螺栓拉伸试验夹具快换装置研究

张亚军

（山西机电职业技术学院，长治 046011）

0 引言

目前，螺栓拉伸试验时采用的过渡连接装置为开口式（图1），或螺纹连接式（图2）。开口式连接装置是在圆筒形拉伸座一侧开槽，内腔为台阶孔，拉伸螺母为台阶状圆柱体（内有螺纹），拉伸螺母可从开槽处嵌入拉伸座内，拉伸杆与拉伸座采用一体式或螺纹连接设计。开口式连接装置优点为能够方便快捷地更换被试螺栓；缺点为拉伸座与拉伸螺母连接处为开口，拉伸试验时接触面受力不均，局部接触应力很大，存在接触面压溃现象，由于受力不均被试螺栓在拉伸过程中会产生弯曲变形，形成附加弯矩，直接影响测量值的准确性。由于缺口的存在，拉伸座在拉伸时开口处将产生变形使开口增大，被试螺栓容易从开口处滑脱，存在安全隐患。螺纹旋入式连接装置是拉伸螺母与拉伸座采用螺纹连接，拉伸座为内腔带有螺纹的圆筒，拉伸杆与拉伸座采用螺纹连接，其优点为拉伸螺母与拉伸座连接采用螺纹连接，受力均匀，能够承受的拉伸力大，被试螺栓不产生附加弯矩，测量值准确，安全可靠。缺点为每次更换被试螺栓需将拉伸螺母从拉伸座上旋下，费工费时，效率很低，不能满足大批量试验的要求。

为降低劳动强度、提高试验效率、保证试验安全、保证测试值准确，本文提出了一种螺栓拉伸试验快换装置，该装置能够大大降低劳动强度、提高试验效率、保证试验过程安全、消除试验过程中附加弯矩的影响、保证测试值准确，满足大批量试验的要求。

图1 开口式

图2 螺纹式

1 拉伸试验装置模型

结合被试螺栓的规格及性能等级，如图3所示，本盒型装置满足M6至M39螺栓（包括粗牙和细牙）的拉伸试验。本装置拟采用两半式盒型结构，通过合页将两半盒型件连接在一起，当两半盒型件扣合后，通过上下两个拉销将其紧固为一体，两半盒型件内部为上下半圆形台阶孔，扣合后形成上下圆形台阶孔，上端台阶孔连接拉伸杆，拉伸杆与拉伸座（两半的其中一半）采用螺钉固定，拉伸杆与拉力试验机夹头相连接，下端台阶孔与拉伸螺母相连接，拉伸螺母与被试螺栓相连接，试验时本装置成对使用，拉伸杆分别与拉力试验机的上下夹头相连，可完成螺栓的拉伸试验，如图4所示。另有附件平垫圈、4°楔形垫圈、6°楔形垫圈、10°楔形垫圈及双头螺柱，满足国标GB3098.1—2000《紧固体机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的试验要求。

图3 盒型装置

图4 试验状态

2 拉伸试验快换装置的结构计算

由于被试螺栓的最大规格为M39，其需要的试验拉力最大，受力状况最恶劣，本文只针对M39规格的12.9级螺栓进行设计计算。由于在拉伸试验过程中对拉伸装置产生的变形不要求，主要是强度要足够，本文分别对拉伸杆、拉伸螺母、拉伸座等主要受力零件进行计算。

2.1 拉伸螺母的强度计算

由机械设计手册[2]查得，M39细牙螺栓的最小拉力载荷F为1260000N。考虑到M39螺栓为12.9级，拟采用35CrMnSiA材料，该材料的抗拉强度5所示。

图5 拉伸螺母

拉伸螺母最小直径：

取安全系数 ns= 3 。

取d2= 7 6mm 。

校核拉伸螺母强度：

台阶处为接触应力受力面，计算 d1min：

取安全系数 ns= 3 。

取d1= 9 8mm。

根据台阶处的切应力计算台阶厚度H1：

考虑到拉伸螺母与拉伸座之间为悬臂结构连接形式，取H1=25mm；

经查阅机械设计手册，M39螺纹的拧入深度为48mm，结合拉伸座的结构形式取H2=99mm。

2.2 拉伸杆的计算

由机械设计手册查得，M39细牙螺栓的最小拉力载荷为F=1260000N。考虑到M39螺栓为12.9级，拉伸杆拟采用35CrMnSiA材料，该材料的抗拉强度为 σb= 1 620MPa ， σs= 1 280MPa ，如图6所示。拉伸杆最小直径：

图6 拉伸杆

取安全系数 ns= 2 .8。

取拉伸杆直径 d1= 6 0mm。

校核拉伸杆强度：

为便于加工，取 d2= 7 6mm ，d3= 9 8mm，H1=25mm。

2.3 拉伸座最小壁厚的计算

由于M 3 9细牙螺栓的最小拉力载荷为F=1260000N，考虑到M39螺栓为12.9级，所以拉伸座拟采用35CrMnSiA材料，该材料的抗拉强度为 σb= 1 620MPa， σs= 1 280MPa ，如图7所示。

由于拉伸杆 d3= 9 8mm ，拉伸螺母 d1= 9 8mm，所以拉伸座内腔直径选用 d1= 1 00mm，外径 d2最小值由下式进行计算。

图7 拉伸座

取安全系数 ns= 3 .5。

取d2= 1 20mm 。

校核拉伸座强度：

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

3 应力分析结果

根据设计的盒型螺栓拉伸装置模型，固定拉伸杆，在拉伸螺母上加载1260000N的载荷，通过ansysworkbench进行有限元分析，分别计算出了拉伸螺母、拉伸杆、拉伸座的应力云图。

图8 拉伸杆应力云图

图9 拉伸螺母应力云图

图10 拉伸座应力云图

如图8所示，拉伸杆最小截面平均应力为445MPa，台阶圆角处应力集中可达628MPa；如图9所示，拉伸螺母台阶圆角处存在应力集中，台阶圆角处应力集中可达880MPa；如图10所示，拉伸座平均应力为400MPa，台阶圆角处应力集中应力628MPa。由于拉伸螺母、拉伸杆、拉伸座均采用3 5 C r M n S i A材料，该材料的抗拉强度为σb= 1 620MPa ， σs= 1 280MPa ，所以能够满足使用要求。

4 结论

本文首先分析了目前两种形式的螺栓拉伸装置的优缺点，设计了一种螺栓拉伸试验快换装置，并对关键部件进行了详细的计算，最后用ansysworkbench进行了受力分析。该装置具有能够快速更换被试螺栓、被试螺栓受力均匀、使用安全等优点。

[1] 庞建召.螺栓拉伸用夹具的改进[J].理化检验物理分册,1998,5:21-23.

[2] 成大先.机械设计手册(第四版)[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.

[4] Solidworks 高级使用指南[M].