一种压电驱动式的小型螺栓横向载荷松脱试验机

技术领域

本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种基于压电致动器驱动的并用于微载荷和小载荷的横向载荷松脱试验机。

背景技术

螺栓连接在服役的过程中，经常受到振动、冲击、周期性温度变化等外部载荷的作用，导致螺纹预紧力随着服役时间的增加而逐渐衰退。常采用横向载荷松脱试验机对这一情况进行研究，目前所使用的横向载荷松脱试验机有以下几种：

(1)地脚螺栓实验法

地脚螺栓试验法的原理是将被试零件安装在试验机上，其连接结构类似于地脚螺栓，在试件上做出位置标记，利用试验机的偏心机构给试验螺纹连接副施加机械振动，定时停机记录试件位置变化情况，以连接副相对位置变化的大小来判断试件防松性能的优劣。该试验方法没有实现标准化，没有通用的设备，试验周期长，试验结果不尽如人意，已很少使用。

(2)套筒横向冲击法

将试件拧紧在试验套筒内，并在零件和套筒上做出位置标记，然后将套筒置于振动试验台上作往复运动。开机后，套筒在导槽内往复冲击导槽的两端，产生较大的冲击力，致使试件松动。在试验过程中定时停机记录试件位置变化，并据此判定试件的防松性能。该试验方法利用试件位置的变化来判定防松效果，而且是定时记录，得到不连续的结果，给应用带来不便。

(3)电-液伺服控制式振动法

试验时将被试紧固件拧紧在装夹台架上，并产生规定的预紧力，通过伺服液压缸使被夹紧的两金属板之间产生交变横向位移，导致夹紧力减少，甚至丧失。连续记录夹紧力的瞬时，通过对比判断紧固件的防松性能。

(4)容克振动实验法

容克式松脱试验机主要是通过对加预紧力的紧固件施加交变的横向载荷使之产生横向移动。这种横向移动使螺栓螺母之间相对摇摆，从而导致更大的螺纹接触面微观滑移，使紧固件迅速出现松转。它比以往任何一种试验法都能更快地使紧固件松转。

以上实验方法所用驱动装置的动力来源为电磁驱动或电液伺服驱动，普遍存在动态载荷大、加载精度低等问题，不适于微小横向载荷的加载；另一方面，微小螺栓直径、长度尺寸限制，传统压力垫圈、螺栓集成压电超声等测试技术均难以实现微小螺栓预紧力实时监测。

针对上述情况，本发明提出一种基于压电致动器驱动的并用于微载荷和小载荷的横向载荷松脱试验机。

发明内容

本发明中提出的一种压电驱动式的横向载荷松脱试验机，以解决传统横向载荷松脱试验机载荷大、加载精度低，不适合小型螺栓松脱载荷加载，以及小型紧固件尺寸约束、螺栓预紧力难以实时监测的难题。

本发明技术方案：

一种压电驱动式的小型螺栓横向载荷松脱试验机，采用压电致动器17作为致动力源，将定端适配器3通过螺纹连接安装在压电致动器17的定端；第一定被连接件10-1与压力传感器11通过尾端螺栓12连接在底座13上，第一定被连接件10-1可被替换为第二定被连接件10-2；移动横板16两端安装有石墨润滑铜套；动被连接件8-1通过螺栓连接到移动横板16下侧面，第一动被连接件8-1可被替换为第二动被连接件8-2；石墨润滑铜套分别与第二支撑柱9-1和第三支撑柱9-2配合；弹簧分别套在第二支撑柱9-1和第三支撑柱9-2上部，并且顶在石墨润滑铜套的法兰面上；动被连接件8与定被连接件10通过试件螺栓14连接在一起；第一动被连接件8-1与第一定被连接件10-1间为滑动摩擦，第二动被连接件8-2与第二定被连接件10-2间为滚动摩擦；试件螺栓14在螺栓头部吸附有压电晶片移动式探头15，顶紧螺母2与第一支撑柱4焊接在一起，通过旋转顶紧螺栓1将钢球18顶在顶紧螺栓1与定端适配器3之间；整体结构采用纵向布置式。

