（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的哈克铆钉横向振动试验台设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 哈克铆钉是利用虎克原理生产制造的紧固件哈克铆钉具有联接可靠， 联接强度高，不易松动，铆接时噪音小，劳动强度低，便于操纵和保证铆接 质量等优点，可广泛应用于各种车辆、船舶、航空、建筑结构和机械设备等 领域。 随着哈克铆钉在铁道货车车辆上的应用，哈克铆钉的质量直接影响到了 列车行车的安全。为保证铁路运输的安全，铁道部决定于2 0 0 6 年开始，对使 用在铁道货车车辆上的哈克铆钉的质量进行强制抽检，并指定中国南车集团 眉山车辆厂为哈克铆钉质量定点检验单位。为此，论文设计了哈克铆钉横向 振动试验台，以期作为眉山车辆厂检验哈克铆钉质量的专用设备。 论文结合国内紧固件横向振动试验设备研究现状，根据g b t 1 0 4 3 1 - 1 9 8 9 紧固件横向振动试验方法的规定以及眉山车辆厂的使用要求，提出了哈 克铆钉横向振动试验台的总体设计方案。整个试验台主要由液压伺服作动器、 试验台机架、试验工装、传感器及数据采集处理系统等五部分组成。 试验台机架采用箱体结构，可以增加机架的强度和刚度，方便铆钉的安 装。参照g b t 1 0 4 3 1 - 1 9 8 9 推荐的试验机工装及夹具，设计了本试验台的试 验工装及夹具，以实现g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中规定的试验原理。为了方便对横 向振动的振幅和频率的调整，选择液压伺服作动器为试验台的试验工装进行 加载。测试系统硬件采用压力传感器来测量横向力及夹紧力，位移传感器测 量振动振幅，并基于l a b v l e w 虚拟仪器技术和a c c e s s 数据库技术，开发了测 试系统应用软件，可以实现对传感器信号的采集、处理、存储和实时显示。 采用a c c e s s 数据库技术，对存入数据库中的试验数据进行管理，可方便对历 史试验数据的查询及哈克铆钉质量跟踪，为企业质量管理提供可靠依据。 论文对试验台的动力装置选择、机架结构、试验工装及夹具、测试系统 硬件的构成及软件设计都做了详细说明，并对测试系统硬件进行了精度分析。 在实验室里，通过试验对测试系统软件功能进行了检验。试验结果表明， 本文基于l a b v i e w 平台开发的测试系统软件，实现了数据采集、显示、存储、 查询等基本功能，达到设计目标。 关键词：货车；哈克铆钉；振动试验台；虚拟仪器；l 出v i e w 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t n 砖h u c kr i v e ti saf a s t e n e rb a s e do nt h eh o o k e r p r i n c i p l e t h eh u c kr i v e t h a st r e m e n d o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha si t sr e l i a b i l i t yo fc o n n e c t i v i t y , h i 曲l i n k i n g s 仃e n g t l a ，d i f f i c u l tl o o s e n e s sa n ds m a l lr i v e t i n gn o i s e f u l t h e r n l o l - e , t h eh u e kr i v e t c a l lb ee a s i l ym a n i p u l a t e da n di ta l s oh a sq u a l i f i e df u n c t i o ni nt h eg u a r a n t e et h e q u a l i t yo f r i v e t i n gb e c a u s eo f i t sl o wc h a n c eo f b e i n gl o o s ea n dl o wl a b o ri n t e n s i t y b a s e do na b o v ea d v a n t a g e s ，t h eh u e kr i v e ti sw i d e l yu s e di nv a r i o u st y p e so f v e h i c l e s , s h i p s ，a v i a t i o n s ，a r c h i t e c t u r e s ，m e c h a n i c a le q u i p m e n t sa n do t h e rr e l a t e d 五e l d s a st h eh u c kr i v e ti sb e i n gi m p l e m e n t e dm o r ea n dm o ew i d e l yi nt h er o l l i n g s t o c k , i t sq u a l i t yh a sb e e nt h ed i r e c tf a c t o ra f f e c t i n gt h es a f er u n n i n go ft h et r a i n t oc n s u l 七t h es a f e t yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n , m i n i s t r yo f r a i l w a y sd e c i d e dt h a t t h eq u a l i t yo f t h eh u c kr i v e tu s e di nr o l l i n gs t o c km u s tb ev e r i f i e dw i t h1 1 0l e a s o l l b e f o r ei tw 笛u s e df r o m2 0 0 6 t h ec s rm e i s h a nr o l l i n gs t o c kw o r k sw a s d e s i g n a t e da ss e n t i n e lt e s t i n gu n i t sf o rt h eq u a l i t yo ft h eh u e kr i v e t c o n c e r n i n g t h i s ，t h ep r o j e c to f h u e kr i v e tt r a n s v e r s ev i b r a t i o nt e s tr i gw 雒d e s i g n e di nt h i s t h e s i s ，w h i c hw a ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt e s t i n gt h eq u a l i t yo f t h eh u c kr i v e t a c c o r d i n gt ot h e ( t r a n s v e r s ev i b r a t i o nt e s t i n gm e t h o df o rf a s t e n e r s i n g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9a n dt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fm e i s h a nr o l l i n gs t o c kw o r k s ， t h ep a p e ro f f e r sam e t h o di nd e s i g n i n go fh u e kr i v e tt r a n s v e r s ev i b r a t i o nt e s t r i gc o m b i n i n gt h ed o m e s t i cr e s e a r c hp e r s p e c t i v e t h et e s tr i gi sc o m p o s e do f t l a e h y d r a u l i cs e r y oa c t u a t o r , t h er a c ko ft h et e s tr i g , t h et e s t i n gm a e l a i n et o o l i n ga n d f i x t u r e 。s e n s o r s 觚dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 1 1 1 eb o xs t n l e t u r ew 雒u s e di nt h er a c ko f t h et e s tr i gw h i e l ac a ni n c r e a s et h e s t r e n g t ha n ds t i f f i a e s sa n de a s i l yi n s t a l lt h er i v e t t h ed e s i g no f t h et e s t i n gm a c h i n e t o o l i n ga n df i x t t t r er e f e r r e dt h et e s t i n gm a c h i n et o o l i n ga n df i x t u r ew h i e l aw c t i i i ! r e c o m m e n d e db yt h eg b t 1 0 4 3 1 - 1 9 8 9t oa c h i e v em es p e e i f i e dt e s tt h e o r yi nt h e g b 厂r 1 0 4 3 l 1 9 8 9 t of a c i l i t a t et h ea d j u s u n e a to ft h ev i b r a t i o na m p l i t u d ea n d f r e q u e n c y , h y d r a u l i cs l l c t u a t o rw a su s e d 勰t l a ep i l o tt e s tt o o l i n gf o rl o a d i n g t h eh a r d w a r ei nt h i s m e a s u r i n gs y s t e mu s e dp l c s s u r c 辩蚴t on l c a s u i t h e l l a n s v c l s ef o r c ea n dd a m p i n gf o r c eo ft l a em e a