螺栓结合部法向刚度测试装置的制作方法

本实用新型属于机械设计与制造领域，特别涉及一种螺栓结合部法向刚度测试装置。

背景技术：

螺栓连接处存在冲击、滑移、粘着滑移和全粘着接触等形式，造成了结构系统的刚度非线性，并引起阻尼，具有不连续性、迟滞性、时变、分段线性、刚度硬化等多种非线性特征。由于螺栓结合部强的非线性特性，要建立和求解这类非线性模型以及实现与其他模型的耦合极为困难。为体现螺栓结合部等效非线性特性和便于工程应用，将其从微观上线性化处理，施加法向载荷，测量在相应载荷下结合部产生的微小位移，建立螺栓结合部刚度模型。搭建实验平台，由螺栓受力和对应产生的位移的对应关系，计算其刚度。通过多个变量测试测得多组数据分析，以点的测量计算得到整体结合部刚度特性。

在振动环境中，由于机械系统受到外界力、边界条件和结合面等因素的影响，使得螺栓结合部具有强的非线性特性。其法向主要特征为：可能发生间隙分离和冲击碰撞。间隙和碰撞形式也既包括微观尺度上的撞击，还有宏观尺度上的分离碰撞。

现有技术中，还没有一种比较成熟的能够采用直接测量法测量出螺栓结合部法向刚度的测量装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种螺栓结合部法向刚度测试装置，以解决上述技术性问题。本实用新型设计螺栓连接试件，通过激光三向力传感器、激光位移传感器获得同一螺栓连接形式不同预紧力、不同结合部介质、不同试件材料作用下螺栓连接结构法向参数；利用测得数据，测得螺栓结合部刚度。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下方案：

螺栓结合部法向刚度测试装置，包括激光位移传感器、第一试件、第二试件、三向力传感器、螺栓、螺母、导轨、工作台、信号采集系统及计算机；螺栓的螺帽固定在工作台上；一对导轨垂直固定于工作台上，螺栓位于一对导轨之间；第二试件包括同轴设置的下部圆柱体和上部三棱柱体；下部圆柱体和上部三棱柱体轴线上设有供螺栓穿过的通孔；第一试件、第二试件和三向力传感器从下至上依次安装于螺栓上，顶部通过螺母固定；激光位移传感器设置于第一试件上方，用于测量第二试件下部圆柱体上表面的法向位移；激光位移传感器和三向力传感器通过信号采集系统及计算机。

进一步的，第一试件的两端通过一对导轨固定。

进一步的，第二试件下部圆柱体上表面涂有反光涂层。

进一步的，反光涂层为镀铝层。

进一步的，所述螺栓为M24的10.9s级高强度螺栓。

进一步的，第一试件、第二试件与三向力传感器在同一轴对称线上。

进一步的，工作台上设有一个与螺栓的螺帽形状大小相同的凹坑，螺栓的螺帽固定于凹坑中；螺栓的螺帽上表面高于工作台表面。

进一步的，激光位移传感器在第二试件下部圆柱体表面的照射点与第二试件上部三棱柱体侧面相贴。

进一步的，螺栓穿过材料为Q235的第一试件和第二试件，并将第二试件设计为下部分圆柱体上部分三棱柱型，下半部分圆柱体部分设计便于上部分三棱柱的加工，上半部分三棱柱部分为激光位移传感器测位移提供离螺柱较近的距离测试件孔附近位移变化，上下部分为同一材料，为一整体，减少新引进其他结合面影响测试精度。

进一步的，在第二试件上方放置三向力传感器，测经螺母传来的预紧力。

进一步的，在第二试件下部分圆柱体上表面镀铝，用以激光位移传感器反射激光测位移。

进一步的，第一试件左右分别通过两端竖直导轨固定，以保证其水平度和竖直度。

进一步的，在距第一试件上表面一定距离处放置激光位移传感器，用光的反射测微小位移。

本实用新型一种螺栓结合部法向刚度测试装置，对于同一螺栓结构的结合部参数，采用获得不同预紧力、不同结合部介质、不同试件材料作用下螺栓连接结构法向参数，从而测得刚度。

本实用新型中，分别设置力传感器和位移传感器两种类型的参数，研究：(1)相同栓接结构；(2)ZLDS100激光入射角度相同；(3)通过四组螺栓结构在不同预紧力、不同结合部介质、不同试件材料作用下的试验研究，获得螺栓连接结构法向刚度特性规律。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：

