張亞軍

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)治 046011）

0 引言

目前，螺栓拉伸試驗(yàn)時(shí)采用的過(guò)渡連接裝置為開(kāi)口式（圖1），或螺紋連接式（圖2）。開(kāi)口式連接裝置是在圓筒形拉伸座一側(cè)開(kāi)槽，內(nèi)腔為臺(tái)階孔，拉伸螺母為臺(tái)階狀圓柱體（內(nèi)有螺紋），拉伸螺母可從開(kāi)槽處嵌入拉伸座內(nèi)，拉伸桿與拉伸座采用一體式或螺紋連接設(shè)計(jì)。開(kāi)口式連接裝置優(yōu)點(diǎn)為能夠方便快捷地更換被試螺栓；缺點(diǎn)為拉伸座與拉伸螺母連接處為開(kāi)口，拉伸試驗(yàn)時(shí)接觸面受力不均，局部接觸應(yīng)力很大，存在接觸面壓潰現(xiàn)象，由于受力不均被試螺栓在拉伸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，形成附加彎矩，直接影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性。由于缺口的存在，拉伸座在拉伸時(shí)開(kāi)口處將產(chǎn)生變形使開(kāi)口增大，被試螺栓容易從開(kāi)口處滑脫，存在安全隱患。螺紋旋入式連接裝置是拉伸螺母與拉伸座采用螺紋連接，拉伸座為內(nèi)腔帶有螺紋的圓筒，拉伸桿與拉伸座采用螺紋連接，其優(yōu)點(diǎn)為拉伸螺母與拉伸座連接采用螺紋連接，受力均勻，能夠承受的拉伸力大，被試螺栓不產(chǎn)生附加彎矩，測(cè)量值準(zhǔn)確，安全可靠。缺點(diǎn)為每次更換被試螺栓需將拉伸螺母從拉伸座上旋下，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率很低，不能滿(mǎn)足大批量試驗(yàn)的要求。

為降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高試驗(yàn)效率、保證試驗(yàn)安全、保證測(cè)試值準(zhǔn)確，本文提出了一種螺栓拉伸試驗(yàn)快換裝置，該裝置能夠大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高試驗(yàn)效率、保證試驗(yàn)過(guò)程安全、消除試驗(yàn)過(guò)程中附加彎矩的影響、保證測(cè)試值準(zhǔn)確，滿(mǎn)足大批量試驗(yàn)的要求。

圖1 開(kāi)口式

圖2 螺紋式

1 拉伸試驗(yàn)裝置模型

結(jié)合被試螺栓的規(guī)格及性能等級(jí)，如圖3所示，本盒型裝置滿(mǎn)足M6至M39螺栓（包括粗牙和細(xì)牙）的拉伸試驗(yàn)。本裝置擬采用兩半式盒型結(jié)構(gòu)，通過(guò)合頁(yè)將兩半盒型件連接在一起，當(dāng)兩半盒型件扣合后，通過(guò)上下兩個(gè)拉銷(xiāo)將其緊固為一體，兩半盒型件內(nèi)部為上下半圓形臺(tái)階孔，扣合后形成上下圓形臺(tái)階孔，上端臺(tái)階孔連接拉伸桿，拉伸桿與拉伸座（兩半的其中一半）采用螺釘固定，拉伸桿與拉力試驗(yàn)機(jī)夾頭相連接，下端臺(tái)階孔與拉伸螺母相連接，拉伸螺母與被試螺栓相連接，試驗(yàn)時(shí)本裝置成對(duì)使用，拉伸桿分別與拉力試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭相連，可完成螺栓的拉伸試驗(yàn)，如圖4所示。另有附件平墊圈、4°楔形墊圈、6°楔形墊圈、10°楔形墊圈及雙頭螺柱，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB3098.1—2000《緊固體機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的試驗(yàn)要求。

圖3 盒型裝置

圖4 試驗(yàn)狀態(tài)

2 拉伸試驗(yàn)快換裝置的結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于被試螺栓的最大規(guī)格為M39，其需要的試驗(yàn)拉力最大，受力狀況最?lèi)毫?，本文只針?duì)M39規(guī)格的12.9級(jí)螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。由于在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)拉伸裝置產(chǎn)生的變形不要求，主要是強(qiáng)度要足夠，本文分別對(duì)拉伸桿、拉伸螺母、拉伸座等主要受力零件進(jìn)行計(jì)算。

