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一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法

阅读：332发布：2023-02-19

专利汇可以提供一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法，属于核电设备抗震试验装置技术领域。试验装置包括外部框架、第一夹持板、第二夹持板、压力传感器、水平弹簧和竖直弹簧；第一夹持板、第二夹持板和连接的弹簧组合成一柔性夹具；该装置与地震试验台配合使用，解决现有试验装置无法实现地震载荷加载幅值和频率连续改变或多方向同时加载的问题。螺栓采用柔性夹具安装，夹具设计依据不同的响应放大要求，可以模拟核电设备上不同位置的加速度放大效应，进而可以测试核电设备上不同位置螺栓松动情况。该装置及方法可用于开展核电设备地震载荷下螺栓连接测试，对于核电设备螺栓优化防松设计意义重大。，下面是一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种测量螺栓自行松脱的试验装置，其特征在于：包括外部框架、第一夹持板、第二夹持板、压力传感器、水平弹簧和竖直弹簧；外部框架为一立方体形的钢构框架，外部框架的六个面组成一立方体的六个面；所述的立方体中央设有第一夹持板和第二夹持板，第一夹持板与第二夹持板为正方形板状结构；第一夹持板与第二夹持板通过螺栓连接，第一夹持板与第二夹持板板面与地平面平行；第二夹持板垂直于地平面的四个组成正方形的端面上设有水平弹簧，水平弹簧连接于外部框架的相对应的四个面，第一夹持板板面中央设有竖直弹簧与相对应的外部框架的顶面连接；第二夹持板板面中央设有竖直弹簧与相对应的外部框架的底面连接。
2.如权利要求1所述的一种测量螺栓自行松脱的试验装置，其特征在于：所述的第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔，第一夹持板、第二夹持板和连接的弹簧组合成一柔性夹具。
3.如权利要求1所述的一种测量螺栓自行松脱的试验装置，其特征在于：所述的水平弹簧和竖直弹簧通过改变弹簧自身簧丝直径、弹簧中径和节距的弹簧尺寸参数，改变弹簧刚度和基础频率。
4.如权利要求1所述的一种测量螺栓自行松脱的试验装置，其特征在于：所述的压力传感器与待测螺栓连接后固定于第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔中；紧贴待测螺栓设有加速度传感器。
5.一种测量螺栓自行松脱的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：根据地震台的能力设置合适的地震台台面初始输入反应谱IRS-1；
第二步：根据螺栓安装端面的试验目标反应谱TRRS和台面初始输入反应谱IRS-1的，计算两者之间的传递函数H；
第三步：开展动力学仿真计算，并依据仿真计算设计柔性夹具，夹具频响函数应包络传递函数H；
第四步：根据夹具设计结果，查找设计手册，选取适用的弹簧，组装夹具和试验装置；
第五步：将试验装置固定在地震试验台上，并将螺栓固定在柔性夹具上。螺栓之间的预紧力根据设计要求给定，并通过压力传感器测量预紧力。螺栓安装端面安装控制用加速度传感器；
第六步：开启地震台，通过1-2次的预试验对地震台台面输入反应谱IRS-2进行微调，使螺栓安装端面的加速度传感器测量的试验反应谱TRS包络试验目标反应谱TRRS；
第七步：重新对螺栓进行预紧，并通过压力传感器测量预紧力。地震台按照地震台台面输入反应谱IRS-2输入，观察并记录螺栓在该地震载荷输入下的松动情况。
6.如权利要求5所述的一种测量螺栓自行松脱的试验方法，其特征在于，所述的第一步柔性夹具调整自身刚度，是通过计算螺栓安装端的目标试验要求反应谱TRRS和地震试验台台面输入反应谱IRS之间的传递函数H，依据动力学仿真计算，通过调节夹具结构参数来实现。

说明书全文

一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量螺栓自行松脱的试验装置及试验方法，属于核电设备抗震试验技术领域。

背景技术

[0002] 螺栓连接是核电设备最常用的结构连接形式。在地震工况下，螺栓的“自行松脱”是螺栓最常见失效模式之一。自行松脱是指，在一定的载荷条件下，螺栓和螺母由于自锁力矩降低而产生相对转动，螺栓预紧力减小到使螺栓丧失正常工作性能，甚至完全分离。地震工况下的自行松脱会造成核电设备结构的力与运动的失效、密封泄漏等故障发生，可使核电设备失去正常功能，引发重大事故，带来巨大损失。

