螺栓联接综合实验指导书.doc

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1、 螺栓连接动静态特性分析实验台实 验 指 导 书湖南福润德科技文化有限责任公司TEL:0731-88270660 88270661(Fax)实验一 螺栓联接综合实验指导书一、实验目的1、 了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。2、 计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。3、 验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。4、 通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接 强度的各项措施。二、实验项目 LYS-A螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目：1、基本螺栓联接静动态实验。2、增加螺栓刚度的静动态实验。3、增加被连

2、接件刚度的静动态实验。4、改用弹性垫片的静动态实验。三、实验设备及原理（一） 概述承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接是常用的且较重要的一种连接形式。这种连接中零件的受力属于静不定问题。由理论分析可知，螺栓的总拉力除与预紧力FP、工作拉力F有关外，还受到螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm等因素的影响。图1所示为一单个螺栓连接及其受力变形图。图1 单个螺栓连接及其受力变形图图1a)所示为螺栓刚好拧到与被连接件相接触，但尚未拧紧的状态。图1b)所示为螺母已拧紧，但螺栓未受工作载荷的状态，此时，螺栓受预紧力FP的拉伸作用，其伸长量为1，而被连接件则在FP的压缩作用下产生的压缩量为2。图1c)所示为承受工作载

3、荷F时的情况，此时螺栓所受拉力由FP增至F0，继续伸长量为，总伸长量为1+。被连接件则因螺栓伸长而被放松，根据连接的变形协调条件，其压缩变形的减小量应等于螺栓拉伸变形的增加量。因此，总压缩量为2-；而被连接件的压缩力由FP减至FP，FP称为残余预紧力。由于螺栓和被连接件的变形发生在弹性范围内，上述受力与变形关系线图如图2所示。图2 受力与变形关系线图由图2可知，螺栓总拉力F0并不等于预紧力FP与工作拉力F之和，而等于残余预紧力FP与工作拉力之和，即F0= FP+F或F0= FP+ F根据刚度定义，C1=FP/1，C2=FP/2。由图2中几何关系可得F=C1F/（C1+C2）因此，螺栓总拉力为F

4、=FP+ C1F/（C1+C2）式中，C1/（C1+C2）为螺栓的相对刚度系数。此时螺栓预紧力为FP= FP+C2F/（C1+C2）为了保证连接的紧密性，根据连接的工作性质可取残余预紧力FP=（0.21.8）F.对于承受轴向变载荷的紧螺栓连接,在最小应力不变的条件下,应力幅越小,则螺栓越不容易发生疲劳破坏,连接的可靠性越高.当螺栓所受的工作拉力在0F之间变化时,则螺栓总拉力将在FPF0之间变动.由F=FP+ C1F/（C1+C2）可知,在保持预紧力FP不变的条件下,若减小螺栓刚度C1或增大连接件刚度C2都可以达到减小总拉力F0的变化范围(即减小应力幅a之目的.因此,在实际承受动载荷的紧螺栓连接

5、中,宜采用柔性螺栓(减小C1)和在被连接件之间使用硬垫片(增大C2)。图3为被连接件间使用不同垫片时对螺栓总拉力F0的变化影响。图3为被连接件间使用不同垫片时对螺栓总拉力F0的变化影响。（二）实验设备及仪器 该实验需LYS-A螺栓联接综合实验台一台,及其测量仪一台，计算机及专用软件等实验没备及仪器。1、螺栓联接实验台的结构与工作原理。如图4所示。 1)联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。空心螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载截面积，以达到改变联接件刚度的目的。垫

6、片组由刚性和弹性两种垫片组成。 2)被联接件部分由上板、下板和八角环组成，八角环上贴有应变片，测量被联接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被联接件系统的刚度。3)加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另端装有手轮，转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载(改变工作载荷)的目的。2、LYS-A型静动态测量仪的工作原理及各测点应变片的组桥方式。本仪器由精密恒流源,多路切换开关,前置放大器,低通滤波器,A/D转换器,单片机,显示电路,电源等部分组成见方框图。图4整机方框图本机桥路激励采用恒流源模式

7、，电子开关切换测点，电路新颖，工作合理。图4为单片工作简图，图5为其中一路的等效电路。图5 等效电路图中Rk 切换开关等效电阻RL 应变片引线电阻Rg 应变片电阻IB 恒定电流源在图5回路中，电流恒定不变，信号从C点输出。开关等效电阻Rk的影响被排除，引线电阻RL固定不变，对输出无影响，也无需长导线修正。只要测出Rg即等效了应变的测量。根据应变片原理由于采用恒流激励则由上式可见U和K为常数。只要测出U就可换算成相应的应变值,这里不存在非线性误差。本仪器桥路平衡采用DA反馈自动调零和初值扣除的两种方法,测量前先通过DA调整放大器的偏移电压使放大器的输出接近零值，然后再将每个测点桥路不平衡值即初始

