1.本发明涉及一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装及其使用方法。
背景技术：
2.大尺寸级双头螺栓广泛用于矿山机械、桥梁、风电、轨道交通、船舶、大跨度钢结构和大型建筑等领域中。在上述领域中，使用双头螺栓的结构往往承受大载荷或超大载荷，如结构自身重量导致的静载荷，外界风、列车运行、地震、海浪等带来的动载荷，以及温度差异较大情况导致的高温蠕变载荷，这些载荷将导致螺栓部分区域的应力集中，进而在交变载荷作用下形成裂纹并不断扩展，一旦裂纹扩展到一定程度，则导致螺栓断裂，造成重大工程事故，带来巨大的经济损失和社会负面影响，因此对大尺寸双头螺栓开展疲劳性能测试具有重要作用。
3.疲劳试验时，如果载荷中心线与螺栓轴向中心线有偏差，那么将导致螺母与栓杆的交接处附近存在的超大应力集中，这些应力严重影响试验结果的准确性。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本发明旨在提出一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装及其使用方法，以解决现有方法中存在的上述问题，并设计匹配性的工装以使载荷中心线与螺栓轴向中心线一致，以此避免或减少由安装误差带来的应力对实验的影响。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装，所述工装为上下两套对称结构，包括连接筒、对中定位结构、转接承载结构，所述连接筒与疲劳试验机连接，所述转接承载结构与连接筒的内侧活动连接，所述对中定位结构包括凸面复合体，所述转接承载结构包括凹面复合体，所述凸面复合体设置有第一通孔，凹面复合体设置有第二通孔，双头螺栓两侧依次穿过第二通孔、第一通孔，通过凸面复合体和凹面复合体的配合，实现双头螺栓轴向中心线与载荷中心线之间的自动对中定位。
7.使用该工装时，当双头螺栓的轴向中心线与载荷中心线不在同一轴线，通过施加一定的载荷，实现上述两中心线之间的自动对中。
8.进一步地，所述凸面复合体包括依次相连的第一凸起、第二凸起、第三凸起，所述凹面复合体包括依次相连的第一凹起、第二凹起、第三凹起，所述第一凸起与第一凹起对应设置，所述第二凸起与第二凹起对应设置，所述第三凸起与第三凹起对应设置。
9.该结构可实现双头螺栓的自动对中定位功能，又能实现防止螺栓左右错位功能。
10.进一步地，所述第二凸起与第二凹起的中心轴均为l，所述第一凸起与第三凸起关于中心轴l对称设置，所述第一凹起与第三凹起关于中心轴l对称设置。
11.进一步地，所述第二凸起的底端为球面结构或直面结构，所述第二凹起的底端为球面结构或直面结构。
12.进一步地，所述第二凸起和第二凹起的底端均为直面结构时，所述第二凸起的两
侧弧形段延长线形成的交点为第三点，所述第三点的曲率半径为r1，所述第二凹起的两侧弧形段延长线形成的交点为第六点，所述第六点的曲率半径为r2，所述第一凸起与第二凸起连接处为第二点，所述第二点的曲率半径r3，所述第一凹起与第二凹起连接处为第五点，所述第五点的曲率半径r4，所述第一凸起包括第一点，所述第一点的曲率半径为r5，所述第一凹起包括第四点，所述第四点的曲率半径为r6，其中，r1》r5》r3，r2》r6》r4。
13.该设置可以防止转接承载结构和对中定位结构之间错位。
14.进一步地，所述第二凸起包括第一段、第二段、第三段，所述第一段与第三段关于中心轴l对称，所述第二凹起包括第四段、第五段、第六段，所述第四段与第六段关于中心轴l对称。
15.进一步地，所述第二段与第五段之间的距离为h1，第二点所在水平线与第五点所在水平线之间的距离为h2，所述第一点所在水平线与第四所在水平线之间的距离为h3，其中，h1》h3》h2。
16.该设置在实验时，当转接承载结构和对中定位结构配合时，将首先确保r3和r4相接触，从而该区域为主要受力区间，实验过程中调整螺栓时，使其可以在一定范围内移动，避免偏移过量。
17.进一步地，所述连接筒设置有多个定位块、多个调节孔，所述定位块位于连接筒的外侧，所述调节孔贯穿所述连接筒的外壁和内壁，所述定位块与调节孔的高度一致。
