CN109668705B - 大口径v型卡箍平板振动实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大口径V型卡箍平板振动实验装置及方法，该装置包括大口径V型卡箍平板、卡箍夹具、施加箍紧力和轴向拉力模块、碟簧传力模块和全桥电路传感器模块。实验测试方法包含全桥电路的箍紧力和轴向力传感器标定，碟簧标定和箍紧力、轴向力测量。利用本发明提供的实验装置及方法，可以实时监测卡箍在振动环境下不同箍紧力、轴拉力和卡箍平板不同摩擦系数、V型角和咬合深度对连接的影响，对V型卡箍的防松设计提供指导意义。本发明具有如下特点：传感器连接应变仪并采用全桥电路，响应时间短，测量精度高；碟簧可以传递相对大的箍紧力，进而缩小装置体积；通过手动拧紧螺栓和螺母可以更方便地施加箍紧力和轴向拉力。

Description

大口径V型卡箍平板振动实验装置及方法

技术领域

本发明涉及大口径V型卡箍平板最优尺寸的选定，适用于各种机械设备接口处的连接紧固，属于卡箍连接技术领域。

背景技术

卡箍连接已逐步取代焊接和法兰这两种传统的管道连接方式，成为当前气体、液体管道连接的首推技术，尽管这项技术在国内的开发时间晚于国外，但由于其造型美观、使用方便、紧箍力强、密封性能好等特点，广泛应用于汽车、船舶和汽油机等各种机械设备接口处的连接紧固及密封。根据不同的结构形式，卡箍可分为V形带圈卡箍、T形螺杆卡箍、FLEX-GEAR型卡箍、高性能蜗杆式卡箍、弹簧带圈卡箍、快速松紧卡箍、强力卡箍、单耳无级卡箍以及耳箍等。其中，V形卡箍为任何凸缘法兰面提供一种安全可靠的连接，在卡箍选型中属于重负荷型。

卡箍工作过程中，卡箍不仅受到箍紧力，往往在振动的工作环境下还受到两个凸缘法兰面之间的轴向拉力，如：飞机液压管路的振动问题。不同的箍紧力和轴向拉力和卡箍平板不同摩擦系数、V型角和咬合深度对连接有着至关重要的影响，一旦发生连接松弛或者失效，会造成气体或者液体泄漏，严重会发生***现象。而且在大口径V型卡箍振动试验中，往往模型太大找不到合适的振动试验机，而且试验具有破坏性，对成本要求更高。因此，截取卡箍特定厚度的平板截面进行近似试验分析，此过程模型小好控制，并且试验成本低，拆装方便，更容易试验不同型号卡箍平板；箍紧力和轴向拉力通过手动控制，方便灵活，加载方式由全桥设计的传感器监测更加准确；采用碟簧传力模块，具有体积小，传力大等优点，并且碟簧下方的箍紧力支撑架上有贴好的标尺，可直接查看压缩距离。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于全桥电路压力传感器的大口径V型卡箍平板振动试验装置及方法。该装置将箍紧力传感器置于箍紧螺栓和导块之间，将轴向拉力传感器置于轴向拉力支撑架和U型接头之间的光滑连接螺栓部分上，通过全桥电路连接方式接到应变仪，对箍紧力和轴向拉力进行实施监测。

本发明技术路线如下：

大口径V型卡箍平板振动实验装置，该装置包括：V型卡箍平板、凸缘法兰平板、箍紧力和轴拉力传感器模块、碟簧传力模块、箍紧力支撑架、轴向拉力支撑架、固定架和固定板等。V型卡箍平板和凸缘法兰配合形成对称结构放置在导块之间，厚度为20mm左右。导块之间是若干对碟形弹簧对合在一起套在导柱上，碟簧根据所加箍紧力选择对数，这里暂时选用13对。通过手动拧内六角螺栓，使之顶紧铝块做的传感器，传感器顶着导块造成碟簧压缩，挤压V型卡箍平板，等效成箍紧力。手动拧顶部螺母，U型接头提拉对称的凸缘法兰，再用螺母锁紧，等效成施加轴拉力。传感器、导块、碟簧和卡箍平板都在同一平面内在箍紧力支撑架内无摩擦滑动。箍紧力支撑架由六个螺栓固定在固定架上，并套在轴向拉力支撑架中一起固定在固定板上，固定板就可以固定在振动平台上。传感器连接应变仪，实时监测着箍紧力和轴向拉力的变化。

