本發(fā)明涉及振動疲勞實驗，尤其涉及一種振動實驗夾具的預緊力自動保持方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在航空航天等高端裝備制造領(lǐng)域，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展與應用場景的日益嚴苛，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性與耐久性的要求達到了前所未有的高度。振動疲勞測試及實驗研究是確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性與耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性愈發(fā)凸顯。進行此類實驗時，振動實驗臺創(chuàng)造特定振動環(huán)境模擬實際工況，夾具作為橋梁連接著實驗件與振動實驗臺，傳遞振動載荷并確保實驗件能夠準確、穩(wěn)定地響應振動實驗臺的激勵，進而獲取精確且可靠的實驗數(shù)據(jù)。

2、在使用夾具來夾持實驗件安裝在振動實驗臺上的過程中，預緊力的有效保持是極為關(guān)鍵的因素。當實驗件處于被夾持狀態(tài)下時，預緊力的穩(wěn)定性能夠保證實驗件與夾具的始終緊密連接，使實驗件在長時間、高強度的振動過程中，其受力狀態(tài)始終穩(wěn)定且可預測，以保障實驗件夾持狀態(tài)下的固有頻率穩(wěn)定，提高振動疲勞實驗的準確性。

3、然而，現(xiàn)有的振動實驗臺夾具緊固方案在實際使用過程中暴露出了一系列亟待解決的問題，如圖1為現(xiàn)有典型的振動實驗臺及夾具的緊固方案示意圖，首先使用普通螺栓17將夾具(放大圖ⅰ)安裝在振動實驗臺12上，振動實驗件11的夾持段被置于上夾具9與下夾具10之間，通過如放大圖ⅱ所示的緊固方式，利用墊片13和彈簧墊圈14，依靠壓力、摩擦和形變產(chǎn)生阻力矩來增強防松效果。這種方式存在諸多弊端：一方面，影響其防松效果的因素眾多且復雜，嚴重限制了其防松能力，當系統(tǒng)經(jīng)歷長時間振動后，容易引發(fā)漲圈和松脫等風險；還有，當實驗件在長時間夾持下產(chǎn)生塑性形變時，也會導致夾持力的降低；另一方面，人工施加扭矩的方式難以精準把控預緊力的大小，這就導致無法確保每次實驗中振動實驗件11所承受的夾持力都能處于理想狀態(tài)，從而在實驗的起始階段便埋下了誤差的隱患；再者，在完成振動疲勞測試后的拆卸過程中，不可避免地會對彈簧墊圈14和普通螺栓17頭部造成損傷，使得它們在再次使用時的防松效果大打折扣，極大地降低了使用壽命和可靠性，增加了實驗成本與時間成本；尤為關(guān)鍵的是，現(xiàn)有的緊固方法缺乏對預緊力的自動保持和實時監(jiān)測功能。在振動實驗持續(xù)進行的過程中，盡管預緊力在初始階段或許能夠滿足基本要求，但在振動載荷的長期、持續(xù)作用下，受到連接部位磨損等因素的影響，預緊力必然會減小。依賴人工定期檢查與手動調(diào)整的傳統(tǒng)模式，存在著明顯的滯后性與不準確性，無法及時、有效地應對上述預緊力和夾持力的變化，進而嚴重影響了測試結(jié)果的準確性，難以滿足當下高端裝備制造領(lǐng)域?qū)τ诟呔?、高可靠性實驗?shù)據(jù)的迫切需求。

4、因此，增強振動疲勞實驗中緊固方式的防松效果，始終精準控制緊固裝置預緊力的大小、提高其壽命和可靠性、實現(xiàn)預緊力的自動保持和實時監(jiān)測是提高振動疲勞實驗的準確性的關(guān)鍵一環(huán)，本發(fā)明則提供了一種全新的緊固方法和配套工具對此加以解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有振動疲勞實驗中緊固方法在防松方面的不足，本發(fā)明提供一種振動實驗夾具的預緊力自動保持方法及其系統(tǒng)對此加以解決，采用如下技術(shù)方案：

