本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)環(huán)境下測(cè)量螺栓夾緊力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)：

在機(jī)電設(shè)備的零部件裝配中經(jīng)常采用機(jī)械緊固件進(jìn)行連接，而這其中最常用的是螺栓連接，實(shí)驗(yàn)證明，螺栓連接有較好的負(fù)載性能，較高的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)用螺母和螺栓連接機(jī)械部件時(shí)，是用螺母來(lái)擰緊的，這樣就會(huì)使螺栓有軸向伸長(zhǎng)趨勢(shì)，并產(chǎn)生張力把機(jī)械部件緊固起來(lái)。研究表明，螺栓夾緊作用可以減小在螺栓孔區(qū)域應(yīng)力集中，提高螺栓連接的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。因此，在重要的螺栓連接場(chǎng)合，必須選用合適的夾緊力，但是在實(shí)際的裝配生產(chǎn)過(guò)程中，夾緊力不容易被直接測(cè)到，因而人們采取種種其他手段來(lái)控制夾緊力，如扭矩控制法，轉(zhuǎn)角控制法等，這些方法雖然能定性表征出夾緊力，但無(wú)法定量的去表述夾緊力的變化。

目前在振動(dòng)環(huán)境下，研究定量實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓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(guò)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(guò)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(guò)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)量振動(dòng)環(huán)境下螺栓夾緊力衰減的種種困難，且具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且操作起來(lái)簡(jiǎn)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：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)環(huán)境下實(shí)時(shí)定量測(cè)量螺栓夾緊力衰減的變化的缺點(diǎn)。本發(fā)明提供了一套精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且操作起來(lái)簡(jiǎn)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(guò)處理器控制信號(hào)發(fā)生器輸出正弦激勵(lì)信號(hào)，振動(dòng)臺(tái)給螺栓連接件施加振動(dòng)載荷，結(jié)合壓力傳感器，四通道放大器，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(guò)改變振動(dòng)臺(tái)輸入載荷的頻率和幅值以及載荷加載的時(shí)間，來(lái)控制施加到螺栓連接件振動(dòng)載荷的大小和作用時(shí)間，進(jìn)而研究螺栓夾緊力隨時(shí)間的變化。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：一種實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓夾緊力衰減隨振動(dòng)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)螺栓連接，連接好的螺栓試驗(yàn)件置于振級(jí)放大裝置上，通過(guò)處理器控制信號(hào)發(fā)生器輸出不同頻率和幅值的正弦激勵(lì)信號(hào)，隨著振動(dòng)載荷的加載，獲得的力學(xué)信號(hào)，通過(guò)四通道放大器放大，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，最終由電腦軟件處理獲得螺栓夾緊力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。該裝置精度高，操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出螺栓夾緊力隨振動(dòng)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)量振動(dòng)環(huán)境下螺栓夾緊力衰減的裝置，該裝置包括：數(shù)顯力矩扳手、第一壓力傳感器(9)、第二壓力傳感器(13)、第一螺栓(8)、第二螺栓(14)、第一螺母(10)、第二螺母(12)、上連接件(7)、下連接件(11)、四通道放大器、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡接線端子、采集卡usb數(shù)據(jù)線、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、振級(jí)放大裝置(1)、電荷放大器、示波器和處理器。將兩個(gè)壓力傳感器分別用兩個(gè)螺栓固定在螺栓連接件上，用數(shù)顯力矩扳手加載扭矩。將連接好的連接件置于振級(jí)放大裝置凹槽內(nèi)，如圖一所示。利用振動(dòng)臺(tái)施加振動(dòng)載荷，目的是加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，縮短螺栓夾緊力衰減所用的時(shí)間。振動(dòng)臺(tái)能夠改變加載的載荷的幅值和頻率，同時(shí)可控制加載的次數(shù)。

