技术领域
[0001] 本
发明属于横向振动试验装置领域，具体涉及一种螺纹紧固件横向振动试验装置及试验方法。
背景技术
[0002]
螺纹连接具有易于获得较大连接
力，便于装拆与维护保养，价格低廉，互换性强等优势，已成为机械结构装配中应用最普遍、最广泛的连接方式，螺纹紧固件也成为必不可少的机械零件。大多数螺纹连接的性能取决于其轴向预紧力的大小和
稳定性。然而，当螺纹连接件受到外界
载荷扰动，特别是横向振动载荷作用时，螺纹连接件易发生松脱失效，螺纹连接力逐渐降低甚至完全丧失，这常常会导致非常严重的人身安全和财产损失问题。因此，螺纹紧固件在工程应用之前，必须对其进行防松性能试验与评估。
[0003] 目前，用于评价螺纹紧固件防松性能的试验方法主要有三种：地脚
螺栓试验法、套筒横向冲击法和横向振动试验法。
地脚螺栓试验法因其不能得到理想的试验数据，可比性差，且没有标准化，现已基本不用；套筒横向冲击法由于加载方式和振动、冲击条件更接近于各种紧固件的实际使用状态，已被制定为我国国家军用标准(GJB715.3A-2002)，国内航空航天系统主要采用此方法，但此方法不能测量螺纹紧固件夹紧力的变化；横向振动法原理起源于德国Junker试验机，此方法可以精确地测量紧固件在振动试验过程中预紧力的变化，给出预紧力与振动次数(或时间)的关系曲线图，我国已发布实施了国家标准(GB-T10431-2008)，此方法在国内被广泛使用，特别是在
汽车、
铁路和管道连接等行业。
[0004] 其中，根据国家标准(GB-T10431-2008)，应用最为广泛的横向振动试验法，在紧固件横向振动试验机上进行。横向振动试验通过改变偏心轮的转速实现振动
频率的调整，通过调节偏心量实现振幅大小的改变，其振动源实质上是一种机械的
曲柄滑
块机构。此种结构导致横向振动试验机结构复杂，工作频率较低，振幅和振动
加速度调整困难。此外，其试验夹具仅适用于单螺栓防松效果验证，无法开展螺栓组的试验测试，测试系统也无法实时检测螺栓试件横向剪切力的变化。因此，针对
现有技术的
缺陷，有必要提出一种螺纹紧固件横向振动试验装置，其振动频率和振幅方便调节控制，且可实现螺栓组防松特性测试和横向剪切力的实时监测。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种螺纹紧固件横向振动试验装置及试验方法，该试验装置能够实现振动频率和振幅的方便调节控制，螺栓组防松特性的测试，可以实时监测螺栓轴向预紧力和横向剪切力的变化。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 一种螺纹紧固件横向振动试验装置，包括横向振动平台、
传动系统以及安装
基座；横向振动平台与安装基座相邻布置在地面上，安装基座的底部设置有用于调整高度的调整
垫块；安装基座的顶部设置有用于安装被测螺栓和被测
螺母的夹具系统；传动系统的一端与横向振动平台相连，另一端与夹具系统相连；横向振动平台通过传动系统将振源的振动传递给夹具系统上的被测螺栓和被测螺母，当横向振动平台振动时，传动系统能够带动夹具系统做
水平往复运动。
[0008] 所述的夹具系统包括用于安放被测螺栓和被测螺母的可动板；可动板安装在固定基座上，固定基座紧固在安装基座的上表面上。
[0009] 所述的可动板上开设有若干用于安装被测螺栓或被测螺母的锥形孔；可动板与固定基座之间安装有板式滚柱链，且通过测试螺栓螺母连接；固定基座上开设有与锥形孔相对应的矩形孔，固定基座的下方设置有传力套筒；传力套筒下端为用于安装
垫圈的圆盘形，上端为内部开设通孔或者
螺纹孔的矩形头，其上端的矩形头深入到固定基座的矩形孔内；传力套筒下端的圆盘上设置有叠放的两