18.该设置所述定位块和调节孔，主要用于实现手动对中定位功能。
19.进一步地，所述对中定位结构包括调节块，所述调节块为沿外圆环形分布的齿形结构，所述调节块位于凸面复合体的两端，所述调节块与调节孔位于同一水平线上。
20.该设置可以实现手动对中定位功能。
21.一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装的使用方法，使用上述所述的试验工装进行实验时，包括如下步骤:
22.s1、将连接筒与试验机夹头分别对应安装并夹紧；
23.s2、将双头螺栓两侧分别依次穿过转接承载结构、对中定位结构，并均采用螺母拧到一定位置后置于两连接筒之间；
24.s3、采用扳手分别将转接承载结构固定到对应的连接筒上；
25.s4、调节试验机上下夹具之间的距离，使双头螺栓与工装之间具有一定的拉力；在拉力作用下，螺栓轴向中心线与试验机上下夹头之间的载荷中心线相重合；同时采用手动调节工具进行手动对中调节，进一步确保螺栓轴向中心线与试验机上下夹头之间的载荷中心线完全重合；
26.s5、设置实验参数、开始疲劳试验。
27.相对于现有技术，本发明所述的一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装及其使用方法，具有以下优势：
28.(1)本发明提供的试验工装，双头螺栓两侧分别依次穿过凹面复合体和凸面复合体之间的通孔，通过凸面复合体和凹面复合体的配合，能够实现双头螺栓轴向中心线与载荷中心线之间的自定对中定位功能。
29.(2)本发明采用第一凸起与第一凹起配合、第二凸起与第二凹起配合、第三凸起与第三凹起配合，既能够实现螺栓轴向中心线与载荷中心线之间的自动对中定位功能，还能
够防双头螺栓左右偏移过量的功能；
30.(3)本发明通过在对中定位结构上设置调节块，通过连接筒上设置定位块、调节孔，可实现手动定位对中功能，本发明在自动对中定位功能的基础上增加手动定位对中功能，进一步确保实验的准确性。
附图说明
31.图1为本发明的一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装的整体结构示意图；
32.图2为本发明的连接筒的整体结构示意图；
33.图3为图2的a-a方向的剖面图；
34.图4为图2的b-b方向的剖面图；
35.图5为本发明的定位块结构示意图；
36.图6为本发明的对中定位结构的俯视图；
37.图7为图6的c-c方向的剖视图；
38.图8为本发明的转接承载结构的主视图；
39.图9为本发明的转接承载结构的俯视图；
40.图10为本发明的凸面复合体和凹面复合体的配合的部分结构示意图；
41.图11为本发明的凸面复合体和凹面复合体的配合的相关尺寸的示意图；
42.图12为本发明的凸面复合体的主视图和俯视图；
43.图13为本发明的凹面复合体的主视图和俯视图。
44.附图标记说明：
45.1-连接筒，11-定位块，12-调节孔，2-对中定位结构，21-凸面复合体，211-第一凸起，2111-第一点，2112-第二点，2113-第一奇点，212-第二凸起，2121-第一段，2122-第二段，2123-第三段，2124-第三点，2125-第二奇点，213-第三凸起，214-第一通孔，215-承载凸台，22-调节块，3-转接承载结构，31-凹面复合体，311-第一凹起，3111-第四点，3112-第五点，312-第二凹起，3121-第四段，3122-第五段，3213-第六段，3124-第六点，313-第三凹起，314-第二通孔，32-旋转部，4-第一紧固件，5-双头螺栓，l-中心轴，e-凸面复合体的主视图，f-凸面复合体的俯视图，h-凹面复合体的主视图，i-凹面复合体的俯视图。
具体实施方式
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。另外，对下述具体实施方式中涉及到方位作简要说明：在实施例中所提到的“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方向或位置关系，是指附图中所示的方位或位置关系。