s u r e dh u e kr i v e ta n dc h o s e d i s p l a c e m e n t $ e 1 1 s 0 rf o rv i b r a t i o na m p l i t u d e b a s e do nl a b v i e wv i r t u a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n da c c e s sd a t a b a s et e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e v e l o p e di t s a p p l i c a t i o n s o i t w a r e t h ep r o g r a m sd e s i g n e dc a ne f f e c t i v e l yr e a l i z e d a t a a c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g , d a t as t o r a g ea n dr e a l - t i m ed i s p l a y u s m ga c c e s s d a t a b a s et e c h n o l o g y , t h ed a ma c q u i r e da n ds t o r e di nt h ed a t a b a g ec a nb ef u l l y m a n a g e da 8t of a c i l i t a t et h er e v i e w i n go ft h eh i s t o r yt e s t i n gd a t aa n dt h eq l l a l i t y t r a c k i n go f t h eh u e kr i v e t t h i sc a np r o v i d er e l i a b l eb a s i si nq u a l i t ym a n a g e m e n t f o re n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r , t h e r ea r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tt h ec h o i c eo ft h ep o w e r d e v i c e , t h er a c ko ft h et e s t 耻舀t h et e s t i n gm a c h i n et o o l i n ga n df i x t u r e ，t h e m e t h o do ft h ed e s i g n i n go fm e 硒u r i n gs y s t e mh a r d w a r ea n ds o i t w a r e t h ep a p e r a l s oi m p l e m e n t e dt h ep r e c i s i o na n a l y s i so f t h eh a r d w a r ei nt h i ss y s t e m i nt h el a b o r a t o r y , r e l a t e de x p c r i m e n ti sd o n ef o rf u n c t i o n a lt e s to fs y s t e m s o f l w a l e , t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e md e s i g n e db a s e do nt h el a b v i e w c a l lr e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i o n , d i s p l a y , s t o r a g e ，d a t ai n q u i r i n ga n do t h e rb a s i c f u n c t i o n s it h ew h o l es y s t e ma c h i e v e st h ed u eg o a l so f d e s i g n k e y w o r d s ：r o i l i n gs t o c k ；h u c kr i v e t ；v i b r a t i o n t e s tr i g ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ： l a b v m w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 工具的制造，一直伴随着人类社会的发展。自开始制造工具以来，人类 就面临着联接的问题。解决联接问题的方法之一就是使用紧固件联接。紧固 件是指用于把两个或两个以上的零件或构件联接成一个整体的机械零件。据 出土文物的考证及史料的记载，我国早在春秋战国时期的兵器和车辆上已经 使用了铆接件。可以说，紧固件的使用已经有两千多年的历史了。 1 1 论文选题背景 紧固件在实际使用中，通常用一套或多套紧固件将两个或多个机器零部 件联接和紧固在一起。