螺栓連接件裝置從上至下依次是上連接件(7)、第一螺栓(8)、第二螺栓(14)、第一壓力傳感器(9)、第二壓力傳感器(13)、下連接件(11)、第一螺母(10)和第二螺母(12)。上連接件(7)和下連接件(11)通過(guò)固定尺寸的接觸面接觸。第一螺栓(8)和第二螺栓(14)通過(guò)數(shù)顯力矩扳手?jǐn)Q緊。第一壓力傳感器(9)串聯(lián)在第一螺栓(8)和上連接件(7)之間，第二壓力傳感器(13)串聯(lián)在第二螺栓(14)和上連接件(7)之間，第一壓力傳感器(9)和第二壓力傳感器(13)分別連接到四通道放大器上的k和l通道，四通道放大器輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負(fù)0v，k通道是通過(guò)綠色和橙色兩根線與數(shù)據(jù)采集卡相連，綠色接信號(hào)正，橙色接信號(hào)負(fù)。l通道是通過(guò)紫色和粉色兩根線與數(shù)據(jù)采集卡相連，紫色接信號(hào)正，粉色接信號(hào)負(fù)。四通道放大器與數(shù)據(jù)采集卡接好后，通過(guò)采集卡usb數(shù)據(jù)線使得數(shù)據(jù)采集卡與安裝有采集軟件的電腦相連。同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡需要有采集卡電源適配器為其提供用電。測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)诫娔X軟件中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)的監(jiān)控螺栓夾緊力的變化。

上連接件(7)和下連接件(11)均為t型組件，結(jié)構(gòu)相同，材料采用35crmo，尺寸滿足強(qiáng)度和剛度要求，這樣避免因連接件強(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(guò)渡區(qū)域均采用倒圓角處理，該設(shè)計(jì)理念避免了因振動(dòng)載荷過(guò)大而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

振級(jí)放大裝置(1)包括上托臺(tái)(15)、下底盤(18)、連桿(17)，下底盤(18)固定在激振臺(tái)面(5)上，連接上托臺(tái)(15)與下底盤(18)通過(guò)連桿(17)連接，連桿(17)的截面面積小于上托臺(tái)(15)的截面面積，且連桿(17)的截面面積小于下底盤(18)的截面面積；在上托臺(tái)(15)上開有與螺栓試驗(yàn)件(2)相配合的凹槽(16)。螺栓試驗(yàn)件(2)固定在上托臺(tái)(15)的凹槽(16)中。

將螺栓試驗(yàn)件(2)裝夾在上托臺(tái)(15)上，將第二加速度傳感器(3)安裝在上托臺(tái)(15)，第一加速度傳感器(4)安裝在下底盤(18)上；第一加速度傳感器(4)和第二加速度傳感器(3)均為壓電式加速度傳感器。下底盤(18)固定在振動(dòng)臺(tái)的激振臺(tái)面(5)上，下底盤(18)與上托臺(tái)(15)通過(guò)連桿(17)相連接；接通處理器與信號(hào)發(fā)生器以及示波器之間的信號(hào)連線；接通信號(hào)發(fā)生器與功率放大器之間的信號(hào)連線；接通加速度傳感器與電荷放大器之間的信號(hào)連線；接通電荷放大器與示波器之間的信號(hào)連線；接通處理器、功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、示波器、振動(dòng)臺(tái)的電源。

有益效果

解決了振動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量螺栓夾緊力變化比較困難的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于以往測(cè)量誤差較大，測(cè)量起來(lái)步驟繁瑣等問(wèn)題給予了相應(yīng)的解答。給出了一種經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)單，誤差小而且能夠模擬實(shí)時(shí)測(cè)量服役狀態(tài)下的螺栓夾緊力變化的裝置及方法。

1)設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單但實(shí)用的測(cè)量振動(dòng)環(huán)境下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，該裝置結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，只有上下連接件，螺栓和螺母本身構(gòu)成。

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)合螺栓本身尺寸以及所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件尺寸大小所設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)為圓餅形，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。

3)螺栓試驗(yàn)件固定于振級(jí)放大裝置的凹槽內(nèi)，試驗(yàn)件與凹槽采用過(guò)渡配合，其優(yōu)點(diǎn)在于防止試驗(yàn)件的扭動(dòng)，增加其穩(wěn)定性，另一方面拆裝比較方便，振級(jí)放大裝置固定于振動(dòng)臺(tái)的激振臺(tái)面上，從而克服了螺栓連接件難以直接裝夾于振動(dòng)臺(tái)激振臺(tái)面上的缺點(diǎn)。

4)振級(jí)放大裝置由上托臺(tái)、連桿和下底盤一體成型，三個(gè)部位作為一個(gè)整體，振動(dòng)信號(hào)是在整體成型的部件內(nèi)部傳遞，振級(jí)放大效果好。共振時(shí)能夠顯著地放大振動(dòng)臺(tái)激振臺(tái)面的振級(jí)，加速振動(dòng)時(shí)螺栓預(yù)緊力衰減的效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便。