(1)从实验装置可看出，采用直接测量法，测得相应力作用下结合部产生的位移，以获得结合部刚度，减少了测量的物理量个数，提高测量精度。

(2)为了便于测量位移，采用激光测试方法，利用光反射的方法测得，能更好的提高测量精度。

(3)对影响螺栓结合部的各影响因素进行研究，本实验装置结构简单、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。

(4)本装置可进行不同预紧力、不同结合部介质、不同试件材料下结合部刚度得测量。

本实用新型一种螺栓结合部法向刚度测试装置，设计一系列的螺栓连接试件，通过力传感器和位移传感器测试出参数，以达到求刚度的目的，结构简单、易于重复实验、精度高误差小，解决了螺栓结合部法向非线性难以测试的问题。

附图说明

图1是本实用新型装置整体图。

图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是第二试件主视图、左视图、俯视图。

图3是激光照射点俯视图。

具体实施方式

以下参照图1至图3对本实用新型的螺栓结合部法向刚度测试装置做进一步说明。

本实用新型一种螺栓结合部法向刚度测试装置，包括激光位移传感器9(型号ZLDS100)、第一试件3、第二试件5、三向力传感器6(型号260A03)、螺栓8、螺母7、导轨4、工作台2、信号采集系统及计算机。

请参阅图2所示，第二试件5包括同轴设置的下部圆柱体50和上部三棱柱体51；下部圆柱体和上部三棱柱体轴线上设有供螺栓8穿过的通孔52。下部圆柱体的直径大于上部三棱柱体的直径。

在工作台2上做一个与螺栓螺帽1形状大小相同的凹坑固定螺栓8，深度应使螺栓8的螺帽1高于工作台2即可，保证工作台2不与第一试件3的接触；导轨4固定于工作台2上，并与工作台2上表面保持垂直；激光位移传感器9在第二试件5下部分圆柱体表面的照射点与第二试件5上部分三棱柱侧面相贴，并在第二试件5上部分三棱柱做相应标记，以保证测多组数据时均为同一位置的测量数据；装配顺序为先固定螺栓8于工作台上，依次通过螺栓放置第一试件3、第二试件5、三向力传感器6，然后以一定预紧力上紧螺母7；测量点的位移和力分别通过激光位移传感器9和三向力传感器6测得的信号经型号采集系统通过计算机处理得到；从多组数据计算测量，获得螺栓结合部法向刚度。本实用新型中螺栓8选用M24的10.9S级高强度螺栓。

本实用新型利用激光位移传感器发射的激光反射直接测螺栓受力矩之后结合部的位移变化情况，用不同的标准螺栓连接结构进行法向刚度测试，将螺栓结合部的变化利用激光位移传感器和力传感器得到其位移和所受力的关系，计算出其法向刚度；

本实用新型一种螺栓结合部法向刚度测试装置使用时，包括以下步骤：

首先将螺栓螺帽固定于工作台上，使其不能进行上下左右的移动；然后将第一试件和第二试件通过螺栓连接，并将第一试件通过导轨固定；第二试件由上部分三棱柱和下部分圆柱体构成，且圆柱体上表面涂有反光涂层；随后在第二试件上放置三向力传感器；试验时给螺母施加一力矩，用激光位移传感器测试第二试件上表面反光涂层的法向位移变化，同时三向力传感器也测出力的变化，将力传感器和位移传感器所给出的力与位移数据传送给信号采集系统，通过信号采集系统提取力和位移试验数据，绘制法向动态特性曲线，得到结合部法向刚度。测试方法还包括：获取不同预紧力、不同结合部介质、不同试件材料下螺栓连接结构的法向刚度曲线。法向刚度通过ΔF/Δx获得，其中ΔF表示法向力的变化量，Δx为法向变形量，均可通过本装置获得。

本实用新型中，第二试件下部分圆柱体上表面采用精磨处理，并将第二试件设计为下部分圆柱体上部分三棱柱型，这样便于第二试件的加工，只需将试件旋转3次120度即可完成加工。第二试件下部分圆柱体上表面涂有反光涂层，其上部分三棱柱与三向力传感器接触。

第二试件的上表面涂有均匀反光涂层，反光涂层可为镀铝。