2、一種振動實驗夾具的預緊力自動保持系統(tǒng)，包括預緊力自動保持裝置和拆卸裝置。下夾具安裝于振動實驗臺，采用普通螺栓進行緊固，并使用墊片和彈簧墊圈進行防松。上夾具和下夾具通過帶孔螺栓提供足夠的夾持力，將振動實驗件夾緊。

3、預緊力自動保持裝置包括帶孔螺栓、下芯、上芯、外殼、發(fā)條、彈簧、銷、墊片和拉力實時反饋裝置。其中，帶孔螺栓是預緊力自動保持裝置應用于振動臺夾具的基礎(chǔ)，通過與預緊力自動保持裝置的配合使用，代替原有方案中的彈簧墊圈和普通螺栓；下芯和上芯是預緊力自動保持裝置的核心部件，二者配合形成單向驅(qū)動裝置，將擰緊力矩傳遞給帶孔螺栓；外殼為內(nèi)部部件提供必要的支撐和保護，確保裝置的完整性；發(fā)條作為勢能存儲裝置，是保持預緊力的主要部件；彈簧為上芯提供向下的壓力，實現(xiàn)棘輪的正確配合；銷為軸向固定部件，確保裝置在振動過程中的穩(wěn)定性，防止因振動導致的部件軸向位移和脫出；拉力實時反饋裝置是一個拉力測量工具，例如通過對標準件的彈性變形的測量來計算得到拉力，主要作用是反應預緊力自動保持裝置對帶孔螺栓施加的實時扭矩t。

4、帶孔螺栓包括螺栓六角頭，在其螺栓六角頭位置有連接孔一，為貫穿螺栓六角頭的圓柱形通孔，與銷配合完成與預緊力自動保持裝置的連接。帶孔螺栓的螺桿穿過上夾具的安裝孔，其表面外螺紋與下夾具孔中的內(nèi)螺紋配合，通過帶孔螺栓將上夾具和下夾具連接起來，帶孔螺栓的螺栓六角頭為上夾具施加向下的壓力，又進一步傳遞到振動實驗件上，各帶孔螺栓對振動實驗件施加的合力即為總預緊力，從而實現(xiàn)夾具對振動實驗件的夾持。

5、下芯包括下芯棘輪盤、內(nèi)六角凹坑、連接孔二和墊片空間。下芯棘輪盤為圓盤狀，在其上表面分布呈現(xiàn)周向陣列的棘齒，齒兩面分別為豎直面和斜面，且斜面傾斜方向與帶孔螺栓的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，主要用于與上芯配合形成單向驅(qū)動裝置，以及能夠脫開而卸去擰緊力。內(nèi)六角凹坑與螺栓六角頭外型尺寸相同或略大，從而與帶孔螺栓進行配合，保障擰緊力矩的傳遞，確保了裝置連接的穩(wěn)定性。連接孔二的直徑與連接孔一相同，安裝時二者對齊，使銷貫穿而完成配合。墊片空間主要為帶孔螺栓所使用的墊片提供安裝空間，避免干涉。

6、上芯包括上芯棘輪盤、六棱軸和環(huán)形拆卸槽。其中上芯棘輪盤為圓盤狀，在其下表面分布呈現(xiàn)周向陣列的棘齒，齒兩面分別為豎直面和斜面，且斜面傾斜方向與帶孔螺栓的螺紋旋轉(zhuǎn)方向相同，主要用于與下芯配合形成單向驅(qū)動裝置。下芯棘輪盤與上芯棘輪盤的棘齒除方向相反外，齒數(shù)和齒形等其余參數(shù)均相同。六棱軸與上芯棘輪盤相連，與發(fā)條、彈簧和外殼進行配合，使用扳手通過六棱軸為上芯提供擰緊力矩。環(huán)形拆卸槽位于六棱軸上部，使用拆卸裝置提供向上的拉力壓縮彈簧使得上芯向上移動并使棘輪分離，可以解除自鎖狀態(tài)。

