专利名称：一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置与方法，属于机械制造及结构力学领域。
背景技术：
在机械结构中，各种零件按具体要求组合起来，零组件、部件之间相互接触的表面即为结合面。结合面静态刚度在载荷的作用下具有较强的非线性特性。结合面存在着的接触刚度，是机械结构整体刚度的重要组成部分，在力封闭链上各连接部件之间，如果一个结合面接触刚度低，则其他构件刚度再高也将失去意义。静态刚度是指机械结构承受恒定载荷的能力，是一个重要的技术指标。机械结构的静态变形不仅会降低零部件的几何精度，还会影响抗震性、噪声、寿命、运动平衡性、发热和磨损等，结合面静态刚度特性的研究是研究机械系统的一个重要基础问题。中外众多学者为此对结合面的静刚度特性进行了不懈的研究，但至今仍有许多问题尚未能很好地解决。原因之一在于，机械结合面为无厚度接触界面的特性，至今尚无可以进行直接测量的手段。螺栓联接的结合面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，当螺栓预紧后又受切向工作载荷时，螺栓所受总的切向拉力与螺栓刚度和结合面刚度有直接的关系。螺栓刚度容易获得，但对于结合面刚度来说，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刚度进行深入的研究。在研究螺栓结合面时，又包括螺栓结合面法向静态刚度和切向静态刚度。研究证明，提取切向静态刚度的难度远大于提取结合面法向静态刚度。在螺栓结合面静态刚度的测试提取过程中，尤以提取单螺栓结合面 切向静态刚度最为困难。之前的研究理论多以多螺栓结合面切向静态刚度为研究对象，通过理论或仿真计算从而间接得到单螺栓结合面切向静态刚度，其可靠性及准确性值得考虑。影响螺栓结合面切向静态刚度特性的现实因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有:I)构成螺栓结合面的被联接部位，具有自身的特殊性。螺栓联接的被联接部位应有一定厚度，不能过薄或过厚，在提取测试螺栓结合面切向刚度时不能过于理想化，且被联接部位的厚度直接影响螺栓结合面的有效作用面积。2)单螺栓结合面的组成部件中只有一副高强螺栓，对形成结合面的两个实验工件进行夹紧、装卡的难度增大。3)对实验组件进行切向载荷加载的材料试验机的局限性。现有材料试验机只能在竖直或水平方向对实验组件进行拉伸，这就提高了对测试单螺栓结合面切向静态刚度的实验组件的设计要求。4)在进行单螺栓结合面切向静态刚度的实验过程中，由于材料试验机对实验组件的夹紧，会使结合面受到扭矩和弯矩的影响，这就要充分考虑实验组件的设计，减少扭矩和弯矩对实验组件和实验结果的影响。
5)之前结合面特性的测试实验，选取的用来施加载荷、信号传递、数据采集、数据处理的设备仪器精度较低，所得到的结果不准确或过于粗糙，随着设备仪器的不断发展，就需要采用精度更高的实验器材来完成单螺栓结合面切向静态刚度的测试。为了系统地研究和探明结合面静态基础特性参数，需要一套能够解决以上问题、精度较高且完整的测试单螺栓结合面切向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精度较高且完整的测试单螺栓结合面切向静态特性的装置及方法，通过材料试验机拉伸切向实验试件，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切向拉力信号和切向实验试件结合面处的切向位移信号，并利用数据采集系统将数据发送至计算机，从而全面掌握结合面切向静态特性参数。