机械设计实验

机械设计实验

指导书

机电学院机械基础实验室

2006．9

机械设计实验指导书

机械及其零部件的性能和工作能力，是关系机械产品质量的关键。机械设计和制造领域大量问题是综合性的，不仅要进行理论和纯数学定量分析，而且必须用实验的方法解决。众所周知，许多参数和工作能力的确定，大都是建立在大量实验的基础上。实验技术以及实验数据的取得，已成为构建新理论，研究、改进和创新机械的重要途径。

机械及零部件性能和工作能力的测试，涉及运动学特性、动力学特性、精确度、承载能力、可靠性、安全性、人机工程、节能环保等，内容相当广泛，需根据具体情况而定。

根据教学环节并结合实验条件，本节将选择在实验室条件下，在机械性能、结构及参数测试分析等方面，对实验基本原理、装置组成、方法和实现步骤有所了解，领会和进一步深化启迪。这里也对机械性能和工作能力测试提出注意下列几点：

1．实验原理和方法的正确性、可行性和合理性。

2．实验设备能达到实验目的，尽可能一机多用；具有适宜的准确度和足够的强度与刚度。尽量符合实际工况；使用性能好并节省人力、物力。

3．加载装置是试验机的关键部件，要加载可靠、准确稳定、能实现空载起动，并能在运转中改变加载的大小和方向，便于测量和进行模拟试验。

螺栓联接实验

一．实验目的

1．掌握测试受轴向工作载荷的紧螺栓联接的受力和变形曲线（即变形协调图）。

2．掌握求联接件（螺栓）刚度C1、被联接件刚度C2、相对刚度C1/C1+C2。

3．了解试验预紧力和相对刚度对应力幅的影响，以考察对螺栓疲劳的影响。

二．实验设备

图4—1、2分别为LB-87型、LBX-84型螺栓联接实验机结构组成示意图；在图4—1中手轮1相当于螺母，与螺栓杆2相连；套筒3相当于被联接件，拧紧手轮1就可将联接副预紧，并且联接件受拉力作用，被联接件受压力作用。在螺栓杆和套筒上均贴有电阻应变片，用电阻应变仪测量它们的应变来求受力和变形量。测力环4是用来间接的指示轴向工作载荷的。拧紧加载手轮（螺母）6使拉杆5产生轴向拉力，经过测力环4将轴向力作用到螺杆上。测力环上的百分表读数正比于轴向载荷的大小。

１．LB-87型螺栓联接实验机的主要实验参数如下:

1)．螺栓材料为45号钢，弹性模量E1=2.06×105N/mm2，螺栓杆直径d=10mm，有效变形计算长度L1=130mm。2）．套筒材料为45号钢，弹性模量E2=2.06×105N/mm2，两件套筒外径分别为D=31和32，内径为D1=27.5mm，有效变形计算长度L2=130mm.。

2．测试仪器

1）YJ-26型数字电阻应变仪。

2）YJ-18型数字电阻应变仪。3）PR10-18型预调平衡箱。

三．实验原理

1．力与变形协调关系

在螺栓联接中，当联接副受轴向载荷后，螺栓受拉力，产生拉伸变形；被联接件受压力，产生压缩变形，根据螺栓（联接件）和被联接件预紧力相等，可把二者的力和变形图线画在一个坐标系中，如4－3所示。当联接副受工作载荷后，螺栓因受轴向工作载荷F 作用，其拉力由预紧力Ｑp 增加到总拉力Q ，被联接件的压紧力Q p 减少到剩余预紧力Q ’p ，这时，螺栓伸长变形的增量Δλ1，等于被联接件压缩变形的恢复Δλ2，即Δλ1=Δλ2=λ，也就是说变形的关系是协调的。因此，又称为变形协调图。

力与变形之比Q/λ称为刚度，知道了力和变形的大小便可计算出连接副的刚度的大小。 C 1=Q 1/λ为螺栓刚度；C 2=Q 2/λ2为被联接件刚度。C 1/C 1+C 2称为螺栓的相对强度。在力-变形图上，刚度表现为图线的斜率。为了提高螺栓的疲劳强度，通常采用降低C １或增加C 2的方法以降低载荷的变化值ΔF 。 2．主要公式

