螺栓连接

Ⅰ、单个螺栓连接实验

一、实验目的

现代各类机械中，广泛应用螺栓进行联接，如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态特 性参数，是工程技术人员的一个重要课题。本实验通过对螺栓的受力进行测试和分析，要求 达到下述目的。

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

LZS螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目：

1、(空心)螺栓联接静、动态实验。(空心螺栓 + 刚性垫片 + 无锥塞) 2、改变螺栓刚度的联接静、动态实验。(空心螺栓、实心螺栓) 3 、改变垫片刚度的静、动态实验。(刚性垫片、弹性垫片) 4、改变被连接件刚度的静、动态实验。(有锥塞、无锥塞) 三、实验设备及仪器

该实验需LZS螺栓联接综合实验台一台，CQYDJ一4静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。

1、螺栓联接实验台的结构与工作原理。如图1-1所示。

（1）螺栓部分包括M16空心螺栓、大螺母、组合垫片和M8小螺杆组成。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小螺杆，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载面积，以达到改变联接件刚度的目的。组合垫片设汁成刚性和弹性两用的结构，用以改变被联接件系统的刚度。

（2）被联接件部分由上板、下板和八角环、锥塞组成，八角环上贴有应变片，测量被连接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被连接件系统的刚度

（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，用以测最所加工作载荷的人小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或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、LSD-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。

实验台各被测件的应变量用CQYDJ一4型静、动态测量仪测量，通过标定或计算即可换算出各部分的大小。

CQYDJ一4型静、动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是用极细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，用粘接剂将应变片牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了△R的变化，这样就把机械量转换成电量(电阻值)的变化。用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化 △R／R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的液晶128X64点阵的大显示屏读

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出应变值。通过A／D板，该仪器可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。

1、电动机 2、蜗杆 3、凸轮 4、蜗轮 5、下板 6、扭力插座 7、锥塞 8、拉力插座 9、弹簧 10、空心螺杆 11、 千分表 12、螺母 13、组合垫片(一面刚性一面弹性） 14、八角环压力插座 15、八角环 16、挺杆压力插座 17、M8螺杆 18、挺杆 19、手轮 20、上板

图1-1

四、实验方法及步骤

1、用静动态测量仪配套的4根信号数据线的插头端将实验台各测点插座连接奸，各测点的布置为：电机侧八角环的上方为螺栓拉力，下方为螺栓扭力。手轮侧八角环的上方为八角环压力，下方为挺杆压力。然后再将数据线分别接于测量仪背面CHl、CH2、CH3、CH4各通道的A、B、C接线端子上。用配套的串线接测量仪背面的9芯RS232插座，另一头连接计算机上的RS232串口。

2、打开测量仪电源开关，启动计算机，进入软件封面，单击“静态螺栓实验”，进入静态螺栓实验主界面。单击“串口测试”菜单，用以检查通讯是否正常，通讯正常方可进行以下实验步骤。

3、螺栓联接静态实验

（1）进入静态螺栓主界面，单击“实验项目选择”菜单，选“空心螺杆”项，(默认值)。 （2）转动实验台手轮，挺杆下降，使弹簧下座接触下板面，卸掉弹簧施加给空心螺栓的轴向载荷。将用以测量被联接件与联接件(螺栓)变形量的两块千分表，分别安装在表架上，使千分表的测杆触头分别与上板面和螺栓顶端面少许(0．5mm)接触。

（3）手拧大螺母至恰好与垫片接触。螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。单击“校零”键，软件对上一步骤采集的数据进行清零处理。

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（4）用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为30一40Nm时，取下扳手，完成螺栓预紧。

（5）将千分表测量的螺栓拉变形值和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中。

a) 单击“预紧”键进行螺栓预紧后，预紧工况的数据采集和处理。同时生成预紧时的理论曲线。

b) 如果预紧正确，单击“标定”键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。

c) 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(≤15mm)，压缩弹簧对空心螺栓轴向加载，力的大小可通过上升高度控制，塞入Φ15mm的测量棒确定，然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中。

d) 单击“加载”键进行轴向加载工况的数据采集和处理，同时生成理论曲线与实际测量的曲线图。

e) 如果加载正确，单击 标定键进行参数标定，此时标定系数被自动修正。 f) 单击“实验报告”键，生成实验报告。 4、螺栓联接动态实验’

（1）螺栓联接的静态实验结束返回封面，单击“动态螺栓”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“动态”键，使电动机运转。进行动态工况的采集和处理。同时生成理论曲线与实际测量的曲线图。 （3）单击“实验报告”键，生成实验报告。 完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。 五、注意事项

1、电机的接线必须正确，电机的旋转方向为逆时钟(面向手轮正面)

2、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。

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附：实验报告内容

一、实验目的

二、实验设备 三、实验步骤 四、实验结果 1、记录数据

2、绘制螺栓综合变形（理论、实测）和联接动态测试理论曲线图 (空心螺杆)

