一种实时测量振动环境下螺栓夹紧力衰减的装置及方法与流程

本发明设计了一种振动环境下测量螺栓夹紧力衰减的装置及其使用方法，属于机械工程和力学领域。

背景技术：

在机电设备的零部件装配中经常采用机械紧固件进行连接，而这其中最常用的是螺栓连接，实验证明，螺栓连接有较好的负载性能，较高的抗拉强度。当用螺母和螺栓连接机械部件时，是用螺母来拧紧的，这样就会使螺栓有轴向伸长趋势，并产生张力把机械部件紧固起来。研究表明，螺栓夹紧作用可以减小在螺栓孔区域应力集中，提高螺栓连接的拉伸强度和疲劳强度。因此，在重要的螺栓连接场合，必须选用合适的夹紧力，但是在实际的装配生产过程中，夹紧力不容易被直接测到，因而人们采取种种其他手段来控制夹紧力，如扭矩控制法，转角控制法等，这些方法虽然能定性表征出夹紧力，但无法定量的去表述夹紧力的变化。

目前在振动环境下，研究定量实时测量螺栓夹紧力衰减的方法十分有限。比较先进的一种方法为，在待测螺栓的六角帽中心打一个直径2mm的盲孔，在孔内安装埋入式应变计，经过封胶固化等处理程序后，放在试验机上进行标定，即给出螺栓所受轴向的紧固力与轴向应变的关系，一般情况下呈线性关系。经过上述标定后，即可得到螺栓轴向应变与轴向紧固力的关系。随后可以将装有应变计的螺栓安装在结构上，在加上荷载后通过应变仪采集螺栓轴向的应变数据，最后根据标定文件将应变换算成螺栓的轴向紧固力。这种方法虽然能够准确的测出螺栓夹紧力的变化情况，但其对螺栓具有破坏性，预埋应变计发生塑性变形不可恢复，可重复使用率低，以及造价较高等缺点，不具有应用广泛性。

基于以上所述，本发明解决了以往测量振动环境下螺栓夹紧力衰减的种种困难，且具有精度高、结构简单，而且操作起来简便易行，能够实时监测等优良性能。

技术实现要素：

为了克服现有技术无法实现对振动环境下实时定量测量螺栓夹紧力衰减的变化的缺点。本发明提供了一套精度高、结构简单，而且操作起来简便易行的实时测量螺栓夹紧力衰减变化的装置及方法。其螺栓夹紧力衰减测试系统框图如图1所示，通过处理器控制信号发生器输出正弦激励信号，振动台给螺栓连接件施加振动载荷，结合压力传感器，四通道放大器，数据采集卡采集数据，以及对应电脑软件分析处理数据，通过改变振动台输入载荷的频率和幅值以及载荷加载的时间，来控制施加到螺栓连接件振动载荷的大小和作用时间，进而研究螺栓夹紧力随时间的变化。

本发明的具体技术方案为：一种实时测量螺栓夹紧力衰减随振动载荷加载而变化的情况，将两个压力传感器分别夹于螺栓头部和试件表面中间，上下两个连接件用两个螺栓连接，连接好的螺栓试验件置于振级放大装置上，通过处理器控制信号发生器输出不同频率和幅值的正弦激励信号，随着振动载荷的加载，获得的力学信号，通过四通道放大器放大，再通过数据采集卡采集，最终由电脑软件处理获得螺栓夹紧力随时间的变化数据。该装置精度高，操作简单，能够实时测量出螺栓夹紧力随振动载荷变化的情况。

为了实现上述目标，一种实时测量振动环境下螺栓夹紧力衰减的装置，该装置包括：数显力矩扳手、第一压力传感器(9)、第二压力传感器(13)、第一螺栓(8)、第二螺栓(14)、第一螺母(10)、第二螺母(12)、上连接件(7)、下连接件(11)、四通道放大器、数据采集卡、采集卡接线端子、采集卡usb数据线、信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置(1)、电荷放大器、示波器和处理器。将两个压力传感器分别用两个螺栓固定在螺栓连接件上，用数显力矩扳手加载扭矩。将连接好的连接件置于振级放大装置凹槽内，如图一所示。利用振动台施加振动载荷，目的是加速实验进程，缩短螺栓夹紧力衰减所用的时间。振动台能够改变加载的载荷的幅值和频率，同时可控制加载的次数。