5)整套裝置的組合，既能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)振動(dòng)載荷的頻率和幅值，又能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量振動(dòng)環(huán)境下螺栓夾緊力衰減的變化。為實(shí)際工程問(wèn)題提供了有效的測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器處理得到螺栓松弛規(guī)律，進(jìn)而為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是振動(dòng)環(huán)境下整套測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

圖2是夾緊力衰減測(cè)試實(shí)驗(yàn)連接件。

圖3是振級(jí)放大裝置示意圖。

圖4是振級(jí)放大裝置的俯視圖。

具體實(shí)施方式

用于實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)環(huán)境下螺栓夾緊力衰減隨振動(dòng)載荷加載而變化的裝置，包括螺栓連接件(2)、四通道放大器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、振級(jí)放大裝置(1)、電荷放大器、示波器和處理器。

下面參照附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明：

一種實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)環(huán)境下螺栓夾緊力衰減的方法，步驟一：處理器控制信號(hào)發(fā)生器輸出幅值和頻率均能夠獨(dú)立且連續(xù)調(diào)節(jié)的正弦激勵(lì)信號(hào)，正選激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器輸入振動(dòng)臺(tái)；

振級(jí)放大裝置(1)固定于振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件(6)的激振臺(tái)面(5)上，振級(jí)放大裝置(1)包括上托臺(tái)(15)，固定在激振臺(tái)面(5)上的下底盤(18)和連接上托臺(tái)(15)與下底盤(18)的連桿(17)；連桿(17)的截面面積小于上托臺(tái)(15)的截面面積，且連桿(17)的截面面積小于下底盤(18)的截面面積；

第一加速度傳感器(4)安裝于下底盤(18)的上表面，第二加速度傳感器(3)安裝于上托臺(tái)(15)的上表面，第一加速度傳感器(4)與電荷放大器的第一輸入通道連接，第二加速度傳感器(3)與電荷放大器的第二輸入通道連接，電荷放大器的兩個(gè)輸出通道分別與示波器連接，示波器與處理器連接；

具體來(lái)說(shuō)，螺栓連接件(2)置于上托臺(tái)(15)及其連桿(17)的凹槽(16)中，在振級(jí)放大裝置(1)的共振振動(dòng)頻率下對(duì)螺栓連接件(2)進(jìn)行載荷加載。第一加速度傳感器(4)的輸出信號(hào)表征振動(dòng)臺(tái)的輸出振級(jí)，第二加速度傳感器(3)的輸出信號(hào)表征振級(jí)放大裝置(1)的輸出振級(jí)，振級(jí)放大裝置(1)的輸出振級(jí)即為作用在螺栓連接件(2)上的振級(jí)。處理器實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)臺(tái)的輸出振級(jí)與振級(jí)放大裝置(1)的輸出振級(jí)。在振級(jí)放大裝置(1)的共振頻率下激振時(shí)，振級(jí)放大裝置(1)的輸出振級(jí)大于振動(dòng)臺(tái)的輸出振級(jí)，從而提高螺栓夾緊力變化的幅度。

步驟二：根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)螺栓及其螺栓連接件(2)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。

步驟三：將加載好力矩的螺栓試驗(yàn)件(2)固定在上托臺(tái)(15)的凹槽(16)中，第一壓力傳感器(9)和第二壓力傳感器(13)分別連接到四通道放大器上的k和l通道，四通道放大器輸出端，紅色線接電源正24vdc，棕色接電源負(fù)0v，k通道是通過(guò)綠色和橙色兩根線與數(shù)據(jù)采集卡相連，綠色接信號(hào)正，橙色接信號(hào)負(fù)。l通道是通過(guò)紫色和粉色兩根線與數(shù)據(jù)采集卡相連，紫色接信號(hào)正，粉色接信號(hào)負(fù)。四通道放大器與數(shù)據(jù)采集卡接好后，通過(guò)采集卡usb數(shù)據(jù)線使得數(shù)據(jù)采集卡與安裝有采集軟件的電腦相連。

步驟四：?jiǎn)?dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)電腦軟件記錄螺栓夾緊力隨時(shí)間的變化。

步驟五：對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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，進(jìn)而為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供理論依據(jù)。