7、外殼包括殼體、發(fā)條腔、棘輪腔、發(fā)條安裝孔和連接孔三。其中殼體為中空的圓柱體，用于包裹所有內(nèi)部部件，起到固定和保護作用。發(fā)條腔為圓柱形空腔，位于外殼上部，為六角孔芯和纏繞于六角孔芯的發(fā)條片提供安裝空間。在發(fā)條腔側(cè)面的發(fā)條安裝孔為扇形孔，用于將發(fā)條其中一端的六角孔芯安裝進發(fā)條腔。棘輪腔為圓柱形空腔，位于外殼下部，為下芯、上芯和彈簧提供安裝空間。連接孔三位于外殼底部，為一系列呈周向陣列分布的圓孔，直徑與連接孔二和連接孔一相同。安裝時挑選其中一個連接孔三與連接孔二和連接孔一對齊，用于安裝銷，并保證發(fā)條安裝孔朝向?qū)?cè)的預緊力自動保持裝置。外殼內(nèi)孔一位于發(fā)條腔和棘輪腔中間，貫通兩腔，外殼內(nèi)孔二位于發(fā)條腔上部中心，并于外殼內(nèi)孔一同軸，二者為六棱軸提供安裝空間，并保證其可以自由轉(zhuǎn)動，但又不會搖晃。六棱柱底座位于外殼底部表面，方便使用扳手對外殼施加扭矩，用于在上緊發(fā)條片時對帶孔螺栓提供平衡力矩以避免將其擰松。

8、發(fā)條包括六角孔芯、發(fā)條片和拉力實時反饋裝置。六角孔芯為通孔，外表面為圓柱狀，用于纏繞發(fā)條片，內(nèi)表面呈六棱柱狀，使其能夠與六棱軸嵌套后實現(xiàn)傳遞扭矩的功能。發(fā)條片為較薄的長條狀片體，由彈性較好的鋼材制成，兩端以相同旋向分別纏繞在兩個六角孔芯上，保證上發(fā)條時的擰緊方向與帶孔螺栓的擰緊方向相反，在發(fā)條片繃緊后會對六角孔芯施加拉力扭矩，也會將該力矩傳遞給帶孔螺栓，使其維持住擰緊狀態(tài)。拉力實時反饋裝置安裝于發(fā)條的中間位置，測量發(fā)條片產(chǎn)生拉力的大小f。在忽略發(fā)條片的厚度后，認為該扭矩施加系統(tǒng)中的力臂大小r為六角孔芯外廓直徑φ5的一半，可通過公式t＝fr計算得到實時扭矩t。當振動臺上夾具和下夾具配合時采用的緊固螺栓數(shù)量為偶數(shù)個時，一個發(fā)條可以同時應用于兩個預緊力自動保持裝置，可以對發(fā)條兩端連接的六棱軸同時施加相同的扭矩t增加其勢能儲備；而當振動臺上夾具和下夾具配合時采用的緊固螺栓數(shù)量為奇數(shù)個時，余下的一個預緊力自動保持裝置可以與單獨的固定六棱柱連接，在發(fā)條的一端施加扭矩即可實現(xiàn)對該處螺栓的擰緊。

9、彈簧套在上芯的六棱軸上，位于棘輪腔上部，為上芯提供向下的壓力，實現(xiàn)棘輪的正確嚙合。為保證安裝完成后下芯棘輪盤與上芯棘輪盤嚙合，彈簧原長l0大于安裝后的彈簧長度l1。為保證在上緊發(fā)條和拆卸過程中下芯棘輪盤與上芯棘輪盤完全脫離嚙合狀態(tài)，安裝后的彈簧長度l1減去最大壓縮狀態(tài)下的彈簧長度l2應大于棘輪齒高。

