。
发明内容
本发明的目的是设计一套通过材料试验机拉伸法向实验试件，使用力传感器和电涡流位移传感器分别获得材料试验机的拉力信号和法向实验试件结合面处的轴向位移信号，并利用模态测试系统将数据发送至PC机，综合结合部、被联结件、结合面三种刚度关系，得到结合面受力与结合部刚度之间的函数关系为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的装置，包括材料试验机(I)、两个螺杆
(2)、下试件(3)、上试件(4)、高强螺栓(5)、无槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、电涡流位移传感器(9)、力传感器(10)、动态应变仪、模态测试系统和PC机；其特征在于:高强螺栓
(5)垂直穿过上试件(4)和下试件(3)中心处的通孔，为高强螺栓(5)施加一定预紧力，使上试件(4)的端面和下试件(3)的端面相互贴合构成结合面，高强螺栓(5)预埋了应变片，应变片弓I出导线连接动态应变仪；无槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分别均匀固定在上试件(4 )和下试件(3 )外侧表面中心处，电涡流位移传感器(9 )夹紧在有槽定位支架(8 )上，无槽定位支架(7)提供电涡流位移传感器(9)的测距参考面，电涡流位移传感器(9)用于测量结合面法向位移变化量；上试件(4)和下试件(3)通两个螺杆(2)分别与材料试验机连接；材料试验机(I)搭载力传感器(10)并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器(9)及测量静态力信号的力传感器(10)将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机。 上试件(4 )和下试件(3 )完全相同，仅为了表述上更加清晰采用了不同的名称。它们所用材料、结构形状、表面粗糙度均相同。所述电涡流位移传感器(9)采用型号为SV3300的电涡流趋近式传感器；所述力传感器(10)采用型号为BK55687的力传感器。一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法，其特征在于:步骤1，向高强螺栓施加预紧力，通过设定材料试验机(I)的加载速度以及不大于预紧力的加载力，对下试件(3)、上试件(4)施加纵向的静态拉力；步骤2，在施加静态拉力的过程中，动态应变仪、电涡流位移传感器(9)、以及力传感器(10)分别将高强螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模态测试系统，然后输出送至PC机，当材料试验机(I)的加载力达到所设定的加载力大小时会自动停止；步骤3，根据步骤2得到的数据进行分析，得到不同结合面受力所对应的结合部刚度，其中结合部是指上下试块。首先，计算结合面受力y，计算公式为如下:结合面受力y=设定的高强螺栓预紧力-材料试验机(I)的加载力；其次，对计算得到的结合面受力y，以及电涡流位移传感器(9)测量得到的结合面法向位移量X进行曲线拟合，即I = f(x)，该曲线的导函数即为结合部刚度函数，即k=y;，提取一组结合面受力Ii,以及Yi对应的结合部刚度值ki ；其中，
权利要求
1.一种测试高强螺栓结合面法向静态特性的装置，包括材料试验机(I)、两个螺杆(2)、下试件(3)、上试件(4)、高强螺栓(5)、无槽定位支架(7)、有槽定位支架(8)、电涡流位移传感器(9)、力传感器(10)、动态应变仪、模态测试系统和PC机；其特征在于:高强螺栓(5)垂直穿过上试件(4)和下试件(3)中心处的通孔，为高强螺栓(5)施加一定预紧力，使上试件(4)的端面和下试件(3)的端面相互贴合构成结合面，高强螺栓(5)预埋了应变片，应变片引出导线连接动态应变仪；无槽定位支架(7)和有槽定位支架(8)分别均匀固定在上试件(4 )和下试件(3 )外侧表面中心处，电涡流位移传感器(9 )夹紧在有槽定位支架(8 )上，无槽定位支架(7)提供电涡流位移传感器(9)的测距参考面，电涡流位移传感器(9)用于测量结合面法向位移变化量；上试件(4)和下试件(3)通两个螺杆(2)分别与材料试验机连接；材料试验机(I)搭载力传感器(10)并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器(9)及测量静态力信号的力传感器(10)将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机。
2.根据权利要求1所述的一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置，其特征在于:上试件(4)和下试件(3)完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置，其特征在于:所述电涡流位移传感器(9)采用型号为SV3300的电涡流趋近式传感器；所述力传感器(10)采用型号为BK55687的力传感器。
4.一种基于权利要求1所述装置的测试高强螺栓结合面法向静态特性的方法，其特征在于: 步骤1，向高强螺栓施加预紧力，通过设定材料试验机(I)的加载速度以及不大于预紧力的加载力，对下试件(3 )、上试件(4 )施加纵向的静态拉力； 步骤2，在施加静态拉力的过程中，动态应变仪、电涡流位移传感器(9)、以及力传感器(10)分别将高强螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模态测试系统，然后输出送至PC机，当材料试验机(I)的加载力达到所设定的加载力大小时会自动停止； 步骤3，根据步骤2得到的数据进行分析，得到不同结合面受力所对应的结合部刚度， 首先，计算结合面受力y，计算公式为如下: 结合面受力y=设定的高强螺栓预紧力-材料试验机(I)的加载力； 其次，对计算得到的结合面受力1，以及电涡流位移传感器(9)测量得到的结合面法向位移量χ进行曲线拟合，即y=f(x)，该曲线的导函数即为结合部刚度函数，即k=r，提取一组结合面受力li，以及Ii对应的结合部刚度值ki ； 步骤4，改变施加给高强螺栓的预紧力，重新设定材料试验机(I)的加载速度以及加载力，得到多组结合面受力Ii,以及Ii对应的结合部刚度值h ； 步骤5，将以上步骤所得的多组不同结合面受力范围对应的结合部刚度数据，进行多项式拟合，所得的拟合函数即为修正后的结合部刚度函数K，其中，当结合面受力yi相同，对应的结合部刚度值&不同时，对结合部刚度值Iii求平均； 步骤6，计算被联结件的刚度km，计算方程式为:
全文摘要
一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法，包括材料试验机、两个螺杆、下试件、上试件、高强螺栓、无槽定位支架、有槽定位支架、电涡流位移传感器、力传感器、动态应变仪、模态测试系统和PC机。高强螺栓垂直穿过上试件和下试件，使上试件和下试件相互贴合构成结合面，高强螺栓预埋了应变片；电涡流位移传感器用于测量结合面法向位移变化量；上试件和下试件通过两个螺杆分别与材料试验机连接；材料试验机搭载力传感器并沿纵向为上、下试件施加静态拉力；测量预紧力以及高强螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的电涡流位移传感器及测量静态力信号的力传感器将各自信号输出至模态测试系统，然后输送至PC机。
文档编号G01M13/00GK103217278SQ201310001169
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者蔡力钢, 郝宇, 郭铁能, 刘志峰, 张东梅 申请人:北京工业大学