在使用单套紧固件的条件下，紧固件一旦失效就会出 现机器零部件解体，机器失去功能的现象。在使用多套紧固件情况下，如有 一套紧固件失效，预紧力将由n _ 1 套紧固件承受，则可能殃及未失效的紧固 件，增加整体失效风险，有时还会因此引起偏载，使联接承受更严峻的考验。 在一些关键部位的紧固件联接一旦出现失效，将会带来不可估量的损失 改革开放以来，我国紧固件制造业得到了长足的发展，不仅产品品种和 产量大幅度提升，产品质量也不断提高，紧固件行业发展迅猛，产销两旺， 1 9 9 8 2 0 0 4 年来，年增长率均在1 0 以上国内紧固件需求量从1 9 9 9 年的2 0 亿 美元提升n 2 0 0 4 年的3 7 亿美元。随着我国逐步形成全球制造中心以及国内的 机械工业、汽车工业等行业快速发展，紧固件的需求量仍在快速增长。 另据中国机械通用零部件工业协会统计测算，2 0 0 3 年国内紧固件生产企 业接近7 0 0 0 家，总量达到3 0 0 万吨，占全世界产量的近百分之五十，居世界 之首，近些年的年增幅超过1 5 ，紧固件进出口总额接近l o 亿美元，可以说， 我国己经成为紧固件生产大国l ln 。 在众多的紧固件中，铆钉占有重要的一席铆钉联接是将铆钉穿过被联 接件( 通常为板材或型材) 的预制孔中，再经铆合而成的联接方式，历史相 当悠久，因其具有加工方便，联接力大，结构紧凑，便于装拆，联接可靠等 优点，成为应用最广泛的联接方式。哈克铆钉作为铆钉家族中的一员，有着 更多优点而倍受青睐。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 哈克紧固件( 又称哈克螺栓或哈克拉铆钉) 如图1 - 1 所示，是利用虎克 原理，用哈克专用设备将两个结合件夹紧后，将套入的环状套环( 或称不带 螺纹的螺帽) 的金属挤压并充满到带有多条环状沟槽的栓柱的凹槽内，使套 环与栓柱严密结合的一种紧固方式【2 】。 图卜1 啥克铆钉实物图 哈克铆钉紧固件的联接具有联接可靠，联接强度高，不易松动，铆接时 噪音小，劳动强度低，便于操纵和保证铆接质量等优点外，抗震性特别好， 可广泛应用于各种车辆、船舶、航空、建筑结构和机械设备等领域。 哈克铆钉紧固系统的安装不需转矩或多次冲击，噪声大大降低，也不存 在焊接作业时需要消除烟雾、毒气的问题，最大限度地保障了施工人员的健 康，使施工现场更加安静，轻松，改善了工人的作业环境，降低了劳动强度， 有利于提高工作效率 此外，哈克铆钉紧固件与传统螺栓利用扭力旋转产生紧固力不同。拉铆 钉紧固件利用虎克定律原理，经由拉铆钉专用设备，在单向拉力的作用下， 拉伸栓杆并推挤套环，将内部光滑的套环挤压到螺杆凹槽，使套环和螺栓形 成1 0 0 的结合，产生永久性紧固力。铆钉与被联接件构成整体。不易被破坏， 这样，能起到防盗的作用。 哈克铆钉最早应用于飞机领域，目前全世界每架飞机组装所需的拉铆钉 紧固件占全部紧固件的4 0 以上，先进的大型宽体客机a 3 8 0 上每架使用超过 1 0 0 万个拉铆钉紧固件。在铁路领域如铁路车辆、铁路轨道辙岔装配、拼合接 头、护轨、绝缘接头等，以及桥梁、重型汽车、机械设备、船舶、建筑领域 等项目上都得到了广泛的应用。哈克铆钉紧固件在金属结构工程领域的应用 实例很多，如自1 9 9 7 年以来，哈克铆钉紧固件已经应用于中国的许多工程， 其中包括：上海科技馆、上海a p e c 会议中心、上海植物园( 铝合金空间网架 结构 、北京中国国际贸易中心室内游泳池、北京科技会展中心、大连轻轨 工程等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 0 世纪7 0 年代，哈克铆钉被应用到了美国的铁路车辆上主要应用于心 盘的联接，一直沿用到现在，这从一定程度上证明了拉铆钉紧固件在铁路车 辆上应用的可行性。我国的铁道部科技司也下发了关于颁发( 我国铁路引 进美国哈克紧固件技术的应用试验 科技成果鉴定证书的通知。2 0 0 4 年， 铁道部颁发了铁道货车专用拉铆钉及套环检验办法( 暂行) ( 运装货车 2 0 0 4 1 6 6 号文) ，该检验办法规定了铁道货车专用拉铆钉及铆钉套环的形式与 尺寸、技术要求、包装与质量证明书、安装工具要求、铆钉制造厂家的选择 及质量保证等，这为在我国铁道车辆上采用拉铆钉紧固件提供了支持 在国内，2 0 0 4 年研制成功的c 8 0 型铝合金运煤敞车，首次把哈克铆钉大量 应用于联接。c 8 0 型敞车是我国目前载重量最大、自重最轻的新型铁路货运车 辆，其采用的技术基本代表了我国货车车辆的发展方向。另外，在l a 型和 l b 型组合制动梁、其他铝合金货车、长春庞巴迪项目制造和检修中也已采 用了哈克铆钉紧固件。7 0 t 级新型货车全面采用了拉铆钉紧固件。现2 0 0 0 辆7 0 t 级货车已在大秦铁路投入使用，并在煤炭运输中发挥了良好的作用，经受了 实际运用的考验。 2 0 0 6 年，铁路货车招标采购2 5 万辆货车，其中c 7 0 型敞车2 万辆，c 8 0 b 型敞车3 0 0 0 辆，棚车1 0 0 0 辆，平车1 0 0 0 辆，这些货车上全部采用了哈克铆钉 紧固件。 哈克铆钉紧固件在实际生产中可用于车辆的以下联接：c 7 0 ( c 7 0 h ) 型通 用敞车及p 7 0 ( p 7 0 h ) 型通用棚车的侧梁与侧柱之间、前后从板座与中梁间、 脚凳与侧梁问、下心盘和中梁盖板的联接；转向架立柱磨耗板的安装；前后 从板座的安装；绳栓、扶手、脚蹬、搭扣的安装；冲击座与端梁的联接等。 在车辆进行维修及更换新件时，原安装专用哈克铆钉的部位应重新安装专用 哈克铆钉【埘 随着国民经济的发展，铁路运输在国民经济中的地位也越来越重要。