一种螺栓结合面真实接触面积测量装置及方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

步骤一：通过调整组件将纳米级光纤位移传感器调至测量量程范围内；

步骤二：通过紧螺栓至预定的预紧载荷，在拧紧过程中，下试件静止，上试件在螺栓的作用下向下压紧下试件，结合面间的微凸体发生变形开始接触；随着载荷的增大，上试件和下试件结合面间的接触区域内微凸体变形增大，接触区域内间隙减小直至间隙为零，纳米级光纤位移传感器获取的位移量也逐渐减小至零；加载过程中通过信号采集系统将各个纳米级光纤位移传感器的数据采集并传输至计算机，即获取加载过程中不同预紧载荷下结合面的位移值，从而获取结合面的接触刚度；

步骤三：当达到预紧载荷值，接触区域的纳米级光纤位移传感器接收光量为零，非接触区域由于上下结合面间有间隙，纳米级光纤位移传感器接收光量不为零，即位移值不为零，以螺栓的轴线与结合面的交点为螺栓中心，距离螺栓中心最近的且还有位移值输出的纳米级光纤位移传感器的中心位置，即为螺栓结合面开始出现非接触区域的位置，由螺栓中心到此位置即为接触区域半径，即可求出在该预紧载荷下的螺栓结合面真实接触面积；

步骤四：重复上述步骤一至步骤三并改变预紧载荷，即获得不同预紧载荷下螺栓结合面的真实接触面积。

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。

进一步地，通过调整组件将纳米级光纤位移传感器调至测量量程范围内具体为：通过调整外套筒和固定螺套之间的距离，使其压紧弹簧，通过弹簧带动内套筒，进而通过内套筒带动纳米级光纤位移传感器，将纳米级光纤位移传感器微调至测量量程范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

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，本发明的测量采用非接触式测量，可以尽可能不破坏结合面本身的特性，本发明采用的纳米级光纤位移传感器直径非常小，获取的结合面面积精度高；本发明传感器所在的位置直接位于结合面接触部位，测量的位移值是螺栓结合面在受载下的预变形因此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。

附图说明

图1接触表面微观接触原理图；

图2本发明利用光纤传感器进行结合面真实结合面积测量结构示意图；

图3本发明获取螺栓真实结合面积的光纤位移传感器分布示意图。

图中，1.支撑箱座；2.下试件；3.上试件；4.螺栓；5.纳米级光纤位移传感器；6.固定螺套；7.外套筒；8.弹簧；9.内套筒；10.结合面；11.信号采集系统；12.计算机；13、第一零件；14.第二零件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，接触表面微观接触原理为：第一零件13和第二零件14在法向预紧载荷增大的过程中，二者的结合面间的微凸体发生形变开始接触，随着载荷的增大，第一零件13和第二零件14结合面间的接触区域内微凸体变形增大，接触区域内间隙减小直至可测量到的间隙为零。

参见图2和图3，本发明将高精度纳米级光纤传感器引入结合面测试领域，设计一套利用光纤传感器进行螺栓结合面真实结合面积测量的试验装置，主要包括支撑箱座1、下试件2、上试件3、螺栓4、纳米级光纤位移传感器5、调整组件、信号采集系统11、力矩扳手、计算机12；下试件2固定在支撑箱座1上，上试件3位于下试件2的上方，螺栓4连接上、下试件并施加法向预紧力；多个纳米级光纤位移传感器5通过调整组件固定在下试件2上；调整组件由固定螺套6、外套筒7、弹簧8、内套筒9组成，调整组件通过固定螺套6的上端螺纹与下试件2连接，多个调整组件结构相同。