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种测试单螺栓结合面切向静态刚度装置，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)、电涡流位移传感器(6)、力传感器(7)、动态应变仪、数据采集系统和计算机；所述的下试件(3)包括支撑部位、被联结部位两部分，螺杆(2)与支撑部位连接，下试件(3)通过螺杆(2)与材料试验机(I)连接，所述的上试件(4)包括支撑部位、被联结部位两部分，螺杆(2)与支撑部位连接，上试件(4)通过螺杆(2)与材料试验机(I)连接，下试件(3)的被联结部位与上试件(4)的被联结部位相互贴合形成单螺栓结合面，单螺栓结合面方向与材料试验机(I)施加的作用力方向一致，高强螺栓(5)垂直穿过单螺栓结合面；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，用于测量高强螺栓(5)对单螺栓结合面形成的法向预紧力；材料试验机(I)为单螺栓结合面施加切向静态拉力，力传感器(7)搭载于材料试验机(1)，用于测量切向静态拉力；电涡流位移传感器
(6)布置在下试件两侧，用于测量单螺栓结合面切向位移变化量；测量得到的单螺栓结合面的法向预紧力、切向静态拉力、以及切向位移变化量发送至数据采集系统，然后输送至计算机。上试件(4 )和下试件(3 )外形相同，各自材料、表面粗糙度不限。上试件(4)和下试件(3)上用于贯穿高强螺栓(5)的通孔直径为高强螺栓(5)螺杆直径+2mm。上试件(4)和下试件(3)通过螺纹孔与螺杆(2)连接，材料试验机(I)通过夹紧螺杆(2)固定上试件(4)和下试件(3)。上试件(4)和下试件(3)各自的被联接部位与支撑部位的连接处采用倒角处理。上试件(4)和下试件(3)相互贴合形成的单螺栓结合面至少要完全覆盖半径为(高强螺栓垫片直径+2X单个被联结部厚度Xtan30° )的圆；一种基于权利要求1所述装置的测试单螺栓结合面切向静态特性的方法，包括以下步骤:步骤1，测定下试件(3)和上试件(4)之间的静摩擦系数，向高强螺栓(5)施加预紧力，通过设定材料试验机(I)的加载速度以及大小为预紧力X静摩擦系数的切向加载力，对下试件(3)、上试件(4)施加纵向的静态拉力，即对单螺栓结合面施加了切向静态拉力；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(6)、以及力传感器(7)分别将高强螺栓应变信号、结合面切向位移变化信号以及静态拉力信号传输至数据采集系统，然后输出送至计算机，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，对静态拉力J以及单螺栓结合面切向位移量X进行多次重复性实验，并进行曲线拟合得到静态拉力I与切向位移量X的函数关系，即y=f (X)；步骤4，对单螺栓结合面所受切向力即静态拉力y，关于切向位移X求导，即得单螺栓结合部切向静态刚度函数。利用该装置可提取出施加一定的螺栓预紧力，单螺栓结合面各种结合条件(即各种不同的基本影响因素:结合面材质、加工方法、加工质量、结合面间介质，等)下，单螺栓结合面的切向静态刚度特性参数曲线。有益效果(I)重新设计了一套符合实验条件的专门用于提取单螺栓结合面切向静态刚度，且易于更换、易于定位的实验组件，实验组件由两个螺杆(2)、下试件(3)、上试件(4)以及高强螺栓(5)构成，便于对影响结合面切向静态特性的各基本影响因素进行研究。(2)该实验组件的优化设计，极大减少或者消除了实验过程中扭矩和弯矩对实验组件和实验结果的影响。上试件(4)和下试件(3)相互贴合形成的单螺栓结合面与外加切向载荷方向重合，避免了弯矩对实验组件的影响；与上试件(4)和下试件(3)连接的两个螺杆，在材料试验机施加切向载荷时，能够自动调整位置保持对正，使其所受到的外力仅有拉力，排除了扭矩对实验组件的影响；上试件(4)和下试件(3)各自的作用部位与支撑部位的连接处进行倒角处理，也减少了受力过程中应力增大的影响。(3)从实验 装置(图1)可看出，减少了测量的物理量的个数，测试出来的特性参数仅仅是上下试件之间的结合面部分特性，而且采用的是直接测量法。(4)实验过程中采用的仪器设备均具有较高精度，数据处理的分析拟合方法简单易行但实用可靠，提高了测试单螺栓结合面切向静态刚度特性的准确性。