自 1 9 9 7 年4 月，铁路为适应国民经济发展的需要，进行了全国范围内的第一次 大规模的提速，经过近十年的时间，全国铁路展开五次大规模提速。2 0 0 7 年 4 月1 8 日，又实施了第六次大面积提速。第六次提速后，铁路客车运行速度 将超过2 0 0 k m h ，货车运行速度将达到1 2 0 k m h 。 提速后的安全问题，仍是铁路运输的重中之重，首中之首。随着速度的 提高，车辆运行时产生的振动将越来越剧烈，高速运行的车辆在行驶过程中 产生的巨大的振动，对车辆上各部分的铆接件都产生很大的冲击和破坏车 辆的生产质量，仍是影响铁路运输安全的重要因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 应用于铁道货车车辆上的哈克铆钉，由于国内生产厂家繁多，生产出来 的哈克铆钉的质量也参差不齐。据统计，2 0 0 3 年1 1 月，重庆西车辆段共检 修装l b 型组合式制动梁的新造p 6 4 g k 型棚车1 1 辆。该车的闸瓦托及端 头采用一体式精铸件并用哈克铆钉与梁体联接。检修中发现，l l 辆车的4 4 根组合式制动梁端头。其中有一辆车的4 位闸瓦托由于与梁体联接的哈克铆 钉松动造成闸瓦托松动。严重危及行车安全【1 9 1 。 从这份统计资料中可以看出，哈克铆钉的质量，直接影响着铁路的运输 安全。为此，铁道部规定，自2 0 0 6 年起，对应用于铁道货车车辆上的哈克铆 钉，在使用前，必须对其质量进行强制抽验。中国南车集团眉山车辆厂被铁 道部指定为定点进行哈克铆钉质量检验的厂家。 1 2 哈克铆钉试验原理 对于哈克铆钉的质量检验，主要是对其防松性能进行检验。铆接件松动 的主要原因是受到横向载荷作用，故i s o 紧固件振动试验工作组提出了“紧固 件横向振动试验法”，1 9 8 9 年我国又公布了g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 标准，对紧固 件的横向振动试验作了规定。 哈克铆钉横向振动试验台，就是按照g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 紧固件横向振 动试验方法及眉山车辆厂使用要求设计的。 图1 - 2 横向振动试验原理图 试验原理如图1 2 所示。用被测试哈克铆钉把试验工装的动板和定板铆 接起来，使之产生一定的夹紧力，利用液压伺服作动器对试验工装的动板进 行加载，动、定板之间将产生交变横向位移，该横向位移使联接松动，导致 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 夹紧力减小甚至完全丧失。连续记录压力传感器测量的夹紧力的瞬时值，根 据记录数据的对比可以判定铆钉的防松性能。在试验过程中，夹紧力减小越 慢，防松性能越好；反之，夹紧力减小越快，防松性能越差。 1 。3 国内外研究现状 哈克铆钉的质量检验采用横向振动试验方法，按g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 紧 固件横向振动试验方法中有关规定来进行的。主要是根据记录的被检铆钉 的夹紧力瞬时变化来定性判断铆钉的质量。哈克铆钉横向振动试验可以在紧 固件横向振动试验设备上来完成。 2 0 世纪6 0 年代后期，西德的格哈特琼克尔( g e r h a r d h j u n k e r ) 成功的 研制了新型紧固件横向振动试验机，称作琼克尔式振动试验机，如图1 3 所 示j 试验机采用电机带动机械偏心轮带动连接板，从而产生固定周期的横向 振动主体部分采用托板和螺栓联接件。测力部分采用压力传感器进行测量。 图1 - 3 琼克尔振动试验机 琼克尔式振动试验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。这神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。由于横向力直接作用在紧固件上， 可以更快地使紧固件松转。 琼克尔法采用科学的判断方法，它是以紧固件初始预紧力损失8 0 * , 以上 作为判断松动失效的标准。在实验机上装有应变计测力传感器，能精确测出 紧固件的初始预紧力及其损失量，并能自动显示出来。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 随着计算机技术的发展及应用，国外的振动试验机的测量系统也大量采 用相应的计算机技术，来提高测试系统的精度和效率。 目前，国内对紧固件进行横向振动试验，通常采用的试验设备都是参照 g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 所推荐的试验机而设计制造的，试验机的基本结构如图l - 4 所示。采用的是一台三相异步电机提供动力，采用无级变速调控，经多楔带 传送到偏心轮，带动偏心轮旋转。旋转的偏心轮带动连杆，使连杆做水平横 向振动。连杆再带动试验装置做同步振动，从而破坏安装在试验装置上的试 验螺栓的预紧力。 图卜4 试验机基本结构 试验时，试验机通过力传感器将夹紧力转化为电信号，信号经放大传入 二次仪表进行显示，同时传入到笔录仪记录曲线。再由人工对二次仪表进行 某瞬时数据的读取。直至夹紧力丧失到预定数值或达到一定振动次数时停机。 把初始夹紧力值、连续记录的变化夹紧力值以及停机时夹紧力值进行描点连 接成曲线，可以显示出夹紧力变化过程。