LSC-II 螺栓组及单螺栓联接综合实验台螺栓组及单螺栓联接综合实验台一、工程应用实例一、工程应用实例螺纹联接是机器中广泛采用的联接形式，常为可拆联接。在机械设计中大量使用螺纹联接，例如流体传动中液压缸的法兰盘联接、汽车发动机中汽缸盖与缸体的联接等。在日常生活中，螺栓组联接也有广泛应用，例如空调的室外机的托架等等。二、实验问题的提出二、实验问题的提出在螺栓承受变动外载荷时，粗螺栓的疲劳寿命比细长螺栓的寿命短，这是为什么呢？另一方面，在机器设计中可以通过哪些措施来提高螺栓的疲劳寿命，机械设计中介绍了三种措施：（1）提高被联接件的刚度；（2）减小螺栓的刚度；（3）提高螺栓联接的预紧力。也可以同时采用上述三种措施。第（1） （2）种措施将导致螺栓联接残余预紧力的减小，这对有密封要求的联接是必须考虑的；第（3）种措施会导致螺栓静强度的减弱。上述结论正确吗？我们通过本实验来观察、分析螺栓的联接特性。螺栓联接常成组使用。在外界转矩或倾翻力矩载荷作用下，每只螺栓上承受的载荷一样吗？各螺栓上承受载荷间有什么关系呢？让我们用实验来研究这一问题。三、实验目的三、实验目的现代各类机械工程中广泛应用螺栓组机构进行联接。如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态性能参数是工程技术人员面临的一个重要课题。本实验通过对一螺栓组及单个螺栓的受力分析，要求达到下述目的：（一）螺栓组试验（一）螺栓组试验（1）了解托架螺栓组受翻转力矩引起的载荷对各螺栓拉力的分布情况。（2）根据拉力分布情况确定托架底板旋转轴线的位置。（3）将实验结果与螺栓组受力分布的理论计算结果相比较。（二）单个螺栓静载试验（二）单个螺栓静载试验了解受预紧轴向载荷螺栓联接中，零件相对刚度的变化对螺栓所受总拉力的影响。（三）单个螺栓动载荷试验（三）单个螺栓动载荷试验通过改变螺栓联接中零件的相对刚度，观察螺栓中动态应力幅值的变化。四、螺栓试验台结构及工作原理四、螺栓试验台结构及工作原理(一一)螺栓组试验台结构与工作原理螺栓组试验台结构与工作原理螺栓组试验台的结构如：图 1 所示。图中 1 为托架，在实际使用中多为水平放置，为了避免由于自重产生力矩的影响，在本试验台上设计为垂直放置。托架以一组螺栓 3 联接于支架 2 上。加力杠杆组 4 包含两组杠杆,其臂长比均为 1:10，则总杠杆比为 1:100，可使加载砝码 6 产生的力放大到 100 倍后压在托架支承点上.螺栓组的受力与应变转换为粘贴在各螺栓中部应变片 8 的伸长量，用变化仪来测量。应变片在螺栓上相隔 180粘贴两片，输出串接，以补偿螺栓受力弯曲引起的测量误差。引线由孔 7 中接出。图 1 螺栓组试验台加载后，托架螺栓组受到一横向力及力矩，与接合面上的摩擦阻力相平衡。而力矩则使托架有翻转趋势，使得各个螺栓受到大小不等的外界作用力。根据螺栓变形协调条件，各螺栓所受拉力 F（或拉伸变形）与其中心线到托架底版翻转轴线的距离 L 成正比。即：（1）1212FF LL式中，F1，F2安装螺栓处由于托架所受力矩而引起的力（N） ；L1，L2是从托架翻转轴线到相应螺栓中心线间的距离（mm） ；本试验台中第 2、4、7、9 号螺栓下标为 1；第 1、5、6、10 号螺栓下标为 2；第 3、8 号螺栓距托架翻转轴线距离为零（L=0） 。