10、拆卸裝置用于完成實驗后方便地拆卸預緊力自動保持裝置，拆卸裝置包括提手、拆卸孔和拆卸槽。拆卸孔和拆卸槽相連，拆卸孔可使六棱軸穿過，拆卸槽可以恰好卡住環(huán)形拆卸槽，

11、并且環(huán)型拆卸槽內(nèi)徑φ6略小于拆卸槽寬度，可使六棱軸在其中自由旋轉(zhuǎn)。拆卸裝置主要用于操作者簡單方便地壓縮彈簧，結(jié)束棘輪的嚙合狀態(tài)，快速安全的釋放發(fā)條的彈性勢能，并保證在發(fā)條回彈時不會將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞到操作者手部。

12、下芯外廓直徑φ1和上芯外廓直徑φ2相等，略小于外殼內(nèi)表面直徑φ3；六棱軸外接圓直徑d1與六角孔外接圓直徑d2相等，略小于外殼內(nèi)孔一和外殼內(nèi)孔二的直徑φ4，以保證上芯可以裝入外殼中，并在棘輪腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)；六角孔外接圓直徑d2小于六角孔芯外廓直徑φ5，以保證六角孔芯具有足夠的強度來傳遞發(fā)條產(chǎn)生的扭矩；六角孔芯外廓直徑φ5小于發(fā)條安裝孔寬度l，以保證六角孔芯可以插進發(fā)條腔；銷直徑略小于連接孔一、連接孔二和連接孔三，以保證順暢插入。

13、一種振動實驗夾具的預緊力自動保持方法，步驟如下：

14、第一步，預緊力自動保持裝置安裝方法，如圖10所示：

15、所述預緊力自動保持裝置在安裝過程中需保證帶孔螺栓、下芯、上芯、外殼、彈簧和墊片的中心軸位于同一軸線。

16、使用墊片、彈簧墊圈和普通螺栓，配合防松的方法將下夾具安裝在振動實驗臺上。

17、步驟1.1：將上夾具和下夾具配合使用，夾持振動實驗件，其中包括通過帶孔螺栓的螺桿與下夾具配合進行緊固，確保振動實驗件的位置準確無誤，以及通過一組帶孔螺栓的擰緊力矩共同施加對振動實驗件的預緊力。其過程如圖11所示，使用扭矩扳手擰緊帶孔螺栓至保證實驗準確性的螺栓最小擰緊力矩，此時帶孔螺栓提供的預緊力剛好能夠進行振動實驗；繼續(xù)擰緊帶孔螺栓至達到考慮裕度的螺栓擰緊力矩，應至少為保證實驗準確性的螺栓最小擰緊力矩的1.1倍。

18、步驟1.2：安裝下芯，通過內(nèi)六角凹坑與螺栓六角頭配合，注意確保連接孔一與連接孔二完全對齊。

19、步驟1.3：安裝上芯，上芯棘輪盤和下芯棘輪盤相互配合，通過棘齒的嚙合實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動自鎖功能，即沿帶孔螺栓擰緊方向。

20、步驟1.4：安裝彈簧，將彈簧套在上芯的六棱軸上，再借助發(fā)條腔的約束和壓緊，可為上芯棘輪盤提供必要的向下壓力，以維持棘輪的鎖死狀態(tài)。

21、步驟1.5：外殼與發(fā)條組合，將發(fā)條的六角孔芯從發(fā)條安裝孔放入外殼的發(fā)條腔，從發(fā)條安裝孔拉出發(fā)條片，為安裝外殼做準備。

22、步驟1.6：安裝外殼，將外殼和發(fā)條一同沿軸向安裝在上芯上，確保六棱軸先后穿過外殼內(nèi)孔一、六角孔芯和外殼內(nèi)孔二。再轉(zhuǎn)動外殼，同時使某個連接孔三與連接孔二對齊，以使發(fā)條安裝孔朝向與其共用一個發(fā)條的預緊力自動保持裝置，進一步覆蓋并保護內(nèi)部部件。通過外殼和下芯棘輪盤上表面壓縮彈簧，此時彈簧原長l0被壓縮至安裝后的彈簧長度l1。