[0003] 螺栓在地震载荷下是否会产生自行松脱，目前理论计算无法判断，需要通过试验手段进行测试。研究表明，引起螺栓连接松动的载荷包括垂直于轴向的横向载荷、沿螺栓轴向的扭矩、垂直于螺栓轴向的扭矩、沿螺栓轴向的拉应力等多方向的力和力矩作用。当施加的外界载荷过大，螺栓上的应力超过其材料屈服强度发生塑性变形，就有可能发生松动。这种塑性变形既可以是单次大载荷引起的材料屈服，也可以是在循环载荷作用下材料属性应变的循环累积。螺栓连接结构在地震载荷下的失效机理复杂，无法通过理论计算判读。实际工程中，为保证核电厂核安全级设备在地震载荷下保持结构完整性并执行其安全相关功能，核安全级设备都需要通过地震模拟试验。现有的螺栓松脱测试试验装置及方法，还无法模拟地震工况。目前采用的测量螺栓松动的试验装置为横向载荷作用下的紧固件横向振动试验台，如参照GB/T 10431-2008建设的试验台用于测定紧固件横向振动下的防松性能，仅能施加单方向载荷，无法实现三个轴向六个自由度载荷变化，且试验台无法实现加载幅值和频率的连续改变，加载能力有限，加载频率较低，不能满足地震载荷下连接螺栓防松性能测试的要求。另外，由于设备不同部位刚度差别较大，常常会有设备刚性较差部位连接螺栓在地震工况下的加速度响应远远超过地震试验台台面输入极限的情况，因而也无法单独进行螺栓松脱测试试验。因此本技术领域需要一种能模拟地震状况下，测试在地震载荷作用下核电设备螺栓自行松脱的试验装置及试验方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为解决目前没有合适的试验装置及试验方法测试在地震载荷作用下核电设备螺栓自行松脱情况的技术问题。

[0005] 为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种测量螺栓自行松脱的试验装置，其特征在于：包括外部框架、第一夹持板、第二夹持板、压力传感器、水平弹簧和竖直弹簧；外部框架为一立方体形的钢构框架，外部框架的六个面组成一立方体的六个面；所述的立方体中央设有第一夹持板和第二夹持板，第一夹持板与第二夹持板为正方形板状结构；第一夹持板与第二夹持板通过螺栓连接，第一夹持板与第二夹持板板面与地平面平行；第二夹持板垂直于地平面的四个组成正方形的端面上设有水平弹簧，水平弹簧连接于外部框架的相对应的四个面，第一夹持板板面中央设有竖直弹簧与相对应的外部框架的顶面连接；第二夹持板板面中央设有竖直弹簧与相对应的外部框架的底面连接。

[0006] 优选地，所述的第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔，第一夹持板、第二夹持板和连接的弹簧组合成一柔性夹具。

[0007] 优选地，所述的水平弹簧和竖直弹簧通过改变弹簧自身簧丝直径、弹簧中径和节距的弹簧尺寸参数，改变弹簧刚度和基础频率。

[0008] 优选地，所述的压力传感器与待测螺栓连接后固定于第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔中；紧贴待测螺栓设有加速度传感器。

[0009] 本发明还提供一种测量螺栓自行松脱的试验方法，包括如下步骤：

[0010] 第一步：根据地震台的能力设置合适的地震台台面初始输入反应谱IRS-1；

[0011] 第二步：根据螺栓安装端面的试验目标反应谱TRRS和台面初始输入反应谱IRS-1，计算两者之间的传递函数H；

[0012] 第三步：开展动力学仿真计算，并依据仿真计算设计柔性夹具，夹具频响函数应包络传递函数H；

[0013] 第四步：根据夹具设计结果，查找设计手册，选取适用的弹簧，组装夹具和试验装置；

[0014] 第五步：将试验装置固定在地震试验台上，并将螺栓固定在柔性夹具上。螺栓之间的预紧力根据设计要求给定，并通过压力传感器测量预紧力。螺栓安装端面安装控制用加速度传感器；

[0015] 第六步：开启地震台，通过1-2次的预试验对地震台台面输入反应谱IRS-2进行微调，使螺栓安装端面的加速度传感器测量的试验反应谱TRS包络试验目标反应谱TRRS；

[0016] 第七步：重新对螺栓进行预紧，并通过压力传感器测量预紧力。地震台按照地震台台面输入反应谱IRS-2输入，观察并记录螺栓在该地震载荷输入下的松动情况。

[0017] 优选地，所述的第一步柔性夹具调整自身刚度，是通过计算螺栓安装端的目标试验要求反应谱TRRS和地震试验台台面输入反应谱IRS之间的传递函数H，依据动力学仿真计算，通过调节夹具结构参数来实现

[0018] 相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0019] 本发明提供了一种测试在地震载荷作用下核电设备螺栓自行松脱情况的方法与装置，该装置与地震试验台配合使用，解决现有试验装置无法实现地震载荷加载幅值和频率连续改变或多方向同时加载的问题。同时，为模拟设备在地震载荷下不同螺栓安装位置的响应放大，螺栓采用柔性夹具安装，夹具设计依据不同的响应放大要求，在动力学仿真的基础上，通过选取不同刚度和基频的弹簧来实现。可以模拟核电设备上不同位置的加速度放大效应，进而可以测试核电设备上不同位置螺栓松动情况，对于核电设备螺栓连接测试、优化防松设计意义重大。附图说明