47.本发明涉及一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装，如图1-13所示，所述工装为上下两套对称结构，包括连接筒1、对中定位结构2、转接承载结构3，配合疲劳试验机，可对双头螺栓进行拉拉应力工况下疲劳性能测试。
48.具体地，所述连接筒1与疲劳试验机连接，所述转接承载结构3与连接筒1的内侧活动连接，所述对中定位结构2设置有凸面复合体21，所述转接承载结构3包括凹面复合体31，所述凸面复合体21设置在凹面复合体31内，所述凸面复合体21设置有第一通孔214，凹面复
合体31设置有第二通孔314，所述第一通孔214与第二通孔314连通，双头螺栓5依次穿过第二通孔314、第一通孔214，通过第一紧固件4实现螺栓的固定，通过凸面复合体21和凹面复合体31的配合，在施加一定载荷下，实现双头螺栓轴向中心线与载荷中心线之间的自动对中定位。
49.该设置中，当双头螺栓轴向中心线与载荷中心线之间不在同一轴线时，通过施加一定的载荷，实现上述两中心线自动对中。
50.优选地，所述第一紧固件4为螺母。
51.具体地，所述凸面复合体21上端为承载凸台215，所述承载凸台215与螺母配合，所述承载凸台的过渡处均设置相应的倒角。
52.具体地，所述连接筒1内侧设置有内螺纹，其螺纹高度和形式试具体情况而定。所述转接承载结构3外侧设置外螺纹，所述连接筒1与转接承载结构3通过螺纹连接。优选地，所述外螺纹设置在凹面复合体的外侧上。
53.具体地，对中定位结构用于自动对中定位，以及为进一步确保精准对中定位可采用专用工具进行手动调节。
54.具体地，所述连接筒1设置有多个定位块11、多个调节孔12，所述定位块11位于连接筒1的外侧，所述调节孔12贯穿连接筒1的外壁与内壁，所述定位块11与调节孔12的高度一致。
55.更具体地，多个定位块11包括2个定位块，多个调节孔12包括2个调节孔，定位块和调节孔处于同一截面，并依次等距排列，所述调节孔与定位块的间距根据调节工具进行设定，所述调节孔为非径向孔，该设置可使调节工具插入调节孔内，定位块用于固定调节工具，实现双螺栓在凸面体上的手动定位。
56.再具体地，定位块的横截面为ω型截面，在手动定位调节中，使调节工具与连接筒之间配合紧密不至于脱落，保证定位所用的力稳定可靠。调节孔为圆形孔，但开孔方向并非径向，即开孔方向与过此点的直径有一定的偏差，偏差距离视具体情况而定，该调节孔开孔方式避免了由于调节力与直径的重合造成的调节功能失效。
57.具体地，所述对中定位结构2包括调节块22，所述调节块22位于凸面复合体21的两端，所述调节块22与调节孔12位于同一水平线上。调节块22与手动调节工具配合使用，凸面复合体与凹面复合体的表面光洁度较高，必要条件下使用润滑剂，以减少两者相对运动时产生的摩擦力，从而使得在外部载荷作用下载荷中心线与双头螺栓轴向中心线更容易达到自动对中功能。
58.具体地，所述调节块为环形结构，所述调节块的外侧设计成齿形，调节块的齿形按实际需要设计，齿数不宜过疏或过密。
59.具体地，所述凸面复合体21包括依次相连的第一凸起211、第二凸起212、第三凸起213，所述第一凸起211与第三凸起213关于第二凸起212的中心轴l对称设置，所述凹面复合体31包括依次相连的第一凹起311、第二凹起312、第三凹起313，所述第一凹起311与第三凹起313关于第二凹起312的中心轴l对称设置，所述第一凸起211与第一凹起311对应设置，所述第二凸起212与第二凹起312对应设置，所述第三凸起213与第三凹起313对应设置。
60.具体地，所述第二凸起212包括第一段2121、第二段2122、第三段2123，所述第一段2121与第三段2123关于中心轴l对称，所述第二凹起包括第四段、第五段、第六段，所述第四
段与第六段关于中心轴l对称。优选地，所述第一段2121与第三段2123为曲面，所述第二段为直面或弧面，所述第四段与第六段为曲面，所述第五段为直面或弧面。
61.优选地，所述第二段与第五段均为直面，所述第二段与所述第五段平行。
