复杂载荷下螺栓连接松动实验装置

1.本发明涉及一种用于复杂载荷下螺栓连接松动的实验装置，属于螺栓连接可靠性测试技术领域。


背景技术：

2.钛合金等金属材料和碳纤维复合材料由于优秀的性能被广泛运用于航空航天等领域，比如飞机中就存在大量的通过混合螺栓连接复合材料与金属的器件。螺栓连接具有易于拆卸、更换、成本低的优点，但是复合材料与金属之间的螺栓连接在使用一段时间后，混合螺栓连接部位会存在松动、松脱现象。当飞机改变飞行状态时，不稳定的气流以及关节轴承等处产生的磨损，会导致被连接件的螺栓连接结构处在复杂的振动环境下，此时混合螺栓受到不同方向的循环载荷，而这种循环载荷正是导致螺栓松动的重要原因。
3.为了掌握螺栓连接的松动情况，通常通过紧固件松动试验台对螺栓连接进行测试实验，然而目前的紧固件松动试验台大多针对紧固件本身，没有考虑被连接件材料特性对松动的影响，且大多集中于单种、简单的载荷对于松动行为的影响，与航空航天等领域的螺栓松动的实际情况不相符。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种能够模拟螺栓在工作时的实际情况，从而对复杂载荷下螺栓连接松动情况进行实验的装置。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，所述试件包括第一板材、第二板材以及用于固定连接第一板材、第二板材的螺栓组，所述螺栓组由成对使用的螺栓和螺母组成，所述螺栓组位于试件的中部并用于连接固定第一板材、第二板材的一端，所述第一板材、第二板材的另一端分居螺栓组的两侧；所述试件松动实验装置包括支架、横向加载装置和竖向加载装置；所述横向加载装置包括水平设置在支架上的两个第一作动筒，两个第一作动筒分别位于试件的两端，用于夹住试件并向试件施加横向载荷；所述竖向加载装置包括安装在支架上的第二作动筒以及用于固定试件的载荷夹具，所述第二作动筒用于向载荷夹具施加竖向载荷；所述螺栓组与试件之间设有压力传感器，用于测量试件所受的压力；所述螺栓组上安装有角度传感器，用于测量螺栓组的扭转角度。
6.本发明通过设置横向加载装置和竖向加载装置，可以针对两种载荷下螺栓连接部位存在的松动和松脱现象进行试验，相比于单种简单的载荷的情况下的实验更加符合螺栓在工作时的实际情况。所述横向加载装置和竖向加载装置均采作动筒提供动力，不但可以对螺栓组施加有规律的振动载荷，也可以通过控制第一、第二作动筒来施加随机的振动载荷，因此能够模拟螺栓在工作时的各种工况。
7.本发明通过压力传感器和角度传感器所测量的预紧力变化和螺栓组转动角度来
衡量螺栓结构松动的情况，即本发明考虑了被连接件材料特性对松动的影响，这样就克服了现有技术中仅针对紧固件本身进行实验的缺陷，更加符合航空航天等领域的螺栓松动的实际情况。
8.本发明通过改变试件结构加载方式等实验条件，可以测出不同材料的连接件以及不同工况下的螺栓结构松动情况，比如可以模拟飞机中螺栓连接结构在受双向载荷下的受力状态，分析一向静载，一向振动的受力状态下的松动状况，以及双向振动的受力状态下的松动状况，还可以通过使加载偏心，分析弯矩对松动状况的影响，从而根据大量试验数据总结归纳出规律性的结论，最终通过大量数据总结得出不同的连接结构在不同受载情况下的防松寿命，为飞机设计人员提供更全面的数据支撑。
附图说明
9.下面结合附图对本发明作进一步说明。
10.图1是本发明实施例的结构示意图。
11.图2是栽荷夹具的示意图。
12.图3是试件的示意图。
13.图4是角度传感器夹具的示意图。
14.图5是螺栓组与角度传感器的连接示意图。
15.附图标记：1、支架；2、竖向加载装置；3、横向加载装置；4、载荷夹具；5、角度传感器；6、观测结构；7、压力传感器；8、试件；9、第二板材；10、螺栓；11、第一附板；12、第一板材；13、垫圈；14、螺母；15、角度传感器夹具；16、角度传感器定位连接结构；17、螺母定位连接结构；18、垫片；19、角度传感器接线口；20、第二附板；21、连接贴片。
具体实施方式实施例
16.如图1和图3所示，本实施例采用的试件8，包括第一板材9、第二板材12以及用于固定连接第一板材9、第二板材12的螺栓组，所述螺栓组由成对使用的螺栓10和螺母14组成，所述螺栓组位于试件的中部并用于连接固定第一板材9、第二板材12的一端，所述第一板材12、第二板材9的另一端分居螺栓组的两侧，这样试件在横向加载装置施压时，第一板材12、第二板材9均受到横向载荷，更加符合航空航天等领域的螺栓工作的实际情况。
17.为了更好的反映航空航天等领域的螺栓实际工况，本实施例中第一板材12优选采用金属板材，第二板材9优选采用复合板材。
18.本实施例的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，如图1所示，包括支架1、横向加载装置3和竖向加载装置2。
19.所述横向加载装置3包括水平设置在支架1上的两个第一作动筒，两个第一作动筒分别位于试件8的两端，用于夹住试件8并向试件8施加横向载荷。
20.如图1-图4所示，所述竖向加载装置2包括安装在支架1上的第二作动筒以及用于固定试件8的载荷夹具4，所述第二作动筒用于向载荷夹具4施加竖向载荷。通常来说，金属板材对实验影响较小，因此本实施例通过在第一板材12上钻孔，利用螺栓螺母实现载荷夹
具4与试件8的固定。
21.所述螺栓组与试件8之间设有压力传感器7，用于测量试件8所受的压力；所述螺栓组上安装有角度传感器5，用于测量螺栓组的扭转角度。优选的，如图5所示，所述角度传感器通过连接贴片21安装在螺栓组上，所述连接贴片21的一端与角度传感器固接，另一端与螺栓组的螺栓顶部固接，测得螺栓的转角变化，利用角度传感器接线口19将测量数据传送至后台计算机。连接贴片21用于调整由于不同型号螺栓长度变化导致的螺栓底部到角度传感器距离的变化，保证可以将螺栓与角度传感器连接起来，提高试验装置的通用性。
22.为了便于观察和测量螺栓组的扭转角度变化情况，优选的，如图1、图2和图4所示，本实施例中所述螺栓组固接有角度传感器夹具15，所述角度传感器夹具15具有与所述角度传感器5相匹配的角度传感器定位连接结构16。如图3和图4所示，角度传感器夹具15包括顶部壁板、底部壁板和侧板，所述侧板分别与顶部壁板、底部壁板固接，所述底部壁板通过螺母定位连接结构17与螺栓组的螺母14固接，所述角度传感器定位连接结构16设置在顶部壁板上，角度传感器定位连接结构16通过中间大孔定位角度传感器，通过小孔连接角度传感器。所述螺栓组的螺母与试件之间设有垫片18，从而可以实现根据实际结构要求，调节高度，更符合螺栓连接的实际情况。
23.所述角度传感器夹具15、角度传感器定位连接结构16、螺母定位连接结构17共同构成了便于观察螺栓组角度变化的观测结构6。
24.本实施例还可以作以下改进：所述第一板材12和第二板材9上分别设有第一附板11和第二附板20，所述第一附板11、第二附板20分别与第一板材12、第二板材9相贴合，所述第一板材、第一附板的厚度之和与第二板材、第二附板的厚度之和相等。第一附板和第二附板用于保证第一板材与第二板材的厚度一致，防止作动筒加紧后，由于板材厚度不一致引入的附加弯矩，提高了实验装置的准确性和可靠性。
25.本实施例可以实时监测试验过程中的预紧力和螺栓螺母间的旋转角度，尤其适用于凸头螺栓、沉头螺栓、盲紧固件、高锁紧固件等多种飞机中使用的紧固件种类，并可通过调整连接贴片的厚度从而可以针对不同长度的螺栓进行试验。