Ⅱ、螺栓组联接实验

一、实验目的

1、测试螺栓组联在翻转力矩作用下各螺栓所受的载荷； 2、深化课程学习中对螺栓组联接受力分析的认识； 3、初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法。 二、实验台结构及工作原理

1．机座 2．测试螺栓 3．测试梁 4．托架 5．测试齿块 6．杠杆系统 7．砝码 8．齿板接线柱 9．螺栓1—5接线柱 10．螺栓6—10接线柱 11．垫片

图1-2 多功能螺栓组联接实验台结构

多功能螺栓组联接实验台结构如图1-2所示，被联接件机座1和托架4被双排共1 0个螺栓2联接，联接面间加入垫片11(硬橡胶板)，砝码7的重力通过双级杠杆加载系统6(1：75)增力作用到托架4上，托架受到翻转力矩的作用，螺栓组联接受横向载荷和倾覆力矩联合作用，各个螺栓所受轴向力不同，它们的轴向变形也就不同。在各个螺栓上贴有电阻应变片，可在螺栓中段测试部位的任一侧贴一片，或在对称的两侧各贴一片，如图1-3所示．各个螺栓的受力可通过贴在其上的电阻应变片的变形，用电阻应变仪测得．

图1-3 螺栓安装及贴片图

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静态电阻应变仪的工作原理如图1-4所示，主要由：测量桥、桥压、滤波器、A／D转换器、MCU、键盘、显示屏组成。测量方法：由DC2．5V高精度稳定桥压供电，通过高精度放大器，把测量桥桥臂压差(uV信号)放大，后经过数字滤波器，滤去杂波信号，通过24位A／D模数转换送入MCV(即CPU)处理，调零点方式采用计算机内部自动调零。送显示屏显示测量数据，同时配有RS232通讯口，可以与计算机通讯。 UBDE 4K式中：UBD —— 工作片平衡电压差

E —— 桥压

K —— 电阻应变系数 C —— 应变值

当工作电阻片由于螺栓受力变形，长度变化L工时，其电阻也要变化R，并且

R/R正比于l/l,R使测量桥失去平衡。通过应变仪测量出UBD的变化，测量出螺栓

的应变量。电阻应变仪的工作原理如图1-4所示，主要有测量桥、读数桥、毫安表等。工作电阻应变片和补偿电阻应变片分别接入电阻应变仪测量桥的一个臂，当工作电阻片由于螺栓受力变形，长度变化l时，其电阻值也要变化R，并且R/R，正比于l/l，R使测量

桥失去平衡，使毫安表恢复零点，读出读数桥的调节量，及为被测螺栓的应变量。

图1-4 静态应变仪系统组成

多功能螺栓组联接实验台的托架4上还安装有一测试齿块5，它是用来做齿根应力测试实验的；机座1上还固定有一测试梁3 (等强度悬臂梁)，它是用来做梁的应力测试实验的。测试齿块5与测试梁2与本实验无关，在做本实验前应将测试齿块5固定螺钉拧松。

三、实验方法与步骤 1、实验方法： (1) 仪器联线

用导线从实验台的接线柱上把各螺栓的应变片引出端及补偿片的联线联接到电阻应变仪上。采用半桥测量的方法：如每个螺栓上只贴一个应变片，其联线如图1-5所示；如每个螺栓上对称两侧各贴严格应变片，其联线如图1-6所示。后者可消除螺栓偏心受力的影响。

(2)）螺栓初预紧

抬起杠杆加载系统，不使加载系统的自重加到螺栓组联接件上。先将图1-3中所示的左端各螺母I用手 (不能用扳手) 尽力拧紧，然后在把右端的各螺母也用手尽力拧紧。(如果在实验前螺栓已经受力，则应将其拧松后再做初预紧)。

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图1-5 单片测量联线图 图1-6 双片测量联线图 (3)应变测量点预调平衡

以各螺栓初预紧后的状态为初始状态，先将杠杆加载系统安装奸，使加载砝码的重力通过杠杆放大，加到托架上；然后再进行各螺栓应变测量的“调零”(预调平衡)，即把应变仪上各测量点的应变量都调到“零”读数。预调平衡砝码加载前，应松开测试齿块 (即使载荷直接加在托架上，测试齿块不受力)；加载后，加载杠杆一般呈向向右倾斜状态。 （4）螺栓预紧

实现预调平衡之后，再用扳手拧各螺栓右端螺母Ⅱ来加预紧力。为防止预紧时螺栓测试端受到扭矩作用产生扭转变形，在螺栓的右端设有一段“U”形断面，它嵌入托架接合面处的矩形槽中，以平衡拧紧力矩。在预紧过程中，为防止各螺栓预紧变形的相互影响，各螺栓应先后交叉并重复预紧 (可按1、10、5、6、7、4、2、9、8、3依次进行)，使各螺栓均预紧到相同的设定应变量 (即应变仪显示值为280-320)。为此，要反复调整预紧3—4次或更多。在预紧过程中，用应变仪来监测。螺栓预紧后，加载杠杆一般会呈右端上翘状态。 （5) 加载实验