62.具体地，所述第二段与第五段之间的距离为h1，第二点所在水平线与第五点所在水平线之间的距离为h2，所述第一点所在水平线与第四所在水平线之间的距离为h3，其中，h1》h3》h2。
63.具体地，所述第二凸起212的两侧弧形段延长线形成的交点为第三点2124，所述第三点2124的曲率半径为r1，所述第二凹起312的两侧弧形段延长线形成的交点为第六点3124，所述第六点3124的曲率半径为r2，所述第一凸起211与第二凸起212连接处为第二点2112，所述第二点2112的曲率半径r3，所述第一凹起311与第二凹起312连接处为第五点3112，所述第五点的曲率半径r4，所述第一凸起211包括第一点2111，所述第一点2111的曲率半径为r5，所述第一凹起311包括第四点3111，所述第四点3111的曲率半径为r6，其中，r1》r5》r3，r2》r6》r4；r5与r6圆心不在同一竖直线上，r3与r4圆心不在同一竖直线上。同时，r2》r1，r6》r5，r3》r4。
64.具体地，所述第一点2111位于第一凸起211的最低端，所述第四点3111位于第一凹起311的最低端，所述第二点2112位于第一凸起的最高点，所述第五点3112位于第一凹起311的最高点。
65.具体地，所述第一点2111距离中心轴l的距离小于第四点3111距离中心轴l的距离，所述第二点2112距离中心轴l的距离大于第五点3112距离中心轴l的距离。
66.在实验过程中该设置可以确保转接承载结构和对中定位结构首先在第一点2111至第二点2112与第四点3111至第五点3112之间的区域相接触，间接保证螺栓在一定范围内移动，避免偏移过量。
67.具体地，所述凸面复合体21有多个奇点，包括第一奇点2113、第二奇点2125，所述第一奇点2113设置第一点和第二点之间，所述第二奇点2125设置在第一段上：要求l1》l2，v2》v1，实际应用过程中，图10中第一奇点、第二奇点不一定在同一水平线或竖直线上。
68.其中，l1是指第一奇点到第一奇点的水平线与第一凸起横截面曲线交点的长度；l2是指第一奇点到第一奇点的水平线与第一凹起横截面曲线交点的长度；v1是指过第一奇点的竖直线与第一凹起交点到第二点水平线之间的距离；v2是指过第二奇点的竖直线与第二凹起交点到第四点水平线之间的距离。
69.具体地，所述转接承载结构3包括旋转部32，所述旋转部32与凹面复合体31连接，所述旋转部32位于凹面复合体31的下端；所述旋转部32为六边形形状，安装时将转接承载结构与连接筒对齐，将扳手与旋转部块配合使用，从而将转接承载结构的旋转部以上部分整体旋入连接筒中，拆卸时，则反过来。
70.一种大尺寸双头螺栓疲劳试验工装的使用方法，使用上述所述的试验工装，包括如下步骤：
71.a.分别将上下连接筒与试验机上下夹头对应安装并夹紧；
72.b.将双头螺栓两侧分别依次穿过转接承载结构和对中定位结构，并均与螺母配合使用，且露出适当长度；
73.c.将两侧的转接承载结构和连接筒对齐，并采用扳手将转接承载结构拧到预定位
置；
74.d.双头螺栓下头参考b和c两步完成；
75.e.调节试验机上下夹具之间的距离，使双头螺栓与工装之间恰好有一定的拉力；
76.f.理论上，该装置在螺栓刚好存在压力时，由于弧面原因，螺栓轴向中心线会与试验机上下夹具之间的载荷中心线重合，如果不重合或仍存在一定程度的偏差时，则采用手动调节工装调整螺栓位置，使两中心线相重合；
77.g.设置试验参数，开始疲劳试验；
78.h.试验完成后，卸载试验载荷，采用扳手依次拆除两侧的转接承载结构，拧下两头螺母，更换新一根螺栓，重复上述部分，完成疲劳试验。
79.本发明通过凸面复合体和凹面复合体相互配合，当双头螺栓施加一定载荷时，双头螺栓能够实现自动对中功能，且当自动对中仍有一定偏差时，可采用手动调节功能，同时，该第一凸起与第一凹起、第三凸起与第三凹起还具有防止各结构模块之间的错位。
80.本发明成果可用于不同型号的双头螺栓疲劳性能测试，采用的精准对中定位技术具有创新性，试验过程中减少由于试验导致的安装误差，使其更加符合螺栓的实际服役状态。
81.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。