23、步驟1.7：安裝銷，將銷依次插入連接孔三、連接孔二和連接孔一，再從另外一側(cè)穿出。確保銷的插入深度和位置準確，以實現(xiàn)軸向和周向固定，防止裝置在振動中的脫落。

24、第二步，系統(tǒng)操作方法：

25、步驟2.1：將扳手作用于六棱柱底座并固定不動，以保證帶孔螺栓不會被擰松。再使用扭矩扳手沿使帶孔螺栓擰松的方向，對預緊力自動保持裝置中的六棱軸施加擰緊力矩，棘輪隨之單向運動。此時，外殼在扳手的作用下固定不動，并且通過銷的連接，使下芯和帶孔螺栓均被約束不動，而上芯則會沿使帶孔螺栓擰松的方向旋轉(zhuǎn)，通過六角孔芯拉緊發(fā)條片。

26、步驟2.2：使用扭矩扳手對六棱軸施加的擰緊力矩達到考慮裕度的螺栓擰緊力矩后，如果下芯棘輪盤和上芯棘輪盤尚未處于剛好嚙合狀態(tài)，則繼續(xù)增大扭矩，直至兩者剛好嚙合。此時上芯擰緊力矩會大于考慮裕度的螺栓擰緊力矩，如圖11所示，認為這種情況會帶來更大的裕度，更有利于保持住對實驗件的預緊力和其固有頻率。完成上述過程并取下扭矩扳手后，上芯會在發(fā)條的拉力作用下產(chǎn)生朝使帶孔螺栓擰緊方向轉(zhuǎn)動的趨勢，并且由于棘輪此時處于自鎖狀態(tài)，上述力矩和轉(zhuǎn)動趨勢會通過棘輪傳遞至下芯，下芯再將接收到的力矩通過其內(nèi)六角凹坑和螺栓六角頭以及銷傳遞至帶孔螺栓，從而對夾具施加持續(xù)且穩(wěn)定的預緊力，來保證夾具對振動實驗件的夾持力穩(wěn)定。當磨損或塑性形變發(fā)生時，發(fā)條可以釋放其預先儲備的彈性勢能來使帶孔螺栓持續(xù)擰緊，以彌補上述問題引起的預緊力下降。

27、步驟2.3：在振動實驗的過程中，拉力實時反饋裝置可以實時反饋發(fā)條所受拉力，通過公式t＝fr計算得到擰緊力矩t，當檢測到該數(shù)值小于保證實驗準確性的螺栓最小擰緊力矩時，需要重新使用扭矩扳手對六棱軸施加的擰緊力矩達到上芯擰緊力矩。

28、第三步，拆卸方法：

29、3.1：拆卸裝置使用方法，將拆卸裝置的拆卸孔套在六棱軸上，調(diào)整至拆卸槽對準并插入環(huán)形拆卸槽。

30、3.2：向外拉動提手，以壓縮上芯棘輪盤背側(cè)的彈簧，從而使上芯棘輪盤與下芯棘輪盤分離，完全脫離嚙合狀態(tài)，然后上芯會在發(fā)條的作用下朝使帶孔螺栓擰緊的方向旋轉(zhuǎn)，直至發(fā)條的彈性勢能完全釋放。由于六棱軸會在拆卸槽內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，因此并不會因為突然的彈性釋放而打傷操作者。

