螺栓拉伸試驗夾具快換裝置研究

張亞軍

（山西機電職業技術學院，長治 046011）

0 引言

目前，螺栓拉伸試驗時采用的過渡連接裝置為開口式（圖1），或螺紋連接式（圖2）。開口式連接裝置是在圓筒形拉伸座一側開槽，內腔為臺階孔，拉伸螺母為臺階狀圓柱體（內有螺紋），拉伸螺母可從開槽處嵌入拉伸座內，拉伸桿與拉伸座采用一體式或螺紋連接設計。開口式連接裝置優點為能夠方便快捷地更換被試螺栓；缺點為拉伸座與拉伸螺母連接處為開口，拉伸試驗時接觸面受力不均，局部接觸應力很大，存在接觸面壓潰現象，由于受力不均被試螺栓在拉伸過程中會產生彎曲變形，形成附加彎矩，直接影響測量值的準確性。由于缺口的存在，拉伸座在拉伸時開口處將產生變形使開口增大，被試螺栓容易從開口處滑脫，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，拉伸座為內腔帶有螺紋的圓筒，拉伸桿與拉伸座采用螺紋連接，其優點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，被試螺栓不產生附加彎矩，測量值準確，安全可靠。缺點為每次更換被試螺栓需將拉伸螺母從拉伸座上旋下，費工費時，效率很低，不能滿足大批量試驗的要求。

為降低勞動強度、提高試驗效率、保證試驗安全、保證測試值準確，本文提出了一種螺栓拉伸試驗快換裝置，該裝置能夠大大降低勞動強度、提高試驗效率、保證試驗過程安全、消除試驗過程中附加彎矩的影響、保證測試值準確，滿足大批量試驗的要求。

圖1 開口式

圖2 螺紋式

1 拉伸試驗裝置模型

結合被試螺栓的規格及性能等級，如圖3所示，本盒型裝置滿足M6至M39螺栓（包括粗牙和細牙）的拉伸試驗。本裝置擬采用兩半式盒型結構，通過合頁將兩半盒型件連接在一起，當兩半盒型件扣合后，通過上下兩個拉銷將其緊固為一體，兩半盒型件內部為上下半圓形臺階孔，扣合后形成上下圓形臺階孔，上端臺階孔連接拉伸桿，拉伸桿與拉伸座（兩半的其中一半）采用螺釘固定，拉伸桿與拉力試驗機夾頭相連接，下端臺階孔與拉伸螺母相連接，拉伸螺母與被試螺栓相連接，試驗時本裝置成對使用，拉伸桿分別與拉力試驗機的上下夾頭相連，可完成螺栓的拉伸試驗，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，滿足國標GB3098.1—2000《緊固體機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的試驗要求。

圖3 盒型裝置

圖4 試驗狀態

2 拉伸試驗快換裝置的結構計算

由于被試螺栓的最大規格為M39，其需要的試驗拉力最大，受力狀況最惡劣，本文只針對M39規格的12.9級螺栓進行設計計算。由于在拉伸試驗過程中對拉伸裝置產生的變形不要求，主要是強度要足夠，本文分別對拉伸桿、拉伸螺母、拉伸座等主要受力零件進行計算。

2.1 拉伸螺母的強度計算

由機械設計手冊[2]查得，M39細牙螺栓的最小拉力載荷F為1260000N。考慮到M39螺栓為12.9級，擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強度5所示。

圖5 拉伸螺母

拉伸螺母最小直徑：

取安全系數 ns= 3 。

取d2= 7 6mm 。

校核拉伸螺母強度：

臺階處為接觸應力受力面，計算 d1min：

取安全系數 ns= 3 。

取d1= 9 8mm。

根據臺階處的切應力計算臺階厚度H1：

考慮到拉伸螺母與拉伸座之間為懸臂結構連接形式，取H1=25mm；

經查閱機械設計手冊，M39螺紋的擰入深度為48mm，結合拉伸座的結構形式取H2=99mm。

2.2 拉伸桿的計算

由機械設計手冊查得，M39細牙螺栓的最小拉力載荷為F=1260000N。考慮到M39螺栓為12.9級，拉伸桿擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強度為 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 ns= 2 .8。

取拉伸桿直徑 d1= 6 0mm。

校核拉伸桿強度：

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算

由于M 3 9細牙螺栓的最小拉力載荷為F=1260000N，考慮到M39螺栓為12.9級，所以拉伸座擬采用35CrMnSiA材料，該材料的抗拉強度為 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，所以拉伸座內腔直徑選用 d1= 1 00mm，外徑 d2最小值由下式進行計算。

圖7 拉伸座

取安全系數 ns= 3 .5。

取d2= 1 20mm 。

校核拉伸座強度：

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

3 應力分析結果

根據設計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ansysworkbench進行有限元分析，分別計算出了拉伸螺母、拉伸桿、拉伸座的應力云圖。

圖8 拉伸桿應力云圖

圖9 拉伸螺母應力云圖

圖10 拉伸座應力云圖

如圖8所示，拉伸桿最小截面平均應力為445MPa，臺階圓角處應力集中可達628MPa；如圖9所示，拉伸螺母臺階圓角處存在應力集中，臺階圓角處應力集中可達880MPa；如圖10所示，拉伸座平均應力為400MPa，臺階圓角處應力集中應力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，該材料的抗拉強度為σb= 1 620MPa ， σs= 1 280MPa ，所以能夠滿足使用要求。

4 結論

本文首先分析了目前兩種形式的螺栓拉伸裝置的優缺點，設計了一種螺栓拉伸試驗快換裝置，并對關鍵部件進行了詳細的計算，最后用ansysworkbench進行了受力分析。該裝置具有能夠快速更換被試螺栓、被試螺栓受力均勻、使用安全等優點。

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

[2] 成大先.機械設計手冊(第四版)[M].北京:化學工業出版社,2004.

[3] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社,2003.

[4] Solidworks 高級使用指南[M].