传感器垫圈，两传感器垫圈之间设置有垫圈式力传感器，垫圈式力传感器套装在传力套筒上；在被测螺栓或被测螺母拧紧时，垫圈式力传感器上部的传感器垫圈与固定基座的底部紧密
接触，垫圈式力传感器下部的传感器垫圈与传力套筒底部圆盘的上表面紧密接触。
[0010] 所述的锥形孔内设置有锥形块，锥形块的内径大于等于被测螺栓的外径，锥形块上均开设有销钉孔，并通过销钉与可动板固定连接；锥形孔包括用于测试被测螺栓的锥形孔和用于测试被测螺母的锥形孔；
[0011] 在用于测试被测螺栓的锥形孔中安装被测螺栓时，被测螺栓
自上而下安装，被测螺栓的螺帽上套设有压紧
垫片，压紧垫片下设置有螺栓螺母垫片；传力套筒上端的矩形头上开设有与被测螺栓上的螺纹相配合的螺纹孔；
[0012] 在用于测试被测螺母的锥形孔中安装被测螺栓时，被测螺栓
自下而上安装，传力套筒上端的矩形头上开设有内径大于等于被测螺栓上螺杆直径的通孔；被测螺母套装在被测螺栓穿出可动板的螺杆上，且被测螺母上套设有压紧垫片，压紧垫片下设置有螺栓螺母垫片。
[0013] 所述的可动板的中心开设有一个锥形孔，且绕中心圆周方向均匀开设8个锥形孔；固定基座的上表面开设有若干列用于安装板式滚柱链的矩形槽；安装基座通过开设在其上表面的T型槽与固定基座紧固；安装基座为
铸铁T型槽平台。
[0014] 所述的横向振动平台包括振动平台基座，振动平台基座上连接有水平
振动台，水平振动台通过滚珠链与振动平台基座连接；水平振动台与振源的输出端固定连接；传动系统的一端固定在水平振动台上。
[0015] 所述的振源采用励磁线圈结构，振源输出端与水平振动台通过螺栓紧固，水平振动台上开设有用于连接传动系统的多组螺纹孔。
[0016] 所述的传动系统包括固定在水平振动台顶面上的传动座以及与可动板固定连接的T型传动件；传动座固定安装有圆筒型传动件，圆筒型传动件水平设置，圆筒型传动件与T型传动件之间设置有拉
压力传感器，拉压力传感器的两端均通过传感器
法兰与圆筒型传动件和T型传动件相连。
[0017] 还包括电荷
放大器、数采系统以及
数据处理模块；电荷放大器的
信号输入端分别与拉压力传感器和垫圈式力传感器的信号输出端相连，电荷放大器的信号输出端与数采系统的信号输入端相连，数采系统的信号输出端与数据处理模块相连。
[0018] 一种螺纹紧固件横向振动试验方法，包括以下步骤：
[0019] 1)依据拉压力传感器和垫圈式力传感器的出厂标定，设定拉压力传感器和垫圈式力传感器的量程和灵敏度，设定
数据采集系统的信号转换比率；
[0020] 2)设置振动试验台的振动频率、振幅、振动加速度以及运行时间参数，在可动板上安装加速度传感器；
[0021] 3)选取与被测螺栓外径相匹配的锥形块，将锥形块安装于可动板的锥形孔中；
[0022] 在用于测试被测螺栓的锥形孔中，依次将销钉、螺栓螺母垫片、压紧垫片和被测螺栓安装于锥形块上；
[0023] 在用于测试被测螺母的锥形孔中，依次将销钉、螺栓螺母垫片、压紧垫片、被测螺栓和被测螺母安装于锥形块上；
[0024] 4)选取与被测螺栓外径相匹配的传力套筒，依次将传感器垫片、垫圈式力传感器安装在传力套筒上，再将其整体安装于固定基座的矩形孔中，初步拧紧被测螺纹紧固件；
[0025] 5)通过
扭矩扳手拧紧被测螺栓和被测螺母到目标扭矩值，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器的读数，待其示值稳定后，记录此值；
[0026] 6)开启振动试验台，至夹紧力丧失到预定数值时停机，记录传动系统横向剪切力和被测螺栓或被测螺母轴向预紧力随时间的变化曲线；