图1是测试单螺栓结合面切向静态刚度特性的系统框图。图2是本发明测试单螺栓结合面切向静态刚度特性装置结构示意图。图3是实施例单个试件的结构主视图。图4是实施例单个试件的结构侧视图。图5实施例实验组件示意图。图6是实施例在一定预紧力下多次重复性实验所得的切向拉力-结合面切向位移曲线图。图7是实施例在一定预紧力下拟合修正后的切向拉力-结合面切向位移曲线图。图8是实施例在一定预紧力下切向拉力-单螺栓结合面切向静态刚度曲线图。图中:1、材料试验机，2、螺杆，3、下试件，4、上试件，5、高强螺栓，6、电涡流位移传感器，7、力传感器
具体实施方式
下面结合工作原理和结构附图对本发明的测试单螺栓结合面切向静态特性装置及方法进一步详细说明。如图2至5所示，高强螺栓5穿过上试件4和下试件3的通孔，使上试件4和下试件3相互贴合构成单螺栓结合面。在高强螺栓5上施加力以形成对单螺栓结合面的预紧力。两个螺杆2分别与上试件4和下试件3由螺纹连接。由此形成了高强螺栓结合面法向静态特性实验组件。上试件4和下试件3相互贴合形成的单螺栓结合面与外加切向载荷方向重合，避免了弯矩对实验组件的影响；上试件4和下试件3各自的被联接部位与支撑部位的连接处进行倒角处理，也减少了受力过程中应力增大的影响。高强螺栓5中的螺杆里预埋了应变片，其引出导线连接动态应变仪，以此准确测量高强螺栓5所施加的预紧力，并将高强螺栓5的应变信号传输到数据采集系统。材料试验机I通过夹紧螺杆2从而固定上试件4和下试件3，使上试件4、下试件3以及高强螺栓构成的实 验组件处于竖直状态，以便材料试验机I对上、下试件之间单螺栓结合面施加切向静态力。与上试件4和下试件3连接的两个螺杆，在材料试验机施加切向载荷时，能够自动调整位置保持对正，使其所受到的外力仅有拉力，排除了扭矩对实验组件的影响。通过设置材料试验机I的相关参数，可以在材料试验机I上设定对实验组件施加的切向静态力以及静态力的施加速度。力传感器7连接材料试验机1，输出静态力信号。在下试件3顶端两侧各粘接一个支架，以便竖直向上安装电涡流位移传感器6，同时使电涡流位移传感器6平行于结合面。上试件4两侧各粘接一个挡板，使挡板底面与电涡流位移传感器6垂直，用于形成电涡流。电涡流位移传感器6通过导线连接数据采集系统，由电涡流位移传感器6与挡板之间的位移变化，输出单螺栓结合面处在切向载荷作用下形成的切向位移信号至数据采集系统。数据采集系统与计算机相连接，将高强螺栓测得的应变数据、力传感器测得的静态力数据、电涡流位移传感器测得的位移数据，发送至计算机，通过本发明的单螺栓结合面切向静态特性实验方法对静态力数据和位移数据进行处理，得到单螺栓结合面切向静态刚度特性曲线。公知，一个机构的刚度(k)是指弹性体抵抗变形(弯曲、拉伸、压缩等)的能力。刚度的基本计算公式:k=P/ δ其中，P是作用于此机构的恒力，δ是由于力而产生的形变。对于单螺栓结合面切向静态刚度来说，虽是研究静止状态并非滑动状态，但在切向载荷的作用下单螺栓结合面仍存在切向微动，以此造成了切向载荷作用下的单螺栓结合面切向位移。根据刚度的基本计算公式及数学导数的相关知识，可以推断出单螺栓结合面切向静态刚度的计算公式:
Λ V'[ = F= 二
ΔΧ其中，ΛΥ是单螺栓结合面受切向力的改变量，ΛΧ是由于单螺栓结合面受力而产生的切向位移改变量。于是，对单螺栓结合面所受切向力关于切向位移求导即得单螺栓结合部切向静态刚度。进行求导运算后可求得与此单螺栓结合面所受切向力范围对应的单螺栓结合部刚度数据。由以上理论分析及数据拟合过程即可提取出单螺栓结合面切向静态特性曲线。利用本装置可以做下面两类实验:(I)保持切向静态拉力施加大小及速度不变，保持对结合面施加的法向面压不变(通过对高强螺栓施加预紧力实现)，改变结合面条件(结合面的面积、粗糙度、结合面之间的介质等)，来探讨和研究结合面切向静态刚度特性与各种结合面条件的关系。实验时，上试件4和下试件3可以更换不同类型，可以是如C45-C45、HT250-HT250、C45-HT250等不同材料，可以是粗磨1.6-粗磨1.6、细磨0.8-细磨0.8、粗磨1.6-细磨0.8等不同表面粗糙度，还可以在上试件4和下试件3的接触表面均匀涂抹介质，如20号机械油。