螺栓联接的受力和变形，采用在试件上贴电阻应变片，并配接电阻应变仪加以测量，通常应变仪测量的数值为微应变，

其可以表示为式:610-⨯=εμε （4-1） 应变片的接线按半桥接到应变仪上。

材料在弹性限度内，应力与应变的关系为：

610-⨯⨯=⨯=μεεσE E (４－２)

故螺栓拉力为:

4

102

6

1111d E A F πμεσ⨯

⨯⨯=⨯=- (４－3)

被联接件（套筒）压力为：

4

)

(10

2126

2222D D E A F -⨯⨯==-πμεσ (４－4)

螺栓伸长变形为： 16

1110L ⨯⨯=-μελ

(４－5)

套筒压缩变形为： 262210L ⨯⨯=-μελ (４－6)

轴向工作载荷可由测力环中百分表读数测出：S K F ⨯= (4－7) 式中：K —测力环刚度，单位为：公斤/格；S —百分表读数—指针格数； 3.测试系统说明

1）测试系统原理示意图如图4-4所示，图中R 1、R 1,

为贴在螺栓或套筒上的电阻应变片，即受力应变片；

R 2、R 2，为温度补偿片，贴在与螺栓材料相同的零件上；R 1、R 1，、R 2、R ，

2共同组成外测量半桥，Z3、Z4为应变仪的内半桥电阻，与R 1、R 2组成一个全桥。

图4－４.测试系统连接原理图

2）测量前应对电桥调平衡，即在电阻应变片未受力的情况下，其阻值未发生改变，电桥的输出信号值为零。当螺栓和被联接件受力时，则贴在其上的电阻应变片R 1、R'1的电阻值将发生变化，即电桥的信号输出与受力件的变形成正比，经放大器将其电压信号放大和检波后，经A/D 换成与模拟量对应的数字量，显示器显示出螺栓或套筒的微应变量值，经计算后可得到联接副的联接件与被连接件的力和变形的数值。四．实验步骤

１．用LB-84实验机步骤 １）．在指导老师的指导下，按上图4－４所示的线路连接原理图，将连线接好。 ２）．将LBX-84实验机的螺栓联接处于卸载状态，测力环应处于不受力状态，且把百分表小指针调为零。 ３）．打开应变仪电源，后面板开关打到半桥处。 ４）．按下“基0”开关，调节“电阻平衡”电位器，使显示为0000。 ５）．按下“标定”开关，调节“灵敏度”电位器，使显示为-5000，并反复调平衡（零点）和定标（－５

０００με）。

电桥调平衡：使加载及预紧手轮处于松弛状态，按下应变仪测量铵钮，调节对应的电位器的电阻值，使应变仪的输出值为零。

加预紧力：参照LBX-84实验机结构原理说明，松开手轮6，松开背紧手轮8，拧紧手轮9，使应变仪指示为500με，背紧1，松开手轮9，则完成预紧。

6).施加轴向载荷：顺时针旋转手轮6，通过测力环对螺栓连接副施加轴向工作载荷，最大工作载荷应控制为百分表不超过40小格，在此范围内使百分表分别为10、20、30、40小格进行加载实验。通过切换开关分别记录螺栓、套筒的微应变量数值并记录。

8).测试完毕后，卸去轴向工作载荷，卸除预紧力。 2．用LB-87实验机进行实验

1).将YJ-18应变仪与Pr10-18预调箱联系好。

2).将被测应变片引线A 1 BC(螺栓)、A 2 BC （套筒）分别于预调箱的1路、2路的A 、B 、C 连接好，LB-87实验机的两个手轮松开，即螺栓处于无载状态。

3).测试系统调零：按下YJ-18应变仪电源开关，分别按下“Х10”、“Х1”开关，在连接副未受力的情况