技术特征：
1.一种复杂载荷下螺栓连接的试件松动实验装置，所述试件包括第一板材、第二板材以及用于固定连接第一板材、第二板材的螺栓组，所述螺栓组由成对使用的螺栓和螺母组成，所述螺栓组位于试件的中部并用于连接固定第一板材、第二板材的一端，所述第一板材、第二板材的另一端分居螺栓组的两侧；其特征在于：所述试件松动实验装置包括支架、横向加载装置和竖向加载装置；所述横向加载装置包括水平设置在支架上的两个第一作动筒，两个第一作动筒分别位于试件的两端，用于夹住试件并向试件施加横向载荷；所述竖向加载装置包括安装在支架上的第二作动筒以及用于固定试件的载荷夹具，所述第二作动筒用于向载荷夹具施加竖向载荷；所述螺栓组与试件之间设有压力传感器，用于测量试件所受的压力；所述螺栓组上安装有角度传感器，用于测量螺栓组的扭转角度。2.根据权利要求1所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述第一板材为金属板材，所述第二板材为复合材料板材，所述载荷夹具通过螺栓连接固定在第一板材上。3.根据权利要求1所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述螺栓组固接有角度传感器夹具，所述角度传感器夹具具有与所述角度传感器相匹配的定位连接结构。4.根据权利要求3所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述角度传感器夹具包括顶部壁板、底部壁板和侧板，所述侧板分别与顶部壁板、底部壁板固接，所述底部壁板与螺栓组的螺母固接，所述定位连接结构设置在顶部壁板上。5.根据权利要求1所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述第一板材和第二板材上分别设有第一附板和第二附板，所述第一附板、第二附板分别与第一板材、第二板材相贴合，所述第一板材、第一附板的厚度之和与第二板材、第二附板的厚度之和相等。6.根据权利要求1所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述螺栓组的螺母与试件之间设有垫片。7.根据权利要求1所述的复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，其特征在于：所述角度传感器通过连接贴片安装在螺栓组上，所述连接贴片的一端与角度传感器固接，另一端与螺栓组的螺栓顶部固接。

技术总结
本发明涉及一种复杂载荷下螺栓连接松动实验装置，所述试件包括第一板材、第二板材以及用于固定连接第一板材、第二板材的螺栓组，所述螺栓组由成对使用的螺栓和螺母组成，所述螺栓组位于试件的中部并用于连接固定第一板材、第二板材的一端，所述第一板材、第二板材的另一端分居螺栓组的两侧；所述试件松动实验装置包括支架、横向加载装置和竖向加载装置；所述螺栓组与试件之间设有压力传感器，所述螺栓组上安装有角度传感器。本发明能够模拟螺栓在工作时的实际情况，从而对复杂载荷下螺栓连接松动情况进行实验。松动情况进行实验。松动情况进行实验。


技术研发人员：杨浩然 安鲁陵 陈序 周来水 赵聪 岳烜德
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8