[0027] 7)重复步骤2)～6)，更换被测螺栓或被测螺母、锥形块和传力套筒，对不同类型和结构、不同拧紧力、不同频率和不同振幅下螺纹紧固件的防松性能进行测试和评估。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029] 本发明螺纹紧固件横向振动试验装置，在安装基座上安装用于安装被测螺栓和被测螺母的夹具系统，并通过传动系统将横向振动平台与夹具系统相连，将振源的振动传递给夹具系统上的被测螺栓和被测螺母，当横向振动平台振动时，传动系统能够带动夹具系统做水平往复运动，实现了螺栓组防松特性测试和横向剪切力的实时监测。本发明为工程技术人员分析各种螺纹紧固件的防松性能，评估各种防松方法的有效性和装配连接工艺优化提供
基础平台。
[0030] 进一步的，本发明振源采用励磁线圈结构，可实现高频振动、无极调幅和大的振动加速度。
[0031] 进一步的，本发明夹具系统采用中心和周向8个锥形孔设计，可实现单螺栓和螺栓组(线性分布、矩形分布和圆周分布)的防松特性测试。
[0032] 进一步的，本发明传动系统中安装的拉压力传感器，螺纹紧固件上套装的垫圈式力传感器，可实现振动过程中横向剪切力和轴向预紧力的实时监测。
[0033] 本发明螺纹紧固件横向振动试验方法，通过拉压力传感器采集振动横向剪切力，通过垫圈式力传感器采集螺纹紧固件夹紧力，通过控制系统记录横向剪切力和夹紧力随时间的变化曲线，分析夹紧力丧失到预定数值时振动次数或达到一定振动次数时夹紧力的下降量值，从而评价各种螺纹紧固件的防松效果。该试验方法操作简便，原理简单，容易实现，在试验装置的配合下，能够为工程技术人员评价各种螺纹紧固件的防松性能提供基本的数据支持。
附图说明
[0034] 图1为本发明整体结构的等轴侧视图；
[0035] 图2为本发明传动系统剖面图；
[0036] 图3为本发明夹具系统的剖视图；
[0037] 图4为本发明螺栓测试夹具的剖视图；
[0038] 图5为本发明螺母测试夹具的剖视图；
[0039] 图6为本发明可动板的等轴侧视图；
[0040] 图7为本发明传力套筒的等轴侧视图；
[0041] 图8为本发明固定基座的等轴侧视图。
[0042] 其中，1为振动平台基座；2为水平振动台；3为传动座；4为圆筒型传动件；5为传感器法兰；6为拉压力传感器；7为T型传动件；8为可动板；9为被测螺栓；10为被测螺母；11为压紧垫片；12为螺栓螺母垫片；13为锥形块；14为板式滚柱链；15为销钉；16为传感器垫片；17为垫圈式力传感器；18为传力套筒；19为固定基座；20为安装基座；21为调整垫铁。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0044] 参见图1至图8，本发明螺纹紧固件横向振动试验装置，包括横向振动平台、传动系统、夹具系统、安装基座以及测量装置；横向振动平台包括振动平台基座1、水平振动台2和振源，振源采用励磁线圈，振源输出端与水平振动台2通过螺栓紧固，水平振动台2通过滚珠链与振动平台基座1连接，水平振动台上开设有用于连接传动系统的多组螺纹孔；传动系统包括传动座3、圆筒型传动件4、传感器法兰5、拉压力传感器6、和T型传动件7，传动座3通过螺栓固定在水平振动台2面上，圆筒型传动件4一端通过螺栓紧固在传动座3上，一端紧固在左侧传感器法兰5上，拉压力传感器6通过传感器法兰5与圆筒型传动件4和T型传动件7连接；夹具系统包括可动板8、被测螺栓9、被测螺母10、压紧垫片11、螺栓螺母垫片12、锥形块13、板式滚柱链14、销钉15、传感器垫片16、垫圈式力传感器17、传力套筒18和固定基座19，可动板8中心设置有锥形孔，且绕中心周向设置有均布的8个锥形孔，锥形块设置有销钉孔，传力套筒18一端为圆盘形，一端设置