作为本发明的进一步改进，其特征在于，所述传感器均由铝材料制成，传感器做成圆柱体，每个贴上八个横竖相交应变片，全桥接入应变仪上。

作为本发明的进一步改进，其特征在于，所述V型卡箍平板可以加工成不同摩擦系数、V型角和咬合深度类型放在夹具中实验。

作为本发明的进一步改进，其特征在于，所述箍紧力和轴向拉力通过手动控制，方便灵活，加载方式由传感器监测更加准确。

作为本发明的进一步改进，其特征在于，所述采用碟簧传力模块，具有体积小，传力大等优点，并且碟簧下方的箍紧力支撑架上有贴好的标尺，可直接查看压缩距离。

一种大口径V型卡箍平板振动实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据本发明提供的大口径V型卡箍平板振动实验装置，建立大口径V型卡箍平板振动实验装置。

第二步：根据整个V型卡箍箍紧时的力，通过理论计算，计算出20mm厚的卡箍平板对凸缘法兰的箍紧力。

第三步：计算出20mm厚的凸缘法兰平板的轴向拉力。

第四步：在安装到轴向拉力支撑架之前，手动拧顶部有60度角的内六角螺栓，通过旋入而挤压箍紧力传感器，直到标定的应变数值，最后用螺母锁紧。

第五步：安装到轴向拉力支撑架之后，手动拧装置顶部螺母，轴向拉力传感器受拉而发生应变数值变化，直到标定的应变数值，最后用另一个螺母锁紧。

第六步：振动试验开始后，通过观察两个传感器应变变化，由应力应变关系，得出应力，再乘以有效面积得出力的变化，分析出振动环境中卡箍平板箍紧力和轴拉力变化范围。

第七步：振动试验后，通过查看箍紧力支撑架上标尺，量出碟簧压缩的距离进而得到卡箍平板松弛距离。最后拆开工装，检查是否卡滞，并检查接触面变形或者破坏情况。

步骤二所述，计算20mm厚的卡箍平板对凸缘法兰的箍紧力的理论公式为：

把直径D的V型卡箍截成一半，并简化如图1。

如图1，已知箍紧时卡箍直径D，初始箍紧力为F₁，材料弹性模量E，包带截面面积A，卡箍平板箍紧力由碟簧挤压平板产生，实验逐渐增加拉力。求满足要求的弹簧刚度K。

由受力分析可知:

2F₁＝P₁Dh；

P₁＝2F₁/Dh；

f₁＝P₁S′/2＝F₁S′/Dh＝F₁hl'/Dh＝F₁l'/D

式中：P₁——碟簧挤压平板面产生的压强；h——卡箍的高度；S′——所取包带的试样面积,S'＝hl'，l'——卡箍平板厚度；f₁——开始箍紧时碟簧的弹力。

步骤四、五所述，传感器由八个应变片沿轴线在圆柱(材料为AL)上沿圆周均匀分布，贴片如图2所示，

如图3所示，应变仪测量的电桥原理为：设单臂电桥四个桥臂的电阻分别为R₁,R₂,R₃,R₄，通常A，C端接桥源，B、D端为输出端。设A、C间的电压为U，则流经电阻R₁的电流为

R₁两端的电压降为

同理，R₃两端的电压降为

则，B、D端输出电压为

当输出电压ΔU＝0，称为电桥平衡，此时R₁R₄＝R₂R₃。

设电桥在接上电阻R₁，R₂，R₃，R₄时处于平衡状态，即满足R₁R₄＝R₂R₃，那么当上述各电族分别改变为ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄时，可得电桥的输出电压为

将式子R₁R₄＝R₂R₃带入，省略高阶小量可得

该式子成为电桥输出公式。基于前面的理论，本例用全桥接法。

在进行测量时，有时将粘贴在试样上的四个相同规格的应变计同时接入测量电桥。当试样受力后，上述的应变计感受到的应变分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，相应的电阻改变量为ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄，则根据电桥输出公式可得输出电压为

于是可得应变仪的读数为

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果。

利用本发明提供的大口径V型卡箍平板振动实验装置及方法，可以实时监测振动过程中箍紧力和轴向拉力的变化及其振动过程中不同摩擦因数、卡箍平板V型角和咬合深度对连接的影响。对V型卡箍截面设计，增加连接紧固性具有重要意义。本发明还具有如下优点：截取卡箍特定厚度的平板截面进行近似试验分析，此过程模型小好控制，并且试验成本低，拆装方便，更容易试验不同型号卡箍平板；箍紧力和轴向拉力通过手动控制，方便灵活，加载方式由全桥设计的传感器监测更加准确；采用碟簧传力模块，具有体积小，传力大等优点，并且碟簧下方的箍紧力支撑架上有贴好的标尺，可直接查看压缩距离。

