本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種測(cè)量螺栓夾緊力隨交變載荷加載而衰減的裝置及其使用方法，屬于機(jī)械工程和力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

螺栓是最常見的緊固件之一。因其具有結(jié)構(gòu)簡單,拆裝方便,調(diào)整容易等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、車輛、鐵路以及各種工程結(jié)構(gòu)之中。為了增強(qiáng)螺紋聯(lián)接的剛性、緊密性和防松能力，以及受拉螺栓的疲勞強(qiáng)度，聯(lián)接螺栓必須被施加一個(gè)預(yù)緊力。螺栓松弛為具有一定預(yù)緊力的螺栓緊固件在交變載荷情況下，其夾緊力下降的過程稱為螺栓松弛。螺栓的松動(dòng)問題使用環(huán)境復(fù)雜，影響螺栓連接的因素較多，盡管有各種方法防止螺栓連接的松動(dòng)，但由于螺栓連接特有的連接方式，從本質(zhì)上防止螺栓連接緊固力矩下降的方法卻沒有。

在實(shí)際的裝配生產(chǎn)過程中，預(yù)緊力不容易被直接測(cè)到，因而人們采取種種其他手段來控制預(yù)緊力，如扭矩控制法，轉(zhuǎn)角控制法等，這些方法雖然能表征出來預(yù)緊力的變化，但無法定量的去表述預(yù)緊力的變化。

目前定量測(cè)量夾緊力衰減的方法十分有限。比較先進(jìn)的一種方法為，在待測(cè)螺栓的六角帽中心打一個(gè)直徑2mm的盲孔，在孔內(nèi)安裝埋入式應(yīng)變計(jì)，經(jīng)過封膠固化等處理程序后，放在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)定，即給出螺栓所受軸向的緊固力與軸向應(yīng)變的關(guān)系，一般情況下呈線性關(guān)系。經(jīng)過上述標(biāo)定后，即可得到螺栓軸向應(yīng)變與軸向緊固力的關(guān)系。隨后可以將裝有應(yīng)變計(jì)的螺栓安裝在結(jié)構(gòu)上，在加上荷載后通過應(yīng)變儀采集螺栓軸向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后根據(jù)標(biāo)定文件將應(yīng)變換算成螺栓的軸向緊固力。這種方法雖然能夠準(zhǔn)確的測(cè)出螺栓夾緊力的變化情況，但其對(duì)螺栓具有破壞性，預(yù)埋應(yīng)變計(jì)發(fā)生塑性變形不可恢復(fù)，可重復(fù)使用率低，以及造價(jià)較高等缺點(diǎn)，不具有應(yīng)用廣泛性。

基于以上所述，本發(fā)明解決了以往測(cè)量螺栓夾緊力衰減的種種困難，且具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單，而且操作起來簡便易行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)良性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決定量實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減變化的情況。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套精度高、結(jié)構(gòu)簡單，而且操作起來簡便易行的實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減變化的裝置及方法。其螺栓夾緊力衰減測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖(1)所示，通過instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)給螺栓連接件加載交變載荷，結(jié)合壓力傳感器，四通道放大器，smacq數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)電腦軟件分析處理數(shù)據(jù)，通過改變拉伸試驗(yàn)機(jī)輸入載荷的頻率和幅值以及加載載荷的時(shí)間，來控制施加載荷的大小和作用時(shí)間，進(jìn)而研究螺栓夾緊力持續(xù)變化。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：一種實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力隨交變載荷加載而變化的情況，將兩個(gè)壓力傳感器分別夾于螺栓頭部和試件表面中間，上下兩個(gè)連接件用兩個(gè)型號(hào)為m16×110mm的螺栓連接，連接好的螺栓試驗(yàn)件用拉伸試驗(yàn)機(jī)夾持固定，并給其提供不同周期，不同頻率和幅值的交變載荷，隨著交變載荷循環(huán)加載，獲得的力學(xué)信號(hào)，通過四通道放大器放大，再通過smacq數(shù)據(jù)采集卡采集，最終由電腦軟件處理獲得螺栓的夾緊力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。該裝置精度高，操作簡單，實(shí)時(shí)測(cè)量出螺栓夾緊力隨交變載荷變化的情況。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，一種實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減的裝置，包括數(shù)顯力矩扳手、instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、外六角m16×110mm螺栓1(2)、外六角m16×110mm螺栓2(8)、m16螺母1(4)、m16螺母2(6)、上連接件(1)、下連接件(5)、四通道放大器(16)、放大器電源(15)、smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)、采集卡接線端子(14)、采集卡usb數(shù)據(jù)線(11)、采集卡電源適配器(12)以及對(duì)應(yīng)安裝有采集軟件的電腦(10)；

壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)固定，外六角m16×110mm螺栓1(2)通過m16螺母1(4)連接，外六角m16×110mm螺栓2(8)和m16螺母2(6)連接；壓力傳感器分別串聯(lián)在外六角m16×110mm螺栓1(2)、外六角m16×110mm螺栓2(8)和上連接件(1)之間，上連接件(1)和下連接件(5)的兩端分別夾在instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)上，壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數(shù)據(jù)線(11)使得smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)相連，smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)連接有采集卡電源適配器(12)，放大器電源(15)通過采集卡接線端子(14)與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)連接；m16螺母1(4)和m16螺母2(6)的旋緊由顯力矩扳手控制。

上連接件(1)和下連接件(5)的材料，加工方式以及尺寸相同，該試件滿足基本的剛度和強(qiáng)度要求，能夠真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工程中螺栓連接情況，在獲得準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，不破壞螺栓本身的結(jié)構(gòu)，重復(fù)使用率高。

上連接件(1)和下連接件(5)外側(cè)過渡區(qū)域均采用倒圓角處理。

壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)為圓餅形，孔徑為16.5mm。

數(shù)據(jù)采集卡(13)基于高速usb讀寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，最高1msa/s采樣率的數(shù)據(jù)采集需要；模擬采集數(shù)據(jù)高達(dá)1msa/s的高速采樣同時(shí)，還具有16位的垂直分辨率和最大±24v的7個(gè)量程。

一種實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減的方法，

步驟一：根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)螺栓及其螺栓連接件進(jìn)行受力分析，計(jì)算出螺栓及其連接件在不受破壞的情況下，螺栓所能承受的最大載荷fmax；

步驟二：啟動(dòng)instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)，預(yù)熱10min；將壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)以及m16螺母1(4)和m16螺母2(6)固定在螺栓連接件上；通過控制數(shù)顯力矩扳手來控制加載的扭矩；

步驟三：壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負(fù)0v，k通道是通過綠色和橙色兩根線與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)相連，綠色接信號(hào)正，橙色接信號(hào)負(fù)；l通道是通過紫色和粉色兩根線與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)相連，紫色接信號(hào)正，粉色接信號(hào)負(fù)；四通道放大器(16)與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數(shù)據(jù)線(11)使得smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)通過相連；

步驟四：螺栓試驗(yàn)件、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、四通道放大器(16)、smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)以及裝有采集軟件的電腦(10)的接線都連接好后，將連接好的螺栓試驗(yàn)件夾持在instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)上，安成整套裝置的安裝；

步驟五：依次打開四通道放大器(16)、smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)的電源開關(guān)，打開instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)實(shí)驗(yàn)操作軟件，設(shè)置加載頻率和加載力大小，并設(shè)置交變載荷類型即正弦波、方波、鋸齒波以及循環(huán)周期；開啟載荷加載試驗(yàn)，由電腦(10)采集夾緊力f和時(shí)間t的數(shù)據(jù)，繪制出f-t二維曲線圖。

上連接件(1)和下連接件(5)結(jié)構(gòu)相同，均為t型組件，材料為35crmo，尺寸大小滿足強(qiáng)度和剛度要求，這樣可以避免因連接件強(qiáng)度，剛度不夠造成的尺寸變形對(duì)螺栓夾緊力的影響，外側(cè)過渡區(qū)域均采用倒圓角處理，該設(shè)計(jì)理念避免了因軸向拉力過大而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

有益效果

解決了實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量螺栓夾緊力變化比較困難的問題，同時(shí)對(duì)于以往測(cè)量誤差較大，測(cè)量起來步驟繁瑣等問題給予了相應(yīng)的解答。給出了一種經(jīng)濟(jì)，操作簡單，誤差小且能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減變化的裝置和方法。

1)設(shè)計(jì)了一套簡單但實(shí)用的螺栓夾緊力衰減裝置，該試件滿足基本的剛度和強(qiáng)度要求，能夠真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工程中螺栓連接情況，在獲得準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，不破壞螺栓本身的結(jié)構(gòu)，重復(fù)使用率高，該裝置組成簡單，只有上下連接件，螺栓和螺母本身構(gòu)成，根據(jù)工程實(shí)際情況，本試驗(yàn)裝置暫且不考慮墊圈對(duì)螺栓夾緊力的影響。

2)壓力傳感器是考慮實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，根據(jù)企業(yè)裝配設(shè)備特性，結(jié)合m16×110mm螺栓本身尺寸以及所設(shè)計(jì)的拉伸試驗(yàn)件尺寸大小所設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)為圓餅形，孔徑為16.5mm，在滿足量程和高精度的前提下，減小壓力傳感器本身的厚度至20mm。

3)數(shù)據(jù)采集卡基于高速usb讀寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，最高1msa/s采樣率的數(shù)據(jù)采集需要。模擬采集數(shù)據(jù)高達(dá)1msa/s的高速采樣同時(shí)，還具有16位的垂直分辨率和最大±24v的7個(gè)量程，滿足了螺栓夾緊力數(shù)據(jù)采集的要求。