可以根据曲线的形状判定防松性能， 达到检验哈克铆钉质量的目的。 试验机在试验之前，要在空载条件下开动试验机，调节调速旋扭，进行 预定频率的设定。同时，松开偏心轮锁紧螺钉，调整偏心量使之达到相应的 预定振幅值。振动的频率和幅值的调整很不方便。 。对于信号的记录，采用二次仪表人工读数方式，增加了人为的因素，读 数的结果误差相对较大。 2 0 0 4 年，天津大学的景秀并进行了紧固件横向振动试验台的研制【3 1 。其 研制的紧固件横向振动试验台的仪器设备主要包括试验机主体、电动机、电 阻应变仪及调频器等部分。该试验台以y 8 0 1 - - 4 电动机为动力，调频器用于调 节交流电动机的转速，即可以改变试验条件。电阻应变仪与传感器相连，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 随时测量被试螺栓的变形量。 试验台的基本组成原理如图1 - 5 所示。它大体相当于一个曲柄滑块机构。 曲柄1 是通过安装在电动机轴上的一个偏心轴的偏心距来实现的。“滑块”则是 由下托板3 、上托板4 、滚珠8 、传感器部件9 等，通过拧紧被试螺栓7 和螺母5 、 6 联接而成。试验中，电动机通过曲柄1 、连杆2 带动该“滑块”作往复移动，从 而实现被测紧固件的横向振动。试验中，由下托板、传感器部件等所产生的 惯性力，作为横向交变载荷，直接作用于被试紧固件上，使上、下托板之间 产生横向交变位移，并导致紧固件夹紧力减小，直至丧失。滚珠8 和直线轴承 l o 的作用是为了减小在相对运动过程中的摩擦阻力。传感器部件9 通过与电阻 应变仪相连，可以试验过程中随时检测螺纹紧固件的应变值。 1 曲柄；2 连杆；3 下托扳；4 上托扳：5 下螺母；6 上螺母： 7 试验螺栓；8 滚珠；9 传感器部件；1 0 直线轴承；1 l 机架 图1 - 5 试验台原理图 试验台试件装夹与测试系统如图卜6 所示。它主要由上托板1 、滚珠3 、 下托板4 、衬套5 和弹性套6 等组成，试验前，用被试紧固件2 ( 螺栓和螺母) 将其按图1 - 6 所示方式进行联接，并使之具有一定的预紧力。 ， 田 i，7 i 、 铂f j i山 乒撼 j 融i 1 上托板；2 被测紧固件；3 滚珠；4 下托板； 5 衬套；6 弹性套；7 保持架；8 电阻应变片 图1 - 6 试件装夹及测试系统 试验台测试系统由测力传感器及电阻应变仪构成。测力传感器是由弹性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 套6 和贴在其薄壁部位的电阻应变片8 构成。弹性套既是测力传感器的组成 部分，也是试件装夹系统的组成部分。试验螺栓在拧紧状态下，在夹紧力的 作用下，弹性套和试验螺栓同时伸长，弹性套的伸长变形使电阻应变片的阻 值发生改变，通过电阻应变仪可读出其相应的应变值用这种方法，能够测 量被试紧固件的初始预紧力，同时，在试验过程中，也可以随时检测被试紧 固件的剩余预紧力。 试验台保持架采用如图1 - 7 所示结构。采用圆盘形，其中央也直径略大 于试验螺栓的直径，便于螺栓的装拆，周边均匀分布有多个小孔，用于容纳 滚珠。保持架的作用主要是聚扰滚珠形成一个轴承，使滚珠在运动中保持一 致性。 圈卜7 保持架结构示意图 以上介绍可以看出，试验台以y 8 0 1 4 电动机为动力，测试系统由测力 传感器及电阻应变仪构成。除了对保持架重新设计之外，基本是参照 g b l 4 0 3 1 8 9 中推荐的紧固件横向振动试验机而设计。 2 0 0 2 年，武汉科技大学的刘白雁提出了紧固件横向振动试验台液压动力 机构设计方案【4 】。在对紧固件承受横向冲击或交变载荷时进行动力学分析的 基础上，对紧固件横向振动试验台在油源功率受限的条件下的液压动力机构 的设计问题，提出了有效的解决方案。 文献针对现有的横向振动试验台的横向振动动力主要是采用电机及相应 的机械装置直接提供，试验台对于振动幅值、频率、波形的调整都十分不便。 提出了试验台采用伺服阀控液压缸作为系统的动力机构，并用计算机进行控 制。试验台的横向振动系统的动力学模型如图卜8 所示。 图1 - 8 中州为动力机构的等效运动质量，瞄为试件( 主要是螺栓) 的等效 刚度，为试件的等效运动质量，斥为试件( 螺栓螺母副) 的预紧力，后为 与试件横向振动有关的滚动摩接力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图i - 8 横向振动试验系统的动力学模型 设系统的指令信号为正弦波，由图1 8 可得动力机构的负载力平衡方程； 彳，只- = r a a + f $ + e ( 卜1 ) f 墨+ s 酬u ) 饥一) ) e = t y os ( 2 h o - y o ) ) n u o u y o - 2 h o ) ) n d o ) ， ( 卜2 ) k es g n ( v ) + m 0 4 其它 式中：。一d 廊y a d 廊2 y ：- ；巧为螺母端面与接触面间的摩擦系数；| i o 为试 件由弹性变形转为滑动的分界点，且 h o = k k ， ( 卜3 ) 若m 振动的幅值 _ j 1 0 ，式( 卜2 ) 即可写为： = k y o ( 卜4 ) 根据负载力平衡方程，提出了液压伺服作动器设计，确定伺服阀的额定 流量。在保证系统有足够的拖动能力的前提下，尽量减少阀的最大负载流量， 从而降低系统对油源功率的要求，并采用双阎并联来解决阀的空载流量较大， 影响系统频宽的问题。 