螺栓连接件装置从上至下依次是上连接件(7)、第一螺栓(8)、第二螺栓(14)、第一压力传感器(9)、第二压力传感器(13)、下连接件(11)、第一螺母(10)和第二螺母(12)。上连接件(7)和下连接件(11)通过固定尺寸的接触面接触。第一螺栓(8)和第二螺栓(14)通过数显力矩扳手拧紧。第一压力传感器(9)串联在第一螺栓(8)和上连接件(7)之间，第二压力传感器(13)串联在第二螺栓(14)和上连接件(7)之间，第一压力传感器(9)和第二压力传感器(13)分别连接到四通道放大器上的k和l通道，四通道放大器输出端，红色线接电源正24vdc，棕色接电源负0v，k通道是通过绿色和橙色两根线与数据采集卡相连，绿色接信号正，橙色接信号负。l通道是通过紫色和粉色两根线与数据采集卡相连，紫色接信号正，粉色接信号负。四通道放大器与数据采集卡接好后，通过采集卡usb数据线使得数据采集卡与安装有采集软件的电脑相连。同时数据采集卡需要有采集卡电源适配器为其提供用电。测得的实验数据实时的传输到电脑软件中，通过数据采集系统来实时的监控螺栓夹紧力的变化。

上连接件(7)和下连接件(11)均为t型组件，结构相同，材料采用35crmo，尺寸满足强度和刚度要求，这样避免因连接件强度，刚度不够造成的尺寸变形对螺栓夹紧力的影响，外侧过渡区域均采用倒圆角处理，该设计理念避免了因振动载荷过大而导致的应力集中现象。

振级放大装置(1)包括上托台(15)、下底盘(18)、连杆(17)，下底盘(18)固定在激振台面(5)上，连接上托台(15)与下底盘(18)通过连杆(17)连接，连杆(17)的截面面积小于上托台(15)的截面面积，且连杆(17)的截面面积小于下底盘(18)的截面面积；在上托台(15)上开有与螺栓试验件(2)相配合的凹槽(16)。螺栓试验件(2)固定在上托台(15)的凹槽(16)中。

将螺栓试验件(2)装夹在上托台(15)上，将第二加速度传感器(3)安装在上托台(15)，第一加速度传感器(4)安装在下底盘(18)上；第一加速度传感器(4)和第二加速度传感器(3)均为压电式加速度传感器。下底盘(18)固定在振动台的激振台面(5)上，下底盘(18)与上托台(15)通过连杆(17)相连接；接通处理器与信号发生器以及示波器之间的信号连线；接通信号发生器与功率放大器之间的信号连线；接通加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与示波器之间的信号连线；接通处理器、功率放大器、信号发生器、电荷放大器、示波器、振动台的电源。

有益效果

解决了振动状态下测量螺栓夹紧力变化比较困难的问题，同时对于以往测量误差较大，测量起来步骤繁琐等问题给予了相应的解答。给出了一种经济，操作简单，误差小而且能够模拟实时测量服役状态下的螺栓夹紧力变化的装置及方法。

1)设计了一套简单但实用的测量振动环境下螺栓夹紧力衰减装置，该试件满足基本的刚度和强度要求，能够真实再现实际工程中螺栓连接情况，在获得准确实验数据的同时，不破坏螺栓本身的结构，重复使用率高，该装置结构组成简单，只有上下连接件，螺栓和螺母本身构成。

2)压力传感器是考虑实际工作环境的复杂性，根据企业装配设备特性，结合螺栓本身尺寸以及所设计的试验件尺寸大小所设计的，该设计为圆饼形，在满足量程和高精度的前提下，减小压力传感器本身的厚度。

3)螺栓试验件固定于振级放大装置的凹槽内，试验件与凹槽采用过渡配合，其优点在于防止试验件的扭动，增加其稳定性，另一方面拆装比较方便，振级放大装置固定于振动台的激振台面上，从而克服了螺栓连接件难以直接装夹于振动台激振台面上的缺点。