根据静力平衡条件得：M = Qho = （2）101iiiiLFM = Qho =22F1L1+22 F2L2(Nmm) （3）式中，Q托架受力点所受的力（N）h0托架受力点到接合面的距离（mm） ，见图 2。本实验中取 Q=3500N；h0=210mm；L1=30 mm；L2=60 mm。则第 2、4、7、9 号螺栓的工作载荷为：F1 = （4）1 22 122 2()oQh L LL)(N第 1、5、6、10 号螺栓的工作载荷为：F2 = 2 22 122 2()oQh L LL)(N（5）（二）螺栓预紧力的确定（二）螺栓预紧力的确定本实验是在加载后不允许联接接合面分开的情况下来预紧和加载的。联接在预紧力的作用下，其接合面产生挤压应力为：p= （6） AZQo悬臂梁在载荷 Q 力的作用下，在接合面上不出现间隙，则最小压应力为： 0 （7） 图 2 螺栓组的布AZQo WQho置式中，Qi单个螺栓预紧力（N） ；Z螺栓个数，Z=10；A接合面面积，A=a(b-c) (mm)2；W接合面抗弯截面模量，W = ( mm3) （8）2()a bc b上式中，a=160 mm； b=105 mm；c =55mm。因此，Q0 （9）ZaQho6为保证一定安全性，取螺栓预紧力为：Q0 = （1.251.5） （10）ZaQho6再分析螺栓的总拉力。在翻转轴线以左的各螺栓（4、5、9、10 号螺栓）被拉紧，轴向拉力增大，其总拉力为Qi = Q0 + Fi + （11）FLL CCC 或Qi = (Qi + Fo ) （12）LFL CCC 在翻转轴线以右的各螺栓（1、2、6、7 号螺栓）被放松，轴向拉力减小，总拉力为：Qi = QoF1 （13）FLL CCC 或Fi = （QoQi） （14）LFL CCC 式中螺栓的相对刚度；FLL CCC CL螺栓刚度；CF被联接件刚度；螺栓上所受到的力是通过测量应变值而计算得到的，根据虎克定律= （15） E式中，应变量；应力（Mpa） ；E材料的弹性模量，对于钢材，取 E=2.06X105 Mpa，则螺栓预紧后的应变量为 o = = （16） Eo2O E4Q d螺栓受载后总应变量为i = （17）OKd024E或 Qi = （18）iiKd4E2式中，d被测处螺栓直径（mm） ；K系数，K = 2E()4dN因此，可得到螺栓上的工作压力在翻转轴线以左的各螺栓（4、5、9、10 号螺栓）的工作拉力为： Fi = K（iO） （19）LFL CCC 在翻转轴线以右的各螺栓（1、2、6、7 号螺栓）的工作拉力为：Fi = K（O i） （20）LFL CCC （三）单螺栓试验台结构及工作原理（三）单螺栓试验台结构及工作原理图 3 单个螺栓试验台单螺栓试验台部件的结构如图 3 所示。旋动调整螺帽 1，通过支持螺杆 2 与加载杠杆8，即可使吊耳 3 受拉力载荷，吊耳 3 下有垫片 4，改变垫片材料可以得到螺栓联接的不同相对刚度。吊耳 3 通过被试验单螺栓 5、紧固螺母 6 与机座 7 相联接。电机 9 的轴上装有偏心轮 10，当电机轴旋转时由于偏心轮转动，通过杠杆使吊耳和被试验单螺栓上产生一个动态拉力。吊耳 3 与被试验单螺栓 5 上都贴有应变片,用于测量其应变大小。调节丝杆 12 可以改变小溜板的位置，从而改变动拉力的幅值。五、实验方法及步骤五、实验方法及步骤（一）接静动态应变仪实验方法及步骤（一）接静动态应变仪实验方法及步骤注：电阻应变仪结构、工作原理及使用方法，详见所选用的应变仪附带的说明书。