(2)在一定的结合面条件下，保持对结合面施加的法向面压不变，改变切向静态拉力施加大小或速度，来探讨和研究结合面切向静态刚度特性与施加在结合面间切向静态载荷的关系。以下具体描述第二类实验的操作过程:上、下试件选用材料为Q235-Q235、粗糙度为0.6、被联接部厚度为15mm的磨削工件，上、下试件间无介质、高强螺栓的规格为M16。根据栓接结合面有效作用面积的相关知识，上试件(4)和下试件(3)相互贴合形成的单螺栓结合面至少要完全覆盖半径为(高强螺栓垫片直径+2X单个被联结部厚度Xtan30° )的圆；M16高强螺栓垫片直径为33mm。设计实施例的单螺栓结合面为接触面积大小为50mmX50mm的正方形,符合要求。
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具体分析拟合过程如下:1.设定实验相关基础数值查常用摩擦系数表可知，Q235-Q235且无介质的表面摩擦系数为0.15，选择施加在高强螺栓的预紧力为40kn，则材料试验机为上下试件施加切向静态力应为40knX0.15=6kn。通过设定材料试验机的相关参数,材料试验机施加在实验组件的静态拉力速度为2kn/min，静态拉力施加结束值为6kn。如此使工作时间保持在三分钟左右，可以得到准确的数据及合适的实验数据量。2.提取多组切向位移-切向载荷曲线图在高强螺栓(5)预紧力为40kn情况下的，改变材料试验机施加的切向载荷，对于同一切向载荷时，分别读取两次切向位移数据，对这两次的位移数据进行平均，即可得到一组外加切向载荷数据和一组平均切向位移数据；不改变任何设定及条件，对同一组实验组件进行多次重复性实验，获得多组外加切向载荷数据及对应的平均切向位移数据，即可得到在预紧力为40kn情况下的多组单螺栓结合面切向位移-外加切向载荷曲线图，如图6所示。3.提取切向位移-切向载荷曲线图在图6中，选取多个结合面切向位移值Xi，在4条单螺栓结合面切向位移-外加切
向载荷曲线图中提取Xi对应的切向载荷，并对其进行平均得到^，对Xi和7进行拟合，即
得到切向位移-切向载荷的函数关系。图7为采用y = a(l-e_bx)进行拟合的结果，此外，还可以使用Y = a-bcx以及七次多项式Y = a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7进行拟合，但大量实验证明，仍以I = a(l-e_bx)拟合效果最好。4.提取结合面所受切向力-结合面切向刚度曲线图公知，一个机构的刚度(k)是指弹性体抵抗变形(弯曲、拉伸、压缩等)的能力。刚度的基本计算公式:k=P/ δ其中，P是作用于此机构的恒力，δ是由于力而产生的形变。对于单螺栓结合面切向静态刚度来说，虽是研究静止状态并非滑动状态，但在切向载荷的作用下单螺栓结合面仍存在切向微动，以此造成了切向载荷作用下的单螺栓结合面切向位移。根据刚度的基本计算公式及数学导数的相关知识，可以推断出单螺栓结合面切向静态刚度的计算公式:
权利要求
1.一种测试单螺栓结合面切向静态特性的装置，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)、电涡流位移传感器(6)、力传感器(7)、动态应变仪、数据采集系统和计算机；其特征在于:所述的下试件(3)包括支撑部位、被联结部位两部分，螺杆(2)与支撑部位连接，下试件(3)通过螺杆(2)与材料试验机(I)连接，所述的上试件(4)包括支撑部位、被联结部位两部分，螺杆(2)与支撑部位连接，上试件(4)通过螺杆(2)与材料试验机(I)连接，下试件(3)的被联结部位与上试件(4)的被联结部位相互贴合形成单螺栓结合面，单螺栓结合面方向与材料试验机(I)施加的作用力方向一致，高强螺栓(5)垂直穿过单螺栓结合面；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，用于测量高强螺栓(5)对单螺栓结合面形成的法向预紧力；材料试验机(I)为单螺栓结合面施加切向静态拉力，力传感器(7)搭载于材料试验机(1)，用于测量切向静态拉力；电涡流位移传感器(6)布置在下试件两侧，用于测量单螺栓结合面切向位移变化量；测量得到的单螺栓结合面的法向预紧力、切向静态拉力、以及切向位移变化量发送至数据采集系统，然后输送至计算机。