利用上述装置进行螺栓结合面真实结合面积测量试验方法所采用的技术方案是，下试件2固定在支撑箱座1上，上试件3位于下试件2的上方，螺栓4连接上、下试件并通过力矩扳手拧紧螺栓并获取法向预紧力的大小，纳米级光纤位移传感器5由内到外沿直径方向由调整组件固定在下试件2上，通过调节调整组件，将纳米级光纤位移传感器5调整至测量量程范围内。纳米级光纤位移传感器5内的探针具有输入和接收两组光纤，当结合面间接触或零间隙时，全部发射光量直接被反射至输入光纤，没有传输给接收光纤，输出信号便为零；在非接触区，结合面间有间隙，发射光量被反射入接收光纤，当探针与被测面间的距离增加，接收光纤的接收光量随之增大，位移值的大小是根据接收光纤接收被测物的反射光量来决定的。

在拧紧力矩扳手至预定的预紧载荷的加载过程中，下试件2静止，在法向预紧载荷增大的过程中，上、下试件间的结合面间的微凸体发生变形开始接触，随着载荷的增大，上、下试件结合面间的接触区域内微凸体变形增大，接触区域内间隙减小直至间隙为零，纳米级光纤位移传感器5获取的位移量也逐渐减小至零，通过信号采集系统11将各个纳米级光纤位移传感器5的数据采集并传输至计算机12，可以获取加载过程中不同预紧载荷下结合面的位移值，从而可以获取结合面的接触刚度；达到预紧载荷值，接触区域的纳米级光纤位移传感器5接收光量为零，非接触区域由于上下结合面间有间隙，接收光纤有接收光量所以位移值不为零，以螺栓4的轴线与结合面10的交点为螺栓中心，距离螺栓中心最近的且还有位移值输出的纳米级光纤位移传感器5的中心位置，即为螺栓结合面开始出现非接触区域的位置，由螺栓连接中心到此位置即为接触域半径，纳米级光纤位移传感器5外径仅为0.17mm，对螺栓结合面的真实接触区域面积影响可以忽略，可求出在该预紧载荷下的螺栓结合面真实接触面积。改变预紧载荷，可获得不同预紧载荷下螺栓结合面的真实接触面积。

下面对本发明的操作过程做详细描述：

如图2所示，下试件2固定在支撑箱座1上，上试件3位于下试件2的上方，螺栓4连接上试件3和下试件2并通过力矩扳手控制预紧力拧紧螺栓4，纳米级光纤位移传感器5由内到外沿直径方向由固定螺套6固定在下试件2上，通过调整组件的外套筒7压紧弹簧8由内套筒9带动纳米级光纤位移传感器5，将纳米级光纤位移传感器5微调至测量量程范围内。

进行螺栓结合面真实结合面积测量的试验方法是，如图2所示，在通过力矩扳手拧紧螺栓4至预定的预紧载荷的加载过程中，下试件2静止，在法向预紧载荷增大的过程中，上试件3在螺栓4的作用下向下压紧下试件2，结合面间的微凸体发生变形开始接触；随着载荷的增大，上试件3和下试件2结合面间的接触区域内微凸体变形增大，接触区域内间隙减小直至间隙为零，纳米级光纤位移传感器5获取的位移量也逐渐减小至零；加载过程中通过信号采集系统11将如图3所示的布置在下试件2沿直径方向各个纳米级光纤位移传感器5的数据采集并传输至计算机12，可以获取加载过程中不同预紧载荷下结合面的位移值，从而可以获取结合面的接触刚度；达到预紧载荷值，接触区域的纳米级光纤位移传感器5接收光量为零，非接触区域由于上下结合面间有间隙，接收光纤有接收光量所以位移值不为零，以螺栓4的轴线与结合面10的交点为螺栓中心，距离螺栓中心最近的且还有位移值输出的纳米级光纤位移传感器5的中心位置，即为螺栓结合面开始出现非接触区域的位置，由螺栓连接中心到此位置即为接触域半径，可求出在该预紧载荷下的螺栓结合面真实接触面积。重复上述过程并改变预紧载荷，可获得不同预紧载荷下螺栓结合面的真实接触面积。