所述的压电致动器17为低压柱形压电陶瓷促动器，通过将低压压电陶瓷叠堆封装于内部，可输出压电陶瓷叠堆产生的位移及出力。

所述的钢球18与顶紧螺栓1、定端适配器3均为点接触，压电致动器17只能传递横向载荷，但不能传递剪切或弯曲载荷。

进一步地，通过旋紧顶紧螺栓1可以提供一定预压力，预压力对实验结果没有影响。

进一步地，整个实验装置以移动横板16为界，可以拆分成致动部分和执行部分，两部分可以分别安装和拆卸，提高装配效率。

进一步地，试件螺栓14把动被连接件8-1与定被连接件9-1夹紧，进行普通横向松脱实验。

进一步地，试件螺栓14把动被连接件8-2与定被连接件9-2夹紧，进行快速横向松脱实验。

进一步地，试件螺栓的预紧力采用压电阻抗技术间接测得，完成螺栓预紧力的实时监测。

进一步地，通过在第一支撑柱17、第二支撑柱8-1和第三支撑柱8-2与底座12之间安装不同厚度垫块，可以进行不同尺寸动被连接件和定被连接件的试验。

本发明的有益效果：本发明旨在提出一种试验机结构能够控制载荷大小，该设计用压电致动器控制产生的横向载荷，压力传感器监测实验过程中横向载荷的变化，并采用压电阻抗技术间接测得试验过程中螺栓的实时预紧力。区别于此前存在的横向载荷松脱试验机所用动力来源为电磁驱动或电液伺服驱动，存在动态载荷大、加载精度低等问题，本发明可以提供想要的稳定的横向位移载荷，更适合小型螺栓松脱载荷加载，以及小型紧固件尺寸约束、螺栓预紧力难以实时监测的试验。

附图说明

图1是本发明整体图。

图2是本发明致动部分示意图。

图3是本发明定端适配器示意图。

图4是本发明底座示意图。

图5是本发明滑动摩擦被连接件示意图。

图6是本发明滚动摩擦被连接件示意图。

图中：1顶紧螺栓；2顶紧螺母；3定端适配器；4第一支撑柱；5-1第一M6螺栓；5-2第二M6螺栓；6-1第一石墨润滑铜套；6-2第二石墨润滑铜套；7-1第一弹簧；7-2第二弹簧；8-1第一动被连接件；8-2第二动被连接件；9-1第二支撑柱；9-2第三支撑柱；10-1第一定被连接件；10-2第二定被连接件；11压力传感器；12尾端螺栓；13底座；14试件螺栓；15压电晶片移动式探头；16移动横板；17压电致动器；18钢球；19-1第一M12螺栓；19-2第二M12螺栓；20-1第一M8螺栓；20-2第二M8螺栓；20-3第三M8螺栓；20-4第四M8螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明一种压电驱动式的横向载荷松脱试验机的结构及原理作进一步详细描述。

参照图1，本发明采用压电致动器17作为致动力源，将定端适配器3通过螺纹连接安装在压电致动器17的定端。第一定被连接件10-1与压力传感器11通过尾端螺栓12连接在底座13上，第一定被连接件10-1可被替换为第二定被连接件10-2；移动横板16两端安装有石墨润滑铜套；动被连接件8-1通过螺栓连接到移动横板16下侧面，第一动被连接件8-1可被替换为第二动被连接件8-2；石墨润滑铜套6-1和石墨润滑铜套6-2与第二支撑柱9-1和第三支撑柱9-2分别配合在一起。弹簧7-1和弹簧7-2套在第二支撑柱9-1和第三支撑柱9-2上，并且顶在石墨润滑铜套6-1和石墨润滑铜套6-2法兰面上。动被连接件8与定被连接件10通过试件螺栓14连接在一起。第一动被连接件8-1与第一定被连接件10-1之间为滑动摩擦，第二动被连接件8-2与第二定被连接件10-2之间为滚动摩擦。试件螺栓14在螺栓头部吸附有压电晶片移动式探头15，顶紧螺母2与第一支撑柱4焊接在一起，通过旋转顶紧螺栓1将钢球18顶在顶紧螺栓1与定端适配器3之间。整体结构采用纵向布置式。

参照图1，第一动被连接件8-1与第一定被连接件10-1通过试件螺栓14紧密连接，第一定被连接件10-1与压力传感器11通过尾端螺栓12紧密连接在底座13上。压电致动器17通过推动移动横板16，将横向载荷传递到动被连接件8-1，当这个横向的力载荷传递到第一定被连接件10-1的时候，由压力传感器11将此横向力载荷测量记录下来。当实验改为第二动被连接件8-2和第二定被连接件10-2时，操作过程不变。

参照图1，在压电晶片移动式探头15的压电晶片底部涂抹一定量的耦合剂，然后使其与被测试件表面接触，通过真空吸附装置保证结构在可靠吸附于被测试件表面。试验开始前，对试件螺栓14所受预紧力进行标定,可利用该标定关系曲线,监测所试件螺栓14受预紧力。

参照图2，本发明的致动部分结构示意图。旋转顶紧螺栓1会产生一定的预紧力，这个预紧力会将钢球18顶在顶紧螺栓1和定端适配器3之间，钢球18与顶紧螺栓1和定端适配器3为点接触，压电致动器17只能传递横向载荷，但不能传递剪切或弯曲载荷。

参照图3，本发明定端适配器示意图。定端适配器3加工有球形凹槽，球形凹槽钢和钢球16配合，构成活动结构，只能传递横向载荷。球形凹槽部位进行热处理。