机械设计实验指导书及报告--螺栓联接实验

螺栓联接实验指导书徐双满洪建平编
王青温审
机械工程实验教学中心
2012年9月
螺栓联接实验指导书
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C 1、被联接件刚度C 2、相对刚度C 1/C 1+C 2。

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1—1为螺栓联接实验机结构组成示意图，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．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E 1=2.06×105N/mm 2，螺栓杆直径d=10mm ，有效变形计算长度L 1=130mm 。

2）．套筒材料为45号钢，弹性模量E 2=2.06×105N/mm 2，两件套筒外径分别为D=31和32，内径为D 1=27.5mm ，有效变形计算长度L 2=130mm.。

2．仪器
1）YJ-26型数字电阻应变仪。

2）YJ-26型数字电阻应变仪。

3）PR10-26型预调平衡箱。

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
p p
剩余预紧力Qˊ
p ，这时，螺栓伸长变形的增量Δλ
1
，等于被联接件压缩变形的恢复Δ
λ2，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。

知道了力和变形的大小便可计算出连接副的刚度的大小，即力与变形之比Q/λ称
为刚度。

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： 161110L ⨯⨯=-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（－５０００με）。

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、15、20、25、30、35、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)、A2 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下，将预调箱切换开关分别打到1路和2路，调节对应的“电阻平衡”电位器，使应变仪显示的数值为零，则仪器调零结束。

4).加预紧力：转手轮1，并将电阻箱切换开关到1路，按螺栓的应变值为500με左右进行预紧。

分别将切换开关进行切换到1、2路，记录下应变仪显示的微应变值。

加轴向载荷：拧动手轮6，依次按百分表10、15、20、25、30、35、40小格进行加载，分别测量螺栓、套筒的微应变值。

5).卸载：松开手轮6，测力环百分表读数为零，卸载完毕。

6).卸预紧力：松开预紧手轮1。

五．实验注意事项
1．给各油杯及螺母端面加润滑油。

2．螺栓最大应变值με≤800，应避免螺栓过载，最小应变值με 1 ≥400，应避免施加轴向工作载荷后联接开缝，建议预紧力选在螺栓应变值500με左右。

3.特别提醒：在计算受力和变形数值应将微变值应值处以2。

六．思考题
1．求相对刚度C
1/C
1
+C
2
，并与教材介绍的数值对比分析。

2.考察联接件刚度不同时，对螺栓应力幅的影响，将两个套筒在预紧力相同的F—λ图线画在同一坐标中进行分析比较。

螺栓联接实验报告
姓名：学号：实验日期：年月日实验地点：
一、实验目的
二、实验手段及测试线路简图
三、实验记录及计算结果
1.实验数据表
2.绘制变形协调图
F为纵坐标，λ为横坐标，用方格坐标纸绘制F---λ图线。

3.思考题
1.求相对刚度C
1/C
1
+C
2
，与规范数值对比分析。

2.考察联接件刚度不同时，对螺栓应力幅的影响。