为矩形，传力套筒18内部设置有螺纹孔，固定基座19上表面设置有7列矩形孔，用于安装板式滚柱链14，下表面设置有8个矩形孔，用于安装传力套筒18的矩形头，可动板8通过螺栓与传动系统的T型传动件7连接，固定基座19与安装基座20通过T型槽紧固，可动板8与固定基座19之间安装板式滚柱链14，且通过测试螺栓9或螺母10连接，垫圈式力传感器17作为被连接件一部分安装在传力套筒18上；测量装置包括拉压力传感器6、传感器法兰5、垫圈式力传感器17、传感器垫片16、电荷放大器以及数采系统，拉压力传感器6安装在传动系统中，通过传感器法兰
5与圆筒型传动件4和T型传动件7连接，垫圈式力传感器17套装在夹具系统的传力套筒
18上，拉压力传感器6和垫圈式力传感器17
输出信号接入电荷放大器，通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。
[0045] 本发明还公开了一种基于
权利要求4所述螺纹紧固件横向振动试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0046] 1)依据拉压力传感器和垫圈式力传感器的出厂标定，设定拉压力传感器和垫圈式力传感器的量程和灵敏度，设定数据采集系统的信号转换比率；
[0047] 2)设置振动试验台的振动频率、振幅、振动加速度以及运行时间参数，在可动板8上安装加速度传感器；
[0048] 3)选取与被测螺栓9外径相匹配的锥形块13，将锥形块13安装于可动板8的锥形孔中；
[0049] 在用于测试被测螺栓9的锥形孔中，依次将销钉15、螺栓螺母垫片12、压紧垫片11和被测螺栓9安装于锥形块13上；
[0050] 在用于测试被测螺母10的锥形孔中，依次将销钉15、螺栓螺母垫片12、压紧垫片11、被测螺栓9和被测螺母10安装于锥形块13上；
[0051] 4)选取与被测螺栓9外径相匹配的传力套筒18，依次将传感器垫片16、垫圈式力传感器17安装在传力套筒18上，再将其整体安装于固定基座19的矩形孔中，初步拧紧被测螺纹紧固件9；
[0052] 5)通过扭矩扳手拧紧被测螺栓9和被测螺母10到目标扭矩值，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器17的读数，待其示值稳定后，记录此值；
[0053] 6)开启振动试验台，至夹紧力丧失到预定数值或达到一定振动次数时停机，记录传动系统横向剪切力和被测螺栓9或被测螺母10轴向预紧力随时间的变化曲线；
[0054] 7)重复步骤2)～6)，更换被测螺栓9或被测螺母10、锥形块13和传力套筒18，对不同类型和结构、不同拧紧力、不同频率和不同振幅下螺纹紧固件的防松性能进行测试和评估。
[0055] 本发明的原理及工作过程：
[0056] 如图1所示，本发明螺纹紧固件横向振动试验装置，包括：横向振动平台、传动系统、夹具系统、安装基座以及测量装置。传动系统一端通过螺栓固定在横向振动平台3上，另一端固定在夹具系统中的可动板8上；夹具系统的固定基座19与安装基座20通过T型槽紧固；传动系统安装有拉压力传感器6，夹具系统安装有垫圈式力传感器17；当横向振动平台振动时，传动系统带动夹具系统中的可动板做水平往复运动。
[0057] 如图2所示，传动系统包括传动座3、圆筒型传动件4、传感器法兰5、拉压力传感器6、和T型传动件7，传动座3通过螺栓固定在水平振动台2面上，圆筒型传动件4一端通过螺栓紧固在传动座3上，一端紧固在左侧传感器法兰5上，拉压力传感器6通过传感器法兰
5与圆筒型传动件4和T型传动件7连接。