[0020] 图1为本发明提供一种测量螺栓自行松脱的试验装置组成示意图。

具体实施方式

[0021] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

[0022] 如图1所示，一种测量螺栓自行松脱的试验装置，包括外部框架10、第一夹持板1、第二夹持板2、压力传感器3、水平弹簧4、水平弹簧5、水平弹簧6、水平弹簧7、竖直弹簧8和竖直弹簧9；外部框架为一立方体形的钢构框架，外部框架的六个面组成一立方体的六个面；立方体中央设有第一夹持板1和第二夹持板2，第一夹持板1与第二夹持板2为正方形板状结构；第一夹持板1与第二夹持板2通过螺栓11连接，第一夹持板1与第二夹持板2板面与地平面平行；第二夹持板2垂直于地平面的四个组成正方形的端面上设有水平弹簧，水平弹簧连接于外部框架的相对应的四个面，第一夹持板1板面中央设有竖直弹簧8与相对应的外部框架的顶面连接；第二夹持板2板面中央设有竖直弹簧9与相对应的外部框架的底面连接。第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔。第一夹持板与第二夹持板组成柔性夹具。螺栓11与压力传感器3连接后固定于第一夹持板与第二夹持板上设有螺栓孔中。加速度传感器12紧贴螺栓11布置，每个螺栓布置一个加速度传感器12。

[0023] 被试验螺栓11通过柔性夹具固定在地震试验台上。螺栓通过测力扳手固定，使之产生一定的预紧力。借助地震试验台产生的地震载荷，使被夹紧的两金属板之间连接松动，导致夹紧力减小甚至完全丧失。

[0024] 根据上述方案，所述夹具是指将螺栓固定在试验台架上的试验装置。由于设备结构不同、设备所受地震载荷不同，且设备上螺栓安装位置不同、安装方式不同，螺栓安装端的地震响应是变化的。柔性夹具是指能适应这种变化的要求，通过调整自身刚度，在螺栓安装端产生不同的地震响应的能力。

[0025] 根据上述方案，所述调整自身刚度，是通过计算螺栓安装端的目标试验要求反应谱TRRS和地震试验台台面输入反应谱IRS之间的传递函数H，依据动力学仿真计算，通过调节夹具结构参数来实现。

[0026] 根据上述方案，所述调整夹具结构，包括调整弹簧的簧丝直径、弹簧中径、节距等弹簧尺寸参数，改变弹簧刚度和基础频率。所述地震试验台是指能模拟地震引起的复杂的运动，产生三向六自由度运动的液压振动台。

[0027] 本发明还提供了一种测量螺栓自行松脱的试验方法，一种测试模拟地震载荷工况下螺栓松动程度的试验方法，采用上述测试模拟地震载荷工况下螺栓松动程度的试验装置，通过动力学仿真设计的刚度可调节的柔性夹具，模拟螺栓在地震载荷下不同安装位置的响应。

[0028] 在模拟地震试验中，试验要求是样机安装端的试验反应谱TRS包络试验目标反应谱TRRS。为模拟设备上不同螺栓安装位置的响应，试验前需要调整地震台台面输入反应谱IRS，及安装螺栓的柔性夹具的刚度，使螺栓安装端的试验反应谱TRS包络试验目标反应谱TRRS。试验步骤如下：

[0029] 第一步：根据地震台的能力设置合适的地震台台面初始输入反应谱IRS-1；

[0030] 第二步：根据螺栓安装端面的试验目标反应谱TRRS和台面初始输入反应谱IRS-1的，计算两者之间的传递函数H；

[0031] 第三步：开展动力学仿真计算，并依据仿真计算设计柔性夹具，夹具频响函数应包络传递函数H；

[0032] 第四步：根据夹具设计结果，查找设计手册，选取适用的弹簧，组装夹具和试验装置；

[0033] 第五步：将试验装置固定在地震试验台上，并将螺栓固定在柔性夹具上。螺栓之间的预紧力根据设计要求给定，并通过压力传感器测量预紧力。螺栓安装端面安装控制用加速度传感器；

[0034] 第六步：开启地震台，通过1-2次的预试验对地震台台面输入反应谱IRS-2进行微调，使螺栓安装端面的加速度传感器测量的试验反应谱TRS包络试验目标反应谱TRRS；

[0035] 第七步：重新对螺栓进行预紧，并通过压力传感器测量预紧力。地震台按照地震台台面输入反应谱IRS-2输入，观察并记录螺栓在该地震载荷输入下的松动情况。

[0036] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

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