注：电阻应变仪结构、工作原理及使用方法，详见所选用的应变仪附带的说明书。1螺栓测量电桥结构及工作原理螺栓测量电桥结构及工作原理式中： R阻 R应 且远大于R上式中 V i 即为实验台被测螺栓全桥测量电路的输出压差值。有关温度补偿有关温度补偿如图 4，实验台每个螺栓上都贴有二片应变片 R应 （阻值 120，灵敏系数 2.22）与二固定精密电阻 R阻 （阻值 120）组成一全桥结构的测量电路。设当螺栓受力拉伸变形时应变片阻值变化为R，则有：图 4 测量电桥R阻V3 = VER阻 + R应 + RR阻 + RV1 = VER阻 + R应 + RR应 + R R阻 V i V1V3 VER阻 + R应 + RRV i VE （R = R应= R阻 )2R实验台试验螺栓测量电桥设计时考虑到每次做实验时间不会太长，在实验时间内环境湿度变化不大，故没有设置温度补偿片，在实验时只要保证测试系统足够的预热时间即可消除温度影响。（1）接应变仪：系统联接后打开电源，按所采用应变仪要求先预热，再调平衡。（2）接 LSC-型螺栓组及单螺栓综合实验仪：系统正确联接后打开实验仪电源，预热五分钟以上。再进行校零等实验操作。2螺栓组试验螺栓组试验1)、在实验台螺栓组各螺栓不加任何预紧力的状态下，将各螺栓对应的半桥电路引线（110 号线）按要求接入所选用的应变仪相应接口中，并按应变仪使用说明书进行预热（一般为三分钟）并调平衡。 （参见附录）2)、由式（10）计算每个螺栓所需的预紧力 Q0，并由公式（17）计算出螺栓的预紧应变量 0。3)、按公式（4） ， （5）计算每个螺栓的工作拉力 Fi，将结果填入表（4）中。4)、逐个拧紧螺栓组中的螺母，使每个螺栓具有预紧应变量 0 ，注意应使每个螺栓的预紧应变量 0尽量一致。5)、对螺栓组联接进行加载，加载 3500N，其中砝码连同挂钩的重量为 3.754kg。停歇2 分钟后卸去载荷，然后再加上载荷，在应变仪上读出每个螺栓的应变量 i，填入表中，反复做 3 次，取 3 次测量值的平均值为实验结果。6)、画出实测的螺栓应力分布图。7)、用机械设计中的计算理论计算出螺栓组联接的应变图，与实验结果进行对比分析。3单个螺栓静载实验单个螺栓静载实验1)、旋转调节丝杆 12 摇手移动小溜板至最外侧位置。2)、如图 5，旋转紧固螺母 6，预紧被试螺栓 5，预紧应变为 15000 。图 5 单个螺栓试验台3)、旋动调整螺帽 1，使吊耳上的应变片（12 号线）产生 50 的恒定应变。4)、改变用不同弹性模量的材料的垫片，重复上述步骤，记录螺栓总应变 0。5)、用下式计算相对刚度 C，并作不同垫片结果的比较分析。Ce = AA，i o 式中，A吊耳测应变的截面面积，本试验 A 为 224mm2；A试验螺杆测应变的截面面积，本试验中 A为 50.3 mm2。4单个螺栓动载荷试验单个螺栓动载荷试验1)、安装钢制垫片。2)、将被试螺栓 5 加上预紧力，预紧应变仍为 1=500（可通过 11 号线测量） 。3)、将加载偏心轮转到最低点，并调节调整螺母 1，使吊耳应变量 =5-10（通过12 号线测量） 。4)、开动小电机，驱动加载偏心轮。5)、分别将 11 号线、12 号线信号接入示波器，从荧光屏上的波形线分别估计地读出螺栓的应力幅值和动载荷幅值。也可用毫安表读出幅值。6)、换上环氧垫片，移动电机位置以改变钢板比，调节动载荷大小，使动载荷幅值与用钢垫片时相一致。7)、再估计地读出此时的螺栓应力