螺栓组联接中螺栓的受力和绝对刚性系数

螺栓组联接中螺栓的受力和相对刚性系数

一、实验目的

1.了解在受倾覆力矩时螺栓组联接中各螺栓的受力情况；

2.了解螺栓相对刚度系数即被联接件间垫片材料对螺栓受力的影响；

3.了解单个螺栓预紧力的大小对螺栓组中其它各螺栓受力的影响;

3.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告。

4.了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。

二.实验要求：

1.实验前预习实验指导书和教科书中有关本实验的相关内容；

2.实验中按指导教师要求和实验指导书中实验步骤进行实验，注意观察实验中各螺栓载荷变化情况，并能用螺栓组联接受力分析理论解释其现象；

3.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告。

4.按指导教师要求完成指定思考题。

三、实验设备：

1. 螺栓组实验台一台

2. 计算机一台

3. 10通道A/D转换板（包括放大器）一块

4. 调零接线盒一个

5. 25线联接电缆一条

四、实验原理

1. 机械部分：

当将砝码加上后通过杠杆增力系统可作用在被联接件上一个力P，该力对被联接件上的作用效果可产生一个力矩，为平衡该力矩，已加上预紧力的螺栓组中各螺栓受力状况会发生变化，且受力情况会因垫片材料不同而不同；螺栓所处位置不同而不同。测出各螺栓受力变化(如图11-2)，即可检验螺栓组受力理论。

螺栓实验台(如图一)本体由①机座、②螺栓（10个）、③被联接件、④1 75的杠杆增力系统、⑤砝码（2—2kg，1—1kg）、⑥垫片六部分组成。

各螺栓的工作拉力F i可根据支架静力平衡条件和变形协调条件求出。设在M（PL）作用下接触面仍保持为平面，且被联接件④在M作用下有绕O－O线翻转的趋势(如图11-

3)。为平衡该翻转力矩M，各螺栓将承受工作拉力F i；此时，O－O 线上侧的螺栓进一步受拉，螺栓拉力加大；O－O 线下侧的螺栓则被放松，螺栓拉力减小。

由静力平衡条件可知：

M PL F L F L F L F L i i ==+++++11221010 （1）式中：F i — 第i 个螺栓所受工作拉力；

L i — 第i 个螺栓轴线至O －O 线的距离 ； 根据螺栓变形的协调条件，各螺栓拉伸变形量（工作拉力）与该螺栓距O －O 线的距离成正比，即

F L F L F L F

L i i 11

2210

10===== （2）

由（1）、（2）两式可推出任一螺栓的工作拉力F i

F PLL L L L i i

=

+++12

22

102

（3）

根据受轴向载荷紧螺栓联接的受力理论，各螺栓受载荷后的总拉力不仅与预紧力

Q pi 、

工作拉力F i 有关，而且与螺栓的刚度C b 和被联接件的刚度C m 有关。

O －O 线上侧各螺栓的总拉力为：

Q Q F C C C i pi i

b

b m =++

（4）

O －O 线下侧各螺栓的总拉力为：

Q Q F C C C i pi i

b

b m =-+

（5）

由（3）、（4）、（5）式可求出该实验中的螺栓相对刚度系数 C C C b

b m +

C C C Q Q F b

b m i pi i

+=±

-

（6）

2. 测试部分：

实验测试部分由传感器、放大器、A/D 转换板、计算机（采数及数据处理）四部分组

成。其作用是将每个螺栓的受力值转换为能被计算机读出的值。其框图如下：

1)传感器

采用电阻应变片在螺栓上布置成全桥电路，即四片均为工作片，采用两横两纵贴法，

使得温度自动补偿，且提高传感器灵敏度，其中R 1、R 3为纵片，R 2、R 4为横片。

由应变技术理论可知：

5v

图11-2 螺栓受力图

[]u u K

i t t t t =

-+-+-+-0123412344()()εεεεεεεε

（1）

u i — 电桥输出电压（测量量）

u 0 — 电桥桥压

εi — 第i 个应变片的应变值

εit — 第i 个应变片因温度变化而引起的应变值变化

K — 应变片灵敏系数（购买电阻应变片时厂家给出）

由于该实验过程中，螺栓只承受沿轴向的拉伸，因此可认为R 2和R 4受压。

εμε21=-，εμε43=-，

μ— 材料的泊松比

εεεε1234t t t t === ，（用全桥电路满足温度补偿）

则（1）式可写成：

u u K u K

i =

+++=++0113301344

1()()()εμεεμεεεμ即通过电阻应变片所组成的传感器将螺栓的受力情况转变成电压（u i ）值。

2) 放大器

采用由差分型放大电路构成的放大模块，具有稳定性好，抗干扰能力强等优点，但其放大倍数较大（1000倍），时间较长（约17ms ）。 3) A/D 转换板 分辨率： 12位 通道数： 16 转换时间： 转换速度： 输入电压： 0～5V

为了使本实验测试部分更准确，采用了实验定标的方法，即当测试部分综合调整好后，分别在螺栓试件上加上不同力值的载荷，用计算机采回相应的数字量，再经过计算，确定出每个螺栓的刚度值。

五、实验步骤

1. 进入“螺栓定标”栏，核对各螺栓定标系数是否与实验台上所给定标系数相同，如不同，请找指导教师进行修正，数据正确后存盘并按Esc 键退回主菜单。