1 9 9 8 年，湖北汽车工业学院赵国华研制的紧固件横向振动试验台如图l 啕所 示，采用伺服阀控液压缸作为系统的动力机构，并用计算机进行控制嘲 试验时将被试紧固件拧紧在装夹台架上，并产生规定的夹紧力，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，导致夹紧力减小。直 至丧失。连续记录夹紧力的瞬时值，通过对比判定紧固件的防松性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图l - 9 电一液伺服微机控制式试验台结构 文献同时对试验台机械部分的力学分析进行了介绍。包括螺栓受力变形 分析、锥垫受力分析，拖板受力分析、弹性传力部件受力分析根据各部分 受力分析，给出振动方程，并根据振动方程建立了振动模型。 2 0 0 1 年，石家庄铁道学院沈英明提出了螺纹联接防松性能的一种测试与 评价新方法【7 】。在分析螺纹联接松动原因基础上，提出了一种新的螺纹联接 防松性能测试方法，该测试方法主要由两部分组成：自锁摩擦力矩测试和动态 防松性能对比测试。 文献针对g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 规定的试验设备所存在的缺点，提出了一种 新的动态测试方法，该方法采用螺栓组试验台和高频疲劳试验机等设备的组 合使用来代替现有的振动试验机，如图1 1 0 所示，称其为组合式振动试验机。 图1 - 1 0 组合式试验台 螺纹联接的防松性能通常采用的是对比法，利用组合式振动试验机来代 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 替琼克尔试验机对不同螺纹联接方式的防松性能进行对比测试。把要进行防 松性能对比测试的螺纹联接安装在螺栓组试验台对称的两侧，并用相同预紧 力进行预紧，然后根据实际情况选择振动频率，对螺栓组试验台进行激振。 随着振动次数积累，螺栓组试验台相对两侧的螺纹联接预紧力会减小，预紧 力减小过程可以利用应变片和静态应变仪进行适时跟踪测试，通过测量在不 同振动次数下预紧力的损失量或测试预紧力损失到一定值前( 如损失量为初 始预紧力的5 0 ) ，所需的振动次数来对螺纹联接的动态防松性能作出评价。 该组合式振动试验机能采用不同频率对螺纹联接进行对比试验测试，从 而有效模拟实际应用情况，且因为不同螺纹联接安装在螺栓组试验台两侧， 所以能保证作对比的两个螺纹联接具有相同的测试条件，所得到测试数据更 准确。， 1 9 9 8 年，东风汽车公司为提高紧固件质量研制了一台液压振动试验m 厶 6 1 。 试验台采用p a s c a l 语言和面向对象的程序设计方法，开发了液压振动试验 台的管理系统软件。试验台可以做以下三组试验：回转体紧固件的横向振动 试验、轴向疲劳试验及紧固件的防松动试验。 试验台的应用程序系统的设计，采用p a s c a l 中t u r b ov i s i o n 应用环 境。应用程序主要工作集中在对所要发出的或要接受的信息进行排序和管理。 在运行窗口，可实现检测信号的在线显示，用户也可以通过人机界面模块， 通过改变标志位的方法，改变系统的运行状态。 系统采用w i n d o w s 程序设计方法，开发应用程序主要工作集中在对所要 发出的或要接受的信息进行排序和管理。其管理系统软件采用了面向对象的 设计方法。 采用p a s c a l 语言，对数据进行管理，系统开发起来比较烦琐，升级也 比较麻烦。 2 0 0 5 年，合肥工业大学的李维荣对g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中推荐的试验机的 测试系统进行了改造 4 9 1 。重新设计制作了电源、数据采集单元，加配计算机 系统，改善数据采集速率和数据量，实现控制、数据采集、数据处理和打印 报告的自动化。 数据采集系统的硬件包括传感器、信号放大器、数据采集卡。压力传感 器仍使用原机配备的应变片式力传感器，位移传感器采用电容式位移传感器； 信号放大器采用武汉力源单片机技术研究所f l 自c o n - 4 信号调节器；数据采集 卡选用研华公司生产的p c l 7 1 l b 型p c 数据采集卡。 测试系统软件在w i n d o w ，系统下开发，选用b o r l a n d 公司的d e l p h i 7 作为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 软件开发平台测试软件主要包括：参数设定模块、试验控制模块、数据采集 模块、数据处理模块、数据输出模块和辅助模块等。可以完成试验参数的测 量、显示、输出等功能。 中国南车集团眉山车辆厂目前对哈克铆钉质量进行检验主要是委托专门 的检验部门采用简易的试验装置( 如图1 1 1 所示) 对哈克铆钉的质量进行检 验。 该简易的试验装置将试验工装安装在通用疲劳试验台的龙门架的两立柱 之间，采用作用力为6 0 0 k s 的液压伺服作动器对简易试验装置的铆钉工装进 行加载。 4 8 订工冀盛传韶 ；乏k 一 ， 。