4)振级放大装置由上托台、连杆和下底盘一体成型，三个部位作为一个整体，振动信号是在整体成型的部件内部传递，振级放大效果好。共振时能够显著地放大振动台激振台面的振级，加速振动时螺栓预紧力衰减的效果，结构简单实用，操作方便。

5)整套装置的组合，既能够根据实际需要调节振动载荷的频率和幅值，又能够实时测量振动环境下螺栓夹紧力衰减的变化。为实际工程问题提供了有效的测试实验方案。根据实验所得到的数据，经处理器处理得到螺栓松弛规律，进而为解决实际工程问题提供依据。

附图说明

图1是振动环境下整套测试系统示意图。

图2是夹紧力衰减测试实验连接件。

图3是振级放大装置示意图。

图4是振级放大装置的俯视图。

具体实施方式

用于实时测量振动环境下螺栓夹紧力衰减随振动载荷加载而变化的装置，包括螺栓连接件(2)、四通道放大器、数据采集卡、信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置(1)、电荷放大器、示波器和处理器。

下面参照附图，进一步说明本发明：

一种实时测量振动环境下螺栓夹紧力衰减的方法，步骤一：处理器控制信号发生器输出幅值和频率均能够独立且连续调节的正弦激励信号，正选激励信号经功率放大器输入振动台；

振级放大装置(1)固定于振动台运动部件(6)的激振台面(5)上，振级放大装置(1)包括上托台(15)，固定在激振台面(5)上的下底盘(18)和连接上托台(15)与下底盘(18)的连杆(17)；连杆(17)的截面面积小于上托台(15)的截面面积，且连杆(17)的截面面积小于下底盘(18)的截面面积；

第一加速度传感器(4)安装于下底盘(18)的上表面，第二加速度传感器(3)安装于上托台(15)的上表面，第一加速度传感器(4)与电荷放大器的第一输入通道连接，第二加速度传感器(3)与电荷放大器的第二输入通道连接，电荷放大器的两个输出通道分别与示波器连接，示波器与处理器连接；

具体来说，螺栓连接件(2)置于上托台(15)及其连杆(17)的凹槽(16)中，在振级放大装置(1)的共振振动频率下对螺栓连接件(2)进行载荷加载。第一加速度传感器(4)的输出信号表征振动台的输出振级，第二加速度传感器(3)的输出信号表征振级放大装置(1)的输出振级，振级放大装置(1)的输出振级即为作用在螺栓连接件(2)上的振级。处理器实时显示振动台的输出振级与振级放大装置(1)的输出振级。在振级放大装置(1)的共振频率下激振时，振级放大装置(1)的输出振级大于振动台的输出振级，从而提高螺栓夹紧力变化的幅度。

步骤二：根据实际工况，对螺栓及其螺栓连接件(2)进行受力分析，计算出螺栓及其连接件在不受破坏的情况下，螺栓所能承受的最大载荷fmax。

步骤三：将加载好力矩的螺栓试验件(2)固定在上托台(15)的凹槽(16)中，第一压力传感器(9)和第二压力传感器(13)分别连接到四通道放大器上的k和l通道，四通道放大器输出端，红色线接电源正24vdc，棕色接电源负0v，k通道是通过绿色和橙色两根线与数据采集卡相连，绿色接信号正，橙色接信号负。l通道是通过紫色和粉色两根线与数据采集卡相连，紫色接信号正，粉色接信号负。四通道放大器与数据采集卡接好后，通过采集卡usb数据线使得数据采集卡与安装有采集软件的电脑相连。

步骤四：启动振动台进行振动实验，同时电脑软件记录螺栓夹紧力随时间的变化。

步骤五：对上述实验过程进行重复操作，依次改变加载载荷的幅值和频率，分别得到不同载荷下的f-t曲线，通过对实验数据的综合分析，获得在改变加载频率和加载幅值下的螺栓夹紧力力随时间的衰减规律，基于螺栓夹紧力的衰减规律建立螺栓松弛的数学模型，进而为解决实际工程问题提供理论依据。