[0058] 如图3所示，夹具系统包括可动板8、被测螺栓9、被测螺母10、压紧垫片11、螺栓螺母垫片12、锥形块13、板式滚柱链14、销钉15、传感器垫片16、垫圈式力传感器17、传力套筒18和固定基座19，可动板8通过螺栓与传动系统的T型传动件7连接，固定基座19与安装基座20通过T型槽紧固，可动板8与固定基座19之间安装板式滚柱链14，且通过测试螺栓9或螺母10连接，垫圈式力传感器17作为被连接件一部分安装在传力套筒18上。
[0059] 如图4所示，夹具系统中螺栓测试夹具包括：可动板8、被测螺栓9、压紧垫片11、螺栓螺母垫片12、锥形块13、板式滚柱链14、销钉15、传感器垫片16、垫圈式力传感器17、传力套筒18和固定基座19，此时传力套筒18矩形头内部为螺纹孔，被测螺栓9自上而下安装，紧固在传力套筒18中。
[0060] 如图5所示，夹具系统中螺母测试夹具包括：可动板8、螺栓9、被测螺母10、压紧垫片11、螺栓螺母垫片12、锥形块13、板式滚柱链14、销钉15、传感器垫片16、垫圈式力传感器17、传力套筒18和固定基座19，此时传力套筒18矩形头内部为光孔，螺栓9自下而上安装，通过拧紧被测螺母10施加载荷。
[0061] 如图6所示，可动板8中心设置有1个锥形孔，绕中心圆周方向设置有均布的8个锥形孔，每个锥形孔侧边设置有销钉孔，周向设置有四个螺纹孔。
[0062] 如图7所示，传力套筒18一端为圆盘形，中间为圆柱形，一端设置为矩形，圆盘形安装有垫圈式力传感器17，矩形头与固定基座19方孔配合，阻止传力套筒18旋转；传力套筒18内部设置下部为光孔，上部为螺纹孔，螺纹孔用于拧紧被测试螺栓。
[0063] 如图8所示，固定基座19上表面设置有7列矩形孔，用于安装板式滚柱链14，下表面设置有8个矩形孔，用于安装传力套筒18的矩形头，固定基座19与安装基座20通过T型槽紧固。
[0064] 测量装置包括拉压力传感器6、传感器法兰5、垫圈式力传感器17、传感器垫片16、电荷放大器以及数采系统，拉压力传感器6安装在传动系统中，通过传感器法兰5与圆筒型传动件4和T型传动件7连接，垫圈式力传感器17套装在夹具系统的传力套筒18上，拉压力传感器6和垫圈式力传感器17输出信号接入电荷放大器，通过电荷放大器与数据采集和数据处理模块相连。
[0065] 采用本发明进行螺栓横向振动试验时，具体实施过程包括下列步骤：
[0066] 依据力传感器出厂标定，设定力传感器量程和灵敏度，设定数据采集系统的信号转换比率；
[0067] 设置振动试验台基本参数，如振动频率、振幅、振动加速度和运行时间，在夹具系统的可动板8上安装加速度传感器；
[0068] 选取与被测螺栓内径相匹配的锥形块13，将锥形块13安装于可动板8的锥形孔中，再依次安装销钉、螺栓螺母垫片12、压紧垫片11和被测螺栓9于锥形块13上；
[0069] 选取与被测螺栓9内径相匹配的传力套筒18，依次将传感器垫片16、垫圈式力传感器17安装在传力套筒18上，再将其整体安装于固定基座19矩形孔中，初步拧紧被测试螺栓9；
[0070] 通过扭矩扳手拧紧被测螺栓9到目标扭矩值，通过数据采集系统记录垫圈式力传感器17的读数，待其示值稳定后，记录此值F；
[0071] 开启振动试验台，至夹紧力丧失到预定数值或达到一定振动次数时停机，记录传动系统横向剪切力和被测螺栓轴向预紧力随时间的变化曲线。
[0072] 重复上述步骤，对不同拧紧力、不同结构、不同频率和振幅下被测螺栓9的防松性能进行测试和评估。
[0073] 一种型号的被测螺栓做完后，重复上述步骤，更换被测螺栓9、锥形块13和传力套筒18，如此，可开展不同尺寸类型螺栓的防松性能试验。
[0074] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。