2.1 拉伸螺母的強(qiáng)度計(jì)算

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]查得，M39細(xì)牙螺栓的最小拉力載荷F為1260000N?？紤]到M39螺栓為12.9級(jí)，擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強(qiáng)度5所示。

圖5 拉伸螺母

拉伸螺母最小直徑：

取安全系數(shù) ns= 3 。

取d2= 7 6mm 。

校核拉伸螺母強(qiáng)度：

臺(tái)階處為接觸應(yīng)力受力面，計(jì)算 d1min：

取安全系數(shù) ns= 3 。

取d1= 9 8mm。

根據(jù)臺(tái)階處的切應(yīng)力計(jì)算臺(tái)階厚度H1：

考慮到拉伸螺母與拉伸座之間為懸臂結(jié)構(gòu)連接形式，取H1=25mm；

經(jīng)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，M39螺紋的擰入深度為48mm，結(jié)合拉伸座的結(jié)構(gòu)形式取H2=99mm。

2.2 拉伸桿的計(jì)算

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，M39細(xì)牙螺栓的最小拉力載荷為F=1260000N?？紤]到M39螺栓為12.9級(jí)，拉伸桿擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強(qiáng)度為 σb= 1 620MPa ， σs= 1 280MPa ，如圖6所示。拉伸桿最小直徑：

圖6 拉伸桿

取安全系數(shù) ns= 2 .8。

取拉伸桿直徑 d1= 6 0mm。

校核拉伸桿強(qiáng)度：

為便于加工，取 d2= 7 6mm ，d3= 9 8mm，H1=25mm。

2.3 拉伸座最小壁厚的計(jì)算

由于M 3 9細(xì)牙螺栓的最小拉力載荷為F=1260000N，考慮到M39螺栓為12.9級(jí)，所以拉伸座擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強(qiáng)度為 σb= 1 620MPa， σs= 1 280MPa ，如圖7所示。

由于拉伸桿 d3= 9 8mm ，拉伸螺母 d1= 9 8mm，所以拉伸座內(nèi)腔直徑選用 d1= 1 00mm，外徑 d2最小值由下式進(jìn)行計(jì)算。

圖7 拉伸座

取安全系數(shù) ns= 3 .5。

取d2= 1 20mm 。

校核拉伸座強(qiáng)度：

得拉伸座最小壁厚δ = ( d2- d1)/2 = ( 120- 1 00)/2 = 1 0mm 。

3 應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)的盒型螺栓拉伸裝置模型，固定拉伸桿，在拉伸螺母上加載1260000N的載荷，通過(guò)ansysworkbench進(jìn)行有限元分析，分別計(jì)算出了拉伸螺母、拉伸桿、拉伸座的應(yīng)力云圖。

圖8 拉伸桿應(yīng)力云圖

圖9 拉伸螺母應(yīng)力云圖

圖10 拉伸座應(yīng)力云圖

如圖8所示，拉伸桿最小截面平均應(yīng)力為445MPa，臺(tái)階圓角處應(yīng)力集中可達(dá)628MPa；如圖9所示，拉伸螺母臺(tái)階圓角處存在應(yīng)力集中，臺(tái)階圓角處應(yīng)力集中可達(dá)880MPa；如圖10所示，拉伸座平均應(yīng)力為400MPa，臺(tái)階圓角處應(yīng)力集中應(yīng)力628MPa。由于拉伸螺母、拉伸桿、拉伸座均采用3 5 C r M n S i A材料，該材料的抗拉強(qiáng)度為σb= 1 620MPa ， σs= 1 280MPa ，所以能夠滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

本文首先分析了目前兩種形式的螺栓拉伸裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種螺栓拉伸試驗(yàn)快換裝置，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，最后用ansysworkbench進(jìn)行了受力分析。該裝置具有能夠快速更換被試螺栓、被試螺栓受力均勻、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 龐建召.螺栓拉伸用夾具的改進(jìn)[J].理化檢驗(yàn)物理分冊(cè),1998,5:21-23.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[4] Solidworks 高級(jí)使用指南[M].