、凸、 ， ， ， 图卜1 1 简易试验装置 由于是在疲劳试验台龙门架上安装试验工装，所以，每次检验铆钉时都 必须对试验工装进行一次装卸，非常的繁琐中国南车集团眉山车辆厂目前 没有专用设备来对哈克铆钉质量进行检验，所以急切需要设计制造专用设备 对哈克铆钉的质量的进行检验论文即在此背景下，受眉山车辆厂委托，设 计哈克铆钉专用试验台，以便对哈克铆钉质量进行检验对于保证车辆制造 质量和运行安全具有重要意义 1 4 本文主要研究内容 综合国内外紧固件横向振动试验设备的研究现状及g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 有 关紧固件横向振动试验的规定，本文认为一台比较理想的紧固件横向振动试 验设备应当具备以下几方面功能及特点： 1 ) 试验台必须满足g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中关于振动试验原理及试验条件 的要求； 西南交通大学硕士研究生学位论文、第1 3 页 2 ) 为了方便对横向振动的振幅和频率的调整，试验台可以采用液压伺服 作动器为试验台的试验工装进行加载； 3 ) 试验工装可以采用g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 推荐的试验机的工装结构； 4 ) 为了保证振动试验的精度要求及试验件安装的方便，试验台机架可以 采用箱体结构； 5 ) 测试系统硬件采用压力传感器来测量横向力及夹紧力、位移传感器测 量振动振幅，通过数据采集卡对传感器产生的信号进行采集； 6 ) 测试系统软件应该具有良好的人机交互界面，能对测试信号进行实时 显示及分析另外，从国内紧固件横向振动试验设备研究现状来看，紧固件 横向振动设备尚未具备对试验数据进行数据库管理功能。采用数据库对试验 数据进行管理，可方便试验结果的查询和对哈克铆钉进行质量跟踪，为企业 质量管理提供真实可靠的依据。 基于以上分析，论文根据g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 标准和眉山车辆厂实际要求， 设计了相应的哈克铆钉横向振动试验台。论文工作具体包括： ( 1 ) 根据g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 紧固件横向振动试验方法，提出哈克铆 钉横向振动试验台的总体方案。包括试验台动力装置选择、试验台机架结构 设计、试验台工装及夹具的设计、试验台测试系统设计： ( 2 ) 选择液压伺服作动器为试验台的试验工装进行加载； ( 3 ) 为了增加机架的强度和刚度，方便铆钉的安装，试验台机架采用箱 体结构，并对箱体进行了强度及刚度分析： ( 4 ) 采用虚拟仪器及a c c e s s 数据库技术，利用l a b v i e w 软件进行测 试系统应用程序的开发。包括对传感器信号进行实时采集、处理和显示，并 把试验结果存储到a c c e s s 数据库中； ( 5 ) 试验数据采用数据库进行管理，可以对历史数据进行查询、显示和 分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。第1 4 页 第2 章试验台总体设计方案 哈克铆钉横向振动试验可以在哈克铆钉横向振动试验台上完成，试验必 须满足g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中规定的关于紧固件横向振动试验的试验条件。 g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 紧固件横向振动试验方法中关于试验条件的规定 如下： 振动波形：正弦波 振动振幅：士2 m m ： 振动频率：1 2 5 h z ； 设备精度： 夹紧力测量误差在士3 以内； 横向力测量误差在士3 以内； 横向位移测量误差在士1 以内，即横向位移最大误差值为士0 0 2 m m 2 1 试验台总体方案 根据g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中关于横向振动试验条件的规定，结合国内紧固 件横向振动试验设备研究现状，本文认为哈克铆钉横向振动试验台应该具备 以下功能：试验台满足g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 中关于振动试验的原理及条件的规 定、横向振动的振幅及频率方便调整、试验工件方便装卸、试验结果采用数 据库管理模式 综上所述，本文提出的哈克铆钉横向振动试验台的总体设计方案为： ( 1 ) 试验台通过液压伺服作动器为试验台的试验工装进行加载，方便对 振动频率和振幅的调整； ，( 2 ) 试验台机架采用箱体结构，增加机架的强度和刚度，方便被测铆钉 的安装； ( 3 ) 试验工装及夹具参照测g b t 1 0 4 3 1 1 9 8 9 推荐的试验工装及夹具 设计的； ” ( 4 ) 测试系统硬件采用压力传感嚣来测量横向力及夹紧力、位移传感器 测量振动振幅、通过数据采集卡对传感器产生的信号进行采集； ( 5 ) 测试系统应用软件采用踟v m w 进行开发并利用了a c c e s s 数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 库技术。实现对数据采集卡采集的压力及位移信号进行实时显示及分析，并 把采集的数据存入a c c e s s 数据库中； ( 6 ) 对试验结果进行数据库管理，可方便对检定记录的查询及对哈克铆 钉进行质量跟踪，为企业质量管理提供可靠依据。 2 2 试验台基本构成 试验台基本构成如图2 1 所示。试验台主要包括：对振动试验工装进行 加载的液压伺服作动器、支撑试验工装及承受动力加载的长方体试验台机架、 安装被测铆钉的试验工装、传感器、数据采集卡以及采集和处理信号p c 机等 五部分组成。 图2 - 1 试验台基本构成 试验时，将被测铆钉铆接在装有压力传感器的试验工装上。试验工装安 装在液压伺服作动器活塞杠与试验台机架之间