8、值显示存贮,在随后测量中将该点初值扣除,实现了自动平衡的功能。1-电机、2-蜗杆、3-偏心轮、4-蜗轮、5-空心螺栓内螺栓拧紧手柄、6-中间板、7-锥销、8-施力弹簧、9-空心螺栓、10空心大螺母、11-千分表1（测空心螺栓）、12-千分表2、13-八角环、14-空心螺栓内螺杆（止动螺栓）、15-挺杆、16-手轮 图6 螺栓连接实验装置结构简图四、实验方法及步骤 (一)实验台及仪器预调与连接 1)实验台：取出八角环上两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆，装上刚性垫片，转动手轮，使挺杆降下，处于卸载位置。将两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面(靠外侧)和螺栓顶面接触，用以测量联接件(螺栓

9、)与被联接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。(预紧初始值)螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。2)测量仪：配套的4根输出线的插头将各点插座连接好。3)计算机：用配套的串口数据线接仪器背面的通讯插座，另一头连接计算机上的RS232串口。启动 数据采集箱，进入实验台螺栓实验界面后。按“数据调零”键后，对“应变测量值”数据清零。（二)实验方法与步骤1螺栓联接的静态实验1)用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为3040N时，取下扳手，完成螺栓预紧。2)进入静态螺栓界面，将表中给定的标定参数由键盘输入到相应的“参数给定框”中。将千分表测量的螺栓拉变形和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入

10、”框中。通过测量仪上的液晶屏读取,将对应点值填预紧表中。序号参数标定系数1螺栓拉力0.026652螺纹副摩擦力矩（） 3八角环压力0.09554挺杆压力 3)单击“设置预紧力”键，对预紧的数据进行采集和处理。4)用手将实验台上手轮逆时钟(面对手轮)旋转，使挺杆上升至一定高度，对螺栓轴向加载三次，将读数填入实验报告加载测试表中。每加载一次点击一次采点。5)加载完三次，点击软件界面上的连线。使各点练成曲线。6)单击软件界面上的画理论图，可以在软件下面显示出理论曲线。学生可将理论曲线和实测曲线进行对比。7)单击“打印”键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。9)完成上述操作后，静态螺栓联接实验结束，单击

11、“返回”键，可返回主界面。2螺栓联接动态实验1)螺栓联接的静态实验结束返回主界面后，单击“动态测试”进入动态螺栓实验界面。2)取下实验台右侧手轮，开启实验台电动机开关，单击“采集”键，使电动机运转30秒钟左右。进行动态加载工况的采集和处理。3)单击通道选择，选取需要进行动态测试的测试点，本实验一般选取螺栓拉应变和八角环应变。4)单击“保存数据”键，保存实时的数据，以便学生带走。7)完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。五、实验内容 LYS-A螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目，每个实验项目都需对实验台进行调整。 1、螺栓联接静动态实验：1)实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8

12、小螺杆，装上刚性垫片。2、增加螺栓刚度的静动态实验： 1)实验台要求：取出八角环上两锥塞，拧紧空心螺杆上的M8小螺杆，调至实心位置。3、增加被连接件刚度的静动态： 1)实验台要求：插上八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆4、改用弹性垫片的静动态： 1)实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上弹性垫片。六、注意事项 进行动态实验，开启电机电源开关时必须注意把手轮卸下来，避免电机转动时发生安全事故 并可减少实验台振动和噪声。实验一 螺栓联结综合实验报告机械设计实验报告实验名称实验日期组别姓名班级成绩1实验设备与实验条件试验机型号（或编号）实验条件2 实验数据记录与处理

13、被测零件所受力与变形关系表工作载荷F被测零件千分表测量仪读数(mm)变形量(mm)应变（）应力(Nmm2)初始状态螺栓（拉）螺栓（扭）八角环预紧螺栓（拉）螺栓（扭）八角环第一次加载F1螺栓（拉）螺栓（扭）八角环第二次加载F2螺栓（拉）螺栓（扭）八角环第三次加载F3螺栓（拉）螺栓（扭）八角环注：，变形mm 应变 螺栓长度mm 材料弹性模量 应力Nmm2 有效作用面积mm2 标定系数3绘制实际螺栓联结的受力与变形的关系图；绘制理论螺栓联结的受力与变形的关系图；4对比理论与实际的变形图，分析，得出结论。5思考题 1） 为什么受轴向载荷紧螺栓连接的总载荷不等于预紧力加外载荷？2） 从实验结果分析受动载荷的紧螺栓连接。为了提高螺栓疲劳强度，被连接件之间应采用软垫片还是硬垫片？为什么？连接螺栓的刚度大些好还是小些好，相应的螺栓机构有何特点？3） 由单个螺栓连接测出的相对刚度系数值与由螺栓组连接中测到的相对刚度系数值是否一致？影响相对刚度系数值的因素有哪些？