螺栓连接性能测试实验ya-2静载

螺栓连接性能测试实验指导书

——(2) 螺栓组连接受力与相对刚度实验

一、实验目的

1、验证螺栓组连接受力分析理论；

2、了解用电阻应变仪测定机器机构中应力的一般方法。

二、实验设备和工作原理

螺栓组连接实验台由螺栓连接、加载装置及测试仪器三部分组成。如图1所示螺栓组连接是由十个均布排列为二行的螺栓将支架11和机座12连接起来而构成。加载装置是由具有1：100放大比的两极杠杆13和14组成，砝码力G经过杠杆放大而作用在支架上的载荷为P，因此，连接接触面将受有横向载荷P和翻转力矩M。

M⋅

= (N·㎜)

P

l

= (N)

P100

G

式中l—力臂（㎜）

由于P和M的作用，在螺栓中引起的受力是通过贴在每个螺栓上的电阻应变片15的变形并借助电阻应变仪而测得。电阻应变仪是通过载波电桥将机械量转换成电量实现测量的。如图2所示，将贴在螺栓上的电阻应变片1作为电桥一个桥臂，温度补偿应变片2为另一个桥臂。螺栓不受力时，使电桥呈现平衡状态。当螺栓受力发生变形后，应变片电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出一个电压讯号，经放大、检波等环节，便可在应变仪上直接读出应变值来。经过适当的计算就可以得到各螺栓的受力大小。

图1 螺栓连接实验台结构简图

1，2，……10—实验螺栓；11—支架；12—机座；13—第一杠杆；14—第二杠杆；15—

电阻应变片；16—砝码(相关尺寸：l=200㎜;a=160㎜;b=105㎜;c=55㎜;G=22N)

图2 电桥工作原理图

本实验是针对不允许连接接合面分开的情况。螺栓预紧时，连接在预紧力作用下，接合面间产生挤压应力。当受载后，支架在翻转力矩M 作用下，有绕其对称轴线0-0翻转趋势，使连接右部挤压应力减小，左部挤压应力增加。为保证连接最右端处不出现间隙，应满足以下条件：

0≥-

⋅W

M

A

Q Z p

(1) 式中 Qp —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) (㎜2

) M —翻转力矩 M=Pl

W —接合面抗弯剖面模量 6

)(2c b a W -= （㎜3

）

化简（1）式得

Za

Pl

Q P 6≥

为保证一定安全性，取螺栓预紧力为 Za

Pl

Q p 6)

5.1~25.1(= (2)

螺栓工作拉力可根据支架静力平衡条件求得，由平衡条件有：

M=Pl=F 1r 1+ F 2r 2+…+ F z r z (3) 式中F 1、F 2…F z —各螺栓所受工作力

r 1、r 2 …r z —各螺栓中心到翻转轴线的距离

根据螺栓变形协调条件有：

z

z r F r F r F =⋅⋅⋅==2211 (4)

由式（3）和式（4）可得任一位置螺栓工作拉力 2

2221z

i

i r r r Plr F +⋅⋅⋅++= (5)

在翻转轴线0-0右边，F i 使螺栓被拉紧，轴向拉力增大，而在0-0线左边的螺栓被放松，预紧力减小。

0- 0线右边的螺栓总拉力为

m

b b

i p c c c F Q Q +⋅

+=

或 b

m

b p i

c c c Q Q F +-=)

( (6)

在0-0线左边的螺栓总拉力为 m

b b

i P c c c F Q Q +⋅

-=

或 b

m

b P i

c c c Q Q F +--=)

( (7)

螺栓受力是通过测量应变值而得到的，且十个螺栓尺寸和材料完全相同，根据虎克定律

ε=σ/E 可得

螺栓预紧应变量为

2

4'

'd E Q E

p πσε=

=

或

''4

2

εεπk d E Q p ==

(8)

螺栓总应变量为 2

4d

E Q

E

πσ

ε=

=

或

εεπk d E Q ==4

2

(9)

式中 E —弹性模量 对钢 E=210×103

Mpa,d —螺栓直径（贴电阻应变片处）

4

2

d E k π=

对直径为6㎜的钢制螺栓k=593.76×104

N,将式（8）、（9）代入式（6）、（7）中得 在0-0

线

右

边

)'(εε-+=b

m

b i

c c c k

F (10) 在

0-0

线

左

边

)'(εε-+-=b

m

b i

c c c k

F (11)

若在0-0线左边螺栓所受工作拉力F i 代以负值，则由式（10）、（11）可得 )'(εε-=+i

m b b F k

c c c

(12)

利用式（5）将计算所得的F 1 或F 6（危险螺栓工作拉力）代入上式可求得相对刚度 m

b b

c c c +

值，并与规范给定的相对刚度值进行比较。

三、实验内容及要求

1、测定受翻转力矩的螺栓组连接中螺栓受力分布，并画出受力分布图和确定翻转轴线位置。

2、初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法。

四、实验步骤