完成螺栓预紧后，在杠杆加载系统上依次增加砝码，实现逐步加载。加载后，记录各螺栓的应变值 (据此计算各螺栓的总拉力)。注意：加载后，任一螺栓的总应变值 (预紧应变+工作应变) 不应超过允许的最大应变值 (max800)，以免螺栓超载损坏。

2、实验步骤：

(1) 检查各螺栓处于卸载状态；

(2) 将各螺栓的电阻应变片接到应变仪预调箱上；

(3) 在不加载的情况下 (将加载杠杆立起来)，先用手拧紧螺栓组左端各螺母，再用手拧紧右端各螺母，实现螺栓初预紧：把应变仪上各个测量点的应变量都调到“零”，实现预调平衡。

(4) 在计算机上运行“螺栓组实验”软件，点击“螺栓组实验”出现“多功能螺栓实验”主页面，再点击“实物实验”进入“多功能螺栓实验”实物实验页面。

① 检查各参数是否正确，如果不正确，点击“参数设置”框进行修改(一般不需要修改)。 ② 检查串口连接及波特效率设置是否正确 (波特率也不需要修改)。

③ 点击“预紧数据清除”框或“负载数据清零”框，此时“基准校零”框变亮。 ④ 点击“基准校零”框，进度条开始显示；等待校零完毕，进度条自动关闭，此时“读全通道预紧值”框变亮。

(5) 用扳手交叉重复拧紧各螺栓右端螺母(可按1、10、5、6、7、4、2、9、8、3依次进 行) 使螺栓预紧，边预紧边点击对应螺栓的预紧数据框，使各螺栓均预紧到相同的设定预应 变量 (应变仪显示值为300～350为宜，误差在±3～5)。全部预紧完成后，等待电阻应变仪测量一个周期后 (大约20s)，点击“读全通道预紧值”框。如果所有螺栓的预紧

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应变不为零，则“预紧确认”框变亮，点击确认后“负荷1实验”框变亮。

(6) 放下加载杠杆，加砝码2kg (≈20N) 或2．5kg (≈25N)，同时确认计算机所输负荷数 (N) 与实际所加相符合后，点击“负荷1实验”框，读出所有螺栓负荷应变值，可以确认为本次实验结果，也可以重来。如果确认，就在屏幕上方两个受力图框中画出受力图。

(7) 取下砝码，等待20秒，再加上同重量的砝码，等待电阻应变仪测试一个周期，点击“负荷2实验”框，读出所有螺栓负荷应变值。再取下砝码，等待20秒，再加同重量的砝码，等待电阻应变仪测试一个周期，点击“负荷3实验”框，读出所有螺栓负荷应变值。 重复三次加同一负荷实验做完后，“实验报告”框变亮。

(8) 点击“实验报告”框后，产生一个实验数据结果框，点击“生成实验报告“框后生成Word文档，可打印。

(9) 测试完毕，逐步卸载，并去除预紧。 四、实验结果处理与分析

1、螺栓组联接实测工作载荷图

根据实测记录的各螺栓的应变量，计算各螺栓所受的总拉力F2： F2iEiS

式中：E —— 螺栓材料的弹性模量(GPa)；

S —— 螺栓测试段的截面积(m)；

2i—— 第i个螺栓在倾覆力矩作用下的拉伸变量．

根据F2i绘出螺栓组联接实测工作载荷图。

2、螺栓组联接理论计算受力图

砝码加载后，螺栓组受到横向力9和倾覆力矩M的作用，即： Q=75G+Go N M=QL N．m

式中：G —— 加载砝码重力(N)

Go —— 杠杆系统自重折算的载荷(700N)； L —— 力臂长二214mm。

在倾覆力矩作用下，各螺栓所受的工作载荷Fi；

FiMLii1ZFmaxLi Lmax式中：Z —— 螺栓个数；

Fmax—— 螺栓中的最大总拉力；

Li—— 螺栓轴线到底板翻转轴线的距。

五、实验设备及工具

1、多功能螺栓组连接实验台； 2、电阻应变仪；

3、其它仪器工具：螺丝刀，扳手。 六、思考题

1、螺栓组联接理论计算与实测的工作载荷间存在误差的原因有哪些?

2、实验台上的螺栓组联接可能的失效形式有哪些?

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附：实验报告内容

一、实验目的

二、实验设备 三、实验步骤 四、实验结果

1、在表格里记录数据 螺栓号 零点应变 με 预紧应变 με 第一组 με 第二组 με 第三组 με 平均值 με 负荷应变με 应力/1000 δ 预紧拉F1[N] 实验拉F2[N] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 负荷拉力△F[N] 2、绘制螺栓应力分布图。 螺栓号 实 验 曲 线 1、2、3、4、5 6、7、8、9、10 理 论 曲 线 五、回答思考题