31、3.3：拆除銷后，預緊力自動保持裝置可以被整體取下，露出帶孔螺栓，再采用常規(guī)方式即可進一步完成拆卸。

32、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

33、1.該預緊力自動保持方法通過保證振動實驗件的振動頻率穩(wěn)定提高實驗的準確性和成功率；

34、該預緊力自動保持方法對帶孔螺栓的擰緊力矩為考慮裕度的螺栓擰緊力矩，比保證實驗準確性的螺栓最小擰緊力矩高10％，當振動實驗件發(fā)生微小變形導致夾具輕微磨損，螺栓的擰緊力矩有減小的趨勢時，發(fā)條可以釋放其預先儲備的彈性勢能來使帶孔螺栓持續(xù)擰緊，以確保螺栓的擰緊力矩始終保持在保證實驗準確性的螺栓最小擰緊力矩的100％～110％，避免了試驗臺停機進行補充擰緊和擰緊力矩檢查，保證了實驗的連續(xù)性。在此擰緊力矩范圍內(nèi)，擰緊力維持住了試驗件預緊力的大小，保障了夾持系統(tǒng)的剛性，從而保證了振動實驗件振動頻率的穩(wěn)定，提高了振動實驗的準確性和成功率。

35、2.通過擰緊力矩控制發(fā)條的彈性勢能大小使得該振動臺夾具的夾持力可控可調(diào)；

36、該預緊力自動保持方法能夠通過調(diào)節(jié)發(fā)條的擰緊力矩、更換發(fā)條的制作材料、選用不同長度的發(fā)條、改變發(fā)條的厚度和寬度等多種方法調(diào)節(jié)輸出給帶孔螺栓的擰緊力矩，適用于多種需要不同夾持力的振動實驗。在使用合適發(fā)條的預緊力自動保持裝置中，實驗人員能夠通過控制發(fā)條的彈性勢能使該振動臺夾具的夾持力得到控制。

37、3.該振動實驗夾具的預緊力自動保持方法能夠?qū)崿F(xiàn)擰緊力矩的實時監(jiān)測功能，做到擰緊力矩可視化。

38、該振動實驗夾具的預緊力自動保持方法通過增加拉力實時反饋裝置實現(xiàn)擰緊力矩的可視化，在振動實驗過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測預緊力自動保持裝置對帶孔螺栓施加的擰緊力矩，從而推測夾持系統(tǒng)對振動實驗件的預緊力，不需要人工定期檢查，避免了實驗臺停機進行補充擰緊和擰緊力矩檢查，能夠及時有效地對預緊力的變化做出反應，保障了振動實驗過程中夾具夾持力始終滿足要求，并且通過保證實驗連續(xù)性來提高效率的準確性。

39、4.該預緊力自動保持裝置及其拆卸工具設(shè)計安全可靠；

40、該預緊力自動保持裝置通過發(fā)條腔的的設(shè)計保證發(fā)條易于安裝并發(fā)揮其功能，同時避免了發(fā)條意外斷裂后膨脹飛出傷人的情況出現(xiàn)。通過彈簧壓縮下上棘輪盤與下棘輪盤嚙合的設(shè)計能夠方便增加發(fā)條彈性勢能，同時防止了操作失誤時棘輪急速反向轉(zhuǎn)動的意外事故。拆卸工具的設(shè)計能夠滿足六棱軸在環(huán)形拆卸槽中自由旋轉(zhuǎn)，確保簡單方便地結(jié)束棘輪的嚙合狀態(tài)，保證在發(fā)條回彈時不會將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞到操作者手部，符合人體工學特征。

41、5.該預緊力自動保持裝置及其拆卸工具適用范圍廣，不易損壞，具有良好的經(jīng)濟效益；

42、該預緊力自動保持裝置能夠適用緊固螺栓呈周向布局、陣列布局、不規(guī)則布局等多種布局，其緊固螺栓數(shù)量不會影響使用效果，且無需對原有振動臺夾具做出修改，可以適用于夾持段為方形、圓柱形和榫頭形等多種振動實驗件。該振動臺夾具通過兩兩一組配合使用的方法，引入s形發(fā)條連接片，兩端以相同旋向分別纏繞在兩個六角孔芯，使兩個相鄰的預緊力保持裝置互相提供拉力，減少了增加固定柱的設(shè)計，降低了使用成本。該振動臺夾具夾持力的穩(wěn)定減少了因振動實驗件微小變形產(chǎn)生的磨損，有助于延長其使用壽命。