4)整套實(shí)驗(yàn)裝置的組合，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量出服役螺栓夾緊力的變化，為解決實(shí)際工程螺栓夾緊力衰減問題，提供了有效的測(cè)試方案。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析可以得到螺栓松弛的規(guī)律。

附圖說明

圖1螺栓夾緊力衰減測(cè)試系統(tǒng)框圖。

圖2螺栓夾緊力力衰減測(cè)試試驗(yàn)連接件。

圖3螺栓夾緊力衰減測(cè)試裝置圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

步驟一：根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)螺栓及其螺栓連接件進(jìn)行受力分析，計(jì)算出螺栓及其連接件在不受破壞的情況下，螺栓所能承受的最大載荷fmax。

螺栓裝配理論初始預(yù)緊力計(jì)算：所設(shè)計(jì)的螺栓規(guī)格為m16×110mm，螺栓材料和連接件材料相同，均采用35crmo，強(qiáng)度等級(jí)為10.9，由gb/t196-2003,螺栓的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1螺栓參數(shù)

根據(jù)公式：

t＝t1+t2(1)

式中：t1-旋轉(zhuǎn)副中的摩擦阻力距；t2-螺母與支撐面間的摩擦力矩；λ-螺紋升角；ρ＇-當(dāng)量摩擦角；fc-無潤滑條件下的摩擦系數(shù)；rf-支撐面摩擦半徑。

計(jì)算理論初始預(yù)緊力為

q0＝35.41kn-73.48kn

步驟二：啟動(dòng)instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)，依次打開試驗(yàn)機(jī)的制冷設(shè)備開關(guān)，液壓系統(tǒng)開關(guān)，控制器開關(guān)，最后打開試驗(yàn)機(jī)電腦，啟動(dòng)軟件，加壓至201bar左右，預(yù)熱10min。將壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別用外六角m16×110mm螺栓1(2)和外六角m16×110mm螺栓2(8)以及m16螺母1(4)和m16螺母2(6)固定在螺栓連接件上，如圖(2)所示。通過控制數(shù)顯力矩扳手來控制加載的扭矩，擰緊時(shí)，左右兩側(cè)螺栓要求循序交替擰緊，例如，施加20n·m的緊固力矩，首先用數(shù)顯力矩扳手把左側(cè)螺栓擰緊到5n·m,然后把右側(cè)螺栓擰緊到5n·m,加載完成后，再回到左側(cè)螺栓擰緊到10n·m,之后再把右側(cè)螺栓加載到10n·m,依次循環(huán)，每次增加5n·m，交替擰緊直到達(dá)到目標(biāo)緊固力矩為止。這種擰緊方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以預(yù)壓連接件，防止螺紋毛刺等缺陷造成的假扭矩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求先初步預(yù)設(shè)一個(gè)螺栓緊固力矩的初始值將兩螺栓擰緊，所加載扭矩的大小，理論上不超過螺栓所能承受的最大擰緊力矩tmax。

步驟三：壓力傳感器1(3)和壓力傳感器2(7)分別連接到四通道放大器(16)上的k和l通道，四通道放大器(16)輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負(fù)0v，k通道是通過綠色和橙色兩根線與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)相連，綠色接信號(hào)正，橙色接信號(hào)負(fù)。l通道是通過紫色和粉色兩根線與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)相連，紫色接信號(hào)正，粉色接信號(hào)負(fù)。四通道放大器(16)與smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)接好后，通過采集卡usb數(shù)據(jù)線(11)使得smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)與安裝有采集軟件的電腦(10)通過相連。

步驟四：螺栓試驗(yàn)件、壓力傳感器1(3)、壓力傳感器2(7)、四通道放大器(16)、smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)以及裝有采集軟件的電腦(10)的接線都連接好后，將連接好的螺栓試驗(yàn)件夾持在instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)上，安成整套裝置的安裝，如圖(3)所示。

步驟五：依次打開四通道放大器(16)、smacq數(shù)據(jù)采集卡(13)的電源開關(guān)，打開instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)(9)實(shí)驗(yàn)操作軟件，設(shè)置加載頻率和加載力大小，并設(shè)置交變載荷類型(正弦波、方波、鋸齒波)以及循環(huán)周期；開啟載荷加載試驗(yàn)，由電腦(10)采集夾緊力f和時(shí)間t的數(shù)據(jù)，繪制出f-t二維曲線圖。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行重復(fù)操作，依次改變加載載荷的幅值和頻率，分別得到不同載荷下的f-t曲線，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，獲得在改變加載頻率和加載幅值下的螺栓夾緊力力隨時(shí)間的衰減規(guī)律，基于螺栓夾緊力的衰減規(guī)律建立螺栓松弛的數(shù)學(xué)模型。