2.根据权利要求 1所述的一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置，其特征在于:上试件(4 )和下试件(3 )外形相同，各自材料、表面粗糙度不限。
3.根据权利要求1所述的一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置，其特征在于:上试件(4)和下试件(3)上用于贯穿高强螺栓(5)的通孔直径为高强螺栓(5)螺杆直径+2_。
4.根据权利要求1所述的一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置，其特征在于:上试件(4 )和下试件(3 )通过螺纹孔与螺杆(2 )连接，材料试验机(I)通过夹紧螺杆(2 )固定上试件(4)和下试件(3)。
5.根据权利要求1所述的一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置，其特征在于:上试件(4)和下试件(3)各自的被联接部位与支撑部位的连接处采用倒角处理。
6.根据权利要求1所述的一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置，其特征在于:上试件(4)和下试件(3)相互贴合形成的单螺栓结合面至少要完全覆盖半径为(高强螺栓垫片直径+2X单个被联结部厚度Xtan30° )的圆。
7.一种基于权利要求1所述装置的测试单螺栓结合面切向静态特性的方法，其特征在于: 步骤1，测定下试件(3)和上试件(4)之间的静摩擦系数，向高强螺栓(5)施加预紧力，通过设定材料试验机(I)的加载速度以及大小为预紧力X静摩擦系数的切向加载力，对下试件(3)、上试件(4)施加纵向的静态拉力，即对单螺栓结合面施加了切向静态拉力； 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(6)、以及力传感器(7)分别将高强螺栓应变信号、结合面切向位移变化信号以及静态拉力信号传输至数据采集系统，然后输出送至计算机，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，对静态拉力γ以及单螺栓结合面切向位移量X进行多次重复性实验，并进行曲线拟合得到静态拉力I与切向位移量X的函数关系，即y=f (X)； 步骤4，对单螺栓结合面所受切向力即静态拉力y，关于切向位移X求导，即得单螺栓结合部切向静态刚度函数。
全文摘要
一种测试单螺栓结合面切向静态特性的装置与方法，属于机械制造及结构力学领域。高强螺栓穿过上试件和下试件，使两试件相互贴合形成单螺栓结合面，高强螺栓预埋了应变片，用于测量高强螺栓对结合面形成的法向预紧力；电涡流位移传感器布置在下试件两侧，用于测量结合面切向位移变化量；两试件通过螺杆与材料试验机连接；材料试验机搭载力传感器为结合面施加切向静态拉力。法向预紧力、切向静态拉力、以及切向位移变化量通过数据采集系统送至计算机。通过三种数据的关系，利用计算机得到单螺栓结合面切向静态特性。本发明保证了拉伸实验时试件的对中性，极大减少了扭矩和弯矩对实验的影响，解决了单螺栓结合面切向静态特性难以测试的问题。
文档编号G01M13/00GK103234741SQ20131013069
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15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