附图说明

图1为力计算示意图。

图2为应变片分布图。

图3为应变仪测量的电桥原理图。

图4a为本发明实施例的大口径V型卡箍平板振动实验装置的轴测图。

图4b为本发明实施例的大口径V型卡箍平板振动实验装置的正视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图4a、图4b所示，大口径V型卡箍平板振动实验装置，包含：V型卡箍平板(1)、凸缘法兰平板(2)、箍紧力传感器模块(3)、轴拉力传感器模块(4)、碟簧(5)、箍紧力支撑架模块(6)、轴向拉力支撑架(7)、固定架(8)和固定板(9)。

所述V型卡箍平板(1)和凸缘法兰平板(2)相配合形成对称结构，对称分布在在导块(10)之间，厚度为20mm左右。

所述导块(10)共有3块，两个导块之间分别夹着V型卡箍平板(1)和凸缘法兰平板(2)配合形成的对称结构和蝶形弹簧(5)。

所述碟形弹簧(5)共4组，一组由若干对蝶形弹片对合在一起套在导柱(11)上，碟形弹簧(5)根据所加箍紧力选择对数，这里暂时选用13对。

所述箍紧力传感器(3)与最外侧的导块通过钻孔相连在导块中心，内六角螺栓(12)和箍紧力传感器(3)的接触面为120°锥面，其目的是防止箍紧力传感器随着内六角螺栓转动。所述导块(10)切出凹槽固定住V型卡箍平板(1)。

所述箍紧力支撑架模块(6)由固定架(8)通过内六角螺栓固定成水平，固定架(8)再由内六角螺栓反穿固定在固定板(9)上。

所述轴向拉力支撑架(7)直接卡在固定板上，中心再由螺栓固定。

所述凸缘法兰平板由大螺栓固定在轴向拉力支撑架(7)上，上端由螺母提拉轴拉力传感器模块(4)，带动U型接头(13)，大螺栓(14)在椭圆孔中无摩擦上升。

通过手动拧内六角螺栓(12)，箍紧力传感器模块(3)，传感器顶着导块(10)造成碟簧(5)压缩，挤压V型卡箍平板(1)，等效成箍紧力。手动拧顶部螺母，U型接头(13)提拉对称的凸缘法兰平板(2)，再用螺母锁紧，等效成施加轴拉力。传感器(3)、导块(10)、碟簧(5)和卡箍平板(1)都在同一平面内在箍紧力支撑架内无摩擦滑动。箍紧力支撑架由六个螺栓固定在固定架(8)上，并套在轴向拉力支撑架(7)中一起固定在固定板(9)上，固定板就可以固定在振动平台上。传感器全桥电路连接应变仪，实时监测着箍紧力和轴向拉力的变化。

一种大口径V型卡箍平板振动实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据本发明提供的大口径V型卡箍平板振动实验装置，建立大口径V型卡箍平板振动实验装置。

第二步：根据整个V型卡箍箍紧时的力，通过理论计算，计算出20mm厚的卡箍平板对凸缘法兰的箍紧力。

第三步：计算出20mm厚的凸缘法兰平板的轴向拉力。

第四步：在安装到轴向拉力支撑架之前，手动拧顶部有60度角内六角螺栓，通过旋入而挤压箍紧力传感器，直到标定的应变数值，最后用螺母锁紧。

第五步：安装到轴向拉力支撑架之后，手动拧装置顶部螺母，轴向拉力传感器受拉而发生应变数值变化，直到标定的应变数值，最后用另一个螺母锁紧。

第六步：振动试验开始后，通过观察两个传感器应变变化，由应力应变关系，得出应力，再乘以有效面积得出力的变化，分析出振动环境中卡箍平板箍紧力和轴拉力变化范围。

第七步：振动试验后，通过查看箍紧力支撑架上标尺，量出碟簧压缩的距离进而得到卡箍平板松弛距离。最后拆开工装，检查是否卡滞，并检查接触面变形或者破坏情况。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.大口径V型卡箍平板振动实验装置，其特征在于：该装置包括V型卡箍平板、凸缘法兰平板、箍紧力传感器、轴拉力传感器、碟簧传力模块、箍紧力支撑架、轴向拉力支撑架、固定架和固定板；导块共有三块，两两导块之间分别夹着V型卡箍平板和凸缘法兰平板配合形成的对称结构以及碟簧，V型卡箍平板和凸缘法兰平板的厚度均为20mm，碟簧由若干对碟形弹片对合在一起套在导柱上，碟簧根据所加箍紧力选用13对；通过手动拧内六角螺栓，使之顶紧铝块做的箍紧力传感器，箍紧力传感器顶着导块造成碟簧压缩，挤压V型卡箍平板，等效成箍紧力；手动拧顶部螺母，U型接头提拉对称的凸缘法兰平板，再用螺母锁紧，等效成施加轴拉力；箍紧力传感器、导块、碟簧和V型卡箍平板都在同一平面内在箍紧力支撑架内无摩擦滑动；箍紧力支撑架由六个螺栓固定在固定架上，并套在轴向拉力支撑架中一起固定在固定板上，固定板固定在振动平台上；箍紧力传感器和轴拉力传感器连接应变仪，实时监测着箍紧力和轴向拉力的变化。

