本實(shí)用新型屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，特別涉及一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

螺栓連接處存在沖擊、滑移、粘著滑移和全粘著接觸等形式，造成了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度非線性，并引起阻尼，具有不連續(xù)性、遲滯性、時(shí)變、分段線性、剛度硬化等多種非線性特征。由于螺栓結(jié)合部強(qiáng)的非線性特性，要建立和求解這類非線性模型以及實(shí)現(xiàn)與其他模型的耦合極為困難。為體現(xiàn)螺栓結(jié)合部等效非線性特性和便于工程應(yīng)用，將其從微觀上線性化處理，施加法向載荷，測(cè)量在相應(yīng)載荷下結(jié)合部產(chǎn)生的微小位移，建立螺栓結(jié)合部剛度模型。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由螺栓受力和對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算其剛度。通過多個(gè)變量測(cè)試測(cè)得多組數(shù)據(jù)分析，以點(diǎn)的測(cè)量計(jì)算得到整體結(jié)合部剛度特性。

在振動(dòng)環(huán)境中，由于機(jī)械系統(tǒng)受到外界力、邊界條件和結(jié)合面等因素的影響，使得螺栓結(jié)合部具有強(qiáng)的非線性特性。其法向主要特征為：可能發(fā)生間隙分離和沖擊碰撞。間隙和碰撞形式也既包括微觀尺度上的撞擊，還有宏觀尺度上的分離碰撞。

現(xiàn)有技術(shù)中，還沒有一種比較成熟的能夠采用直接測(cè)量法測(cè)量出螺栓結(jié)合部法向剛度的測(cè)量裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置，以解決上述技術(shù)性問題。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)螺栓連接試件，通過激光三向力傳感器、激光位移傳感器獲得同一螺栓連接形式不同預(yù)緊力、不同結(jié)合部介質(zhì)、不同試件材料作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)法向參數(shù)；利用測(cè)得數(shù)據(jù)，測(cè)得螺栓結(jié)合部剛度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下方案：

螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置，包括激光位移傳感器、第一試件、第二試件、三向力傳感器、螺栓、螺母、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、信號(hào)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)；螺栓的螺帽固定在工作臺(tái)上；一對(duì)導(dǎo)軌垂直固定于工作臺(tái)上，螺栓位于一對(duì)導(dǎo)軌之間；第二試件包括同軸設(shè)置的下部圓柱體和上部三棱柱體；下部圓柱體和上部三棱柱體軸線上設(shè)有供螺栓穿過的通孔；第一試件、第二試件和三向力傳感器從下至上依次安裝于螺栓上，頂部通過螺母固定；激光位移傳感器設(shè)置于第一試件上方，用于測(cè)量第二試件下部圓柱體上表面的法向位移；激光位移傳感器和三向力傳感器通過信號(hào)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，第一試件的兩端通過一對(duì)導(dǎo)軌固定。

進(jìn)一步的，第二試件下部圓柱體上表面涂有反光涂層。

進(jìn)一步的，反光涂層為鍍鋁層。

進(jìn)一步的，所述螺栓為M24的10.9s級(jí)高強(qiáng)度螺栓。

進(jìn)一步的，第一試件、第二試件與三向力傳感器在同一軸對(duì)稱線上。

進(jìn)一步的，工作臺(tái)上設(shè)有一個(gè)與螺栓的螺帽形狀大小相同的凹坑，螺栓的螺帽固定于凹坑中；螺栓的螺帽上表面高于工作臺(tái)表面。

進(jìn)一步的，激光位移傳感器在第二試件下部圓柱體表面的照射點(diǎn)與第二試件上部三棱柱體側(cè)面相貼。

進(jìn)一步的，螺栓穿過材料為Q235的第一試件和第二試件，并將第二試件設(shè)計(jì)為下部分圓柱體上部分三棱柱型，下半部分圓柱體部分設(shè)計(jì)便于上部分三棱柱的加工，上半部分三棱柱部分為激光位移傳感器測(cè)位移提供離螺柱較近的距離測(cè)試件孔附近位移變化，上下部分為同一材料，為一整體，減少新引進(jìn)其他結(jié)合面影響測(cè)試精度。

進(jìn)一步的，在第二試件上方放置三向力傳感器，測(cè)經(jīng)螺母?jìng)鱽淼念A(yù)緊力。

進(jìn)一步的，在第二試件下部分圓柱體上表面鍍鋁，用以激光位移傳感器反射激光測(cè)位移。

進(jìn)一步的，第一試件左右分別通過兩端豎直導(dǎo)軌固定，以保證其水平度和豎直度。

進(jìn)一步的，在距第一試件上表面一定距離處放置激光位移傳感器，用光的反射測(cè)微小位移。

本實(shí)用新型一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置，對(duì)于同一螺栓結(jié)構(gòu)的結(jié)合部參數(shù)，采用獲得不同預(yù)緊力、不同結(jié)合部介質(zhì)、不同試件材料作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)法向參數(shù)，從而測(cè)得剛度。

本實(shí)用新型中，分別設(shè)置力傳感器和位移傳感器兩種類型的參數(shù)，研究：(1)相同栓接結(jié)構(gòu)；(2)ZLDS100激光入射角度相同；(3)通過四組螺栓結(jié)構(gòu)在不同預(yù)緊力、不同結(jié)合部介質(zhì)、不同試件材料作用下的試驗(yàn)研究，獲得螺栓連接結(jié)構(gòu)法向剛度特性規(guī)律。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)從實(shí)驗(yàn)裝置可看出，采用直接測(cè)量法，測(cè)得相應(yīng)力作用下結(jié)合部產(chǎn)生的位移，以獲得結(jié)合部剛度，減少了測(cè)量的物理量個(gè)數(shù)，提高測(cè)量精度。

