实验项目名称：螺栓联接拉伸实验

实验二螺栓联接拉伸实验

实验项目性质：验证性

实验计划学时：1

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。

4．实测受翻转力矩作用下螺栓组联接中各螺栓的受力情况。

5．初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法。

二、实验设备

1．螺栓联接实验台。

2．静态电阻应变仪。

3．其它仪器工具：万用表；螺丝刀；板手等。

4．电子计算机（含主机、显示器、键盘、鼠标、打印机等）。

三、实验设备简介

1．螺栓联接实验台

实验台的结构如图2-1所示，机座1与被联接件5（悬臂梁）用双排共有10个螺栓2联接，联接面间加橡胶垫4，通过杠杆加载系统3（1：75）和砝码6使联接螺栓受到翻转力矩作用，各螺栓的受力大小通过贴在其上的电阻应变片来测量。

1 2 3 4 5 6

Q

G

图2-1 螺栓实验台结构

螺栓由于G的作用，受到横向力Q和翻转力矩M的作用，即

M=Q×L（N·mm）

Q=75G+G0（N）

式中L——力臂；L=214mm；

G——加载砝码的重量；

G0——杠杆系统自重折算的载荷（700N）。

横向载荷Q与结合面上的摩擦阻力相平衡，而力矩M则使悬臂梁有翻转趋势，使得各个螺栓受到大小不等的附加作用力。螺栓的受力是通过贴在每个螺栓上的电阻应变片的变形，用电阻应变仪测得的。

为了便于测试，实验台的螺栓设计成细而长的试验螺栓，每个螺栓上都贴有电阻应变片。可在螺栓测试部位的任一侧贴一片，或在对称的两侧各贴一片电阻应变片，如图2-2所示。

应变片

ⅠⅡ

图2-2 螺栓安装及贴片图

2．LB-87型、LBX-84型螺栓联接实验机

图2-3、2-4分别为LB-84型、LBX-87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。

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.。

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。

图2-3 LBX-84型实验机结构图 1-加载手轮 2-拉杆 3-测力计百分表 4-测力环 5-套筒

6- 电阻应变片 7-螺栓 8-背紧手轮 9-预紧手轮

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με1 ≥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。

四、实验原理

图2-4 LB-87型螺栓联接实验机结构

1-预紧手轮；2-螺栓杆；3-被连接件；4-测力环；5-拉杆；6-加载手轮 6 5 4 3 2

D

D1 d

L

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，如图2-5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 （2-1） 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 (2-2)

故螺栓拉力为:

410

261111d E A F πμεσ⨯⨯⨯=⨯=- (2-3)

被联接件（套筒）压力为： 4

)

(1021262222D D E A F -⨯⨯==-πμεσ (2-4) 螺栓伸长变形为： 161110

L ⨯⨯=-μελ (2-5) 套筒压缩变形为： 262210L ⨯⨯=-μελ (2-6) 轴向工作载荷可由测力环中百分表读数测出：S K F ⨯= (2-7) 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2-6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。

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。

图图2-6 测试系统连接原理图

五、实验步骤

（一）受翻转力矩作用下螺栓组联接中各螺栓的受力

1．仪器联线

用导线从试验台上的接线柱上把各螺栓的应变片引出端以及补偿片的联线接到电阻应