2.根据权利要求1所述的大口径V型卡箍平板振动实验装置，其特征在于：所述箍紧力传感器和轴拉力传感器均由铝材料制成，箍紧力传感器和轴拉力传感器做成圆柱体，每个贴上八个横竖相交应变片，全桥接入应变仪上。

3.根据权利要求1所述的大口径V型卡箍平板振动实验装置，其特征在于：所述V型卡箍平板加工成不同摩擦系数、不同V型角和不同咬合深度类型进行振动实验。

4.利用权利要求1所述装置进行的大口径V型卡箍平板振动实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，

第一步：建立大口径V型卡箍平板振动实验装置；

第二步：根据整个V型卡箍平板箍紧时的力，通过理论计算，计算出20mm厚的V型卡箍平板对凸缘法兰平板的箍紧力；

第三步：计算出20mm厚的凸缘法兰平板的轴向拉力；

第四步：在安装到轴向拉力支撑架之前，手动拧顶部有60度角的内六角螺栓，通过旋入而挤压箍紧力传感器，直到标定的应变数值，最后用螺母锁紧；

第五步：安装到轴向拉力支撑架之后，手动拧顶部螺母，轴向拉力传感器受拉而发生应变数值变化，直到标定的应变数值，最后用另一个螺母锁紧；

第六步：振动试验开始后，通过观察箍紧力传感器和轴拉力传感器应变变化，由应力应变关系，得出应力，再乘以有效面积得出力的变化，分析出振动环境中V型卡箍平板箍紧力和轴拉力变化范围；

第七步：振动试验后，通过查看箍紧力支撑架上标尺，量出碟簧压缩的距离进而得到V型卡箍平板松弛距离；最后拆开工装，检查是否卡滞，并检查接触面变形或者破坏情况。

5.根据权利要求4所述的大口径V型卡箍平板振动实验方法，其特征在于，第二步中，计算出20mm厚的V型卡箍平板对凸缘法兰平板的箍紧力的理论公式为：

把直径D的V型卡箍平板截成一半；

已知箍紧时V型卡箍平板直径D，初始箍紧力为F₁，V型卡箍平板箍紧力由碟簧挤压V型卡箍平板产生，实验逐渐增加拉力；

由受力分析知:

2F₁＝P₁Dh；

P₁＝2F₁/Dh；

f₁＝P₁S′/2＝F₁S′/Dh＝F₁hl'/Dh＝F₁l'/D

式中：P₁——碟簧挤压V型卡箍平板面产生的压强；h—V型卡箍平板的高度；S′—所取包带的试样面积,S'＝hl'，l'—V型卡箍平板厚度；f₁—开始箍紧时碟簧的弹力。

6.根据权利要求5所述的大口径V型卡箍平板振动实验方法，其特征在于，第四步、第五步中，箍紧力传感器和轴拉力传感器由八个应变片沿轴线在材料为AL的圆柱上沿圆周均匀分布；

应变仪测量的电桥原理为：单臂电桥四个桥臂的电阻分别为R₁,R₂,R₃,R₄，A、C端接桥源，B、D端为输出端；A、C间的电压为U，则流经电阻R₁的电流为

R₁两端的电压降为

同理，R₃两端的电压降为

则，B、D端输出电压为

当输出电压ΔU＝0，称为电桥平衡，此时R₁R₄＝R₂R₃；

电桥在接上电阻R₁,R₂,R₃,R₄时处于平衡状态，满足R₁R₄＝R₂R₃，那么当上述各电阻分别改变为ΔR₁,ΔR₂,ΔR₃,ΔR₄时，得电桥的输出电压为

将式子R₁R₄＝R₂R₃代入，省略高阶小量得电桥输出公式

采用全电桥接法在进行测量时，将粘贴在试样上的四个相同规格的应变计同时接入测量电桥；当试样受力后，上述的应变计感受到的应变分别为ε₁,ε₂,ε₃,ε₄，相应的电阻改变量为ΔR₁,ΔR₂,ΔR₃,ΔR₄，则根据电桥输出公式得输出电压为

于是得应变仪的读数为

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