(2)為了便于測(cè)量位移，采用激光測(cè)試方法，利用光反射的方法測(cè)得，能更好的提高測(cè)量精度。

(3)對(duì)影響螺栓結(jié)合部的各影響因素進(jìn)行研究，本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于更換、易于定位，能夠進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

(4)本裝置可進(jìn)行不同預(yù)緊力、不同結(jié)合部介質(zhì)、不同試件材料下結(jié)合部剛度得測(cè)量。

本實(shí)用新型一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置，設(shè)計(jì)一系列的螺栓連接試件，通過力傳感器和位移傳感器測(cè)試出參數(shù)，以達(dá)到求剛度的目的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于重復(fù)實(shí)驗(yàn)、精度高誤差小，解決了螺栓結(jié)合部法向非線性難以測(cè)試的問題。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型裝置整體圖。

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是第二試件主視圖、左視圖、俯視圖。

圖3是激光照射點(diǎn)俯視圖。

具體實(shí)施方式

以下參照?qǐng)D1至圖3對(duì)本實(shí)用新型的螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置做進(jìn)一步說明。

本實(shí)用新型一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置，包括激光位移傳感器9(型號(hào)ZLDS100)、第一試件3、第二試件5、三向力傳感器6(型號(hào)260A03)、螺栓8、螺母7、導(dǎo)軌4、工作臺(tái)2、信號(hào)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)。

請(qǐng)參閱圖2所示，第二試件5包括同軸設(shè)置的下部圓柱體50和上部三棱柱體51；下部圓柱體和上部三棱柱體軸線上設(shè)有供螺栓8穿過的通孔52。下部圓柱體的直徑大于上部三棱柱體的直徑。

在工作臺(tái)2上做一個(gè)與螺栓螺帽1形狀大小相同的凹坑固定螺栓8，深度應(yīng)使螺栓8的螺帽1高于工作臺(tái)2即可，保證工作臺(tái)2不與第一試件3的接觸；導(dǎo)軌4固定于工作臺(tái)2上，并與工作臺(tái)2上表面保持垂直；激光位移傳感器9在第二試件5下部分圓柱體表面的照射點(diǎn)與第二試件5上部分三棱柱側(cè)面相貼，并在第二試件5上部分三棱柱做相應(yīng)標(biāo)記，以保證測(cè)多組數(shù)據(jù)時(shí)均為同一位置的測(cè)量數(shù)據(jù)；裝配順序?yàn)橄裙潭菟?于工作臺(tái)上，依次通過螺栓放置第一試件3、第二試件5、三向力傳感器6，然后以一定預(yù)緊力上緊螺母7；測(cè)量點(diǎn)的位移和力分別通過激光位移傳感器9和三向力傳感器6測(cè)得的信號(hào)經(jīng)型號(hào)采集系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)處理得到；從多組數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)量，獲得螺栓結(jié)合部法向剛度。本實(shí)用新型中螺栓8選用M24的10.9S級(jí)高強(qiáng)度螺栓。

本實(shí)用新型利用激光位移傳感器發(fā)射的激光反射直接測(cè)螺栓受力矩之后結(jié)合部的位移變化情況，用不同的標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行法向剛度測(cè)試，將螺栓結(jié)合部的變化利用激光位移傳感器和力傳感器得到其位移和所受力的關(guān)系，計(jì)算出其法向剛度；

本實(shí)用新型一種螺栓結(jié)合部法向剛度測(cè)試裝置使用時(shí)，包括以下步驟：

首先將螺栓螺帽固定于工作臺(tái)上，使其不能進(jìn)行上下左右的移動(dòng)；然后將第一試件和第二試件通過螺栓連接，并將第一試件通過導(dǎo)軌固定；第二試件由上部分三棱柱和下部分圓柱體構(gòu)成，且圓柱體上表面涂有反光涂層；隨后在第二試件上放置三向力傳感器；試驗(yàn)時(shí)給螺母施加一力矩，用激光位移傳感器測(cè)試第二試件上表面反光涂層的法向位移變化，同時(shí)三向力傳感器也測(cè)出力的變化，將力傳感器和位移傳感器所給出的力與位移數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)采集系統(tǒng)，通過信號(hào)采集系統(tǒng)提取力和位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制法向動(dòng)態(tài)特性曲線，得到結(jié)合部法向剛度。測(cè)試方法還包括：獲取不同預(yù)緊力、不同結(jié)合部介質(zhì)、不同試件材料下螺栓連接結(jié)構(gòu)的法向剛度曲線。法向剛度通過ΔF/Δx獲得，其中ΔF表示法向力的變化量，Δx為法向變形量，均可通過本裝置獲得。

本實(shí)用新型中，第二試件下部分圓柱體上表面采用精磨處理，并將第二試件設(shè)計(jì)為下部分圓柱體上部分三棱柱型，這樣便于第二試件的加工，只需將試件旋轉(zhuǎn)3次120度即可完成加工。第二試件下部分圓柱體上表面涂有反光涂層，其上部分三棱柱與三向力傳感器接觸。

第二試件的上表面涂有均勻反光涂層，反光涂層可為鍍鋁。