实验项目名称：螺栓联接拉伸实验(1)

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。

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。

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 +G 0 （N ） 式中 L ——力臂；L=214mm ；
G ——加载砝码的重量；
G 0——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。

1
2
3
4
5
6
Q
G
应变片
Ⅰ Ⅱ
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E 1=2.06×105
N/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=2.06×105
N/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.。

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。

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。

四、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:
4
10
2
6
1111d E A F πμεσ⨯
⨯⨯=⨯=- (2-3)
被联接件（套筒）压力为：
4
)
(10
2126
2222D D E A F -⨯⨯==-πμεσ (2-4)
螺栓伸长变形为： 16
1110L ⨯⨯=-μελ
(2-5)
套筒压缩变形为： 26
2210
L ⨯⨯=-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变仪的接线箱上。

采用半桥测量方法：如每个螺栓上只贴一个应变片，其联线如图2-7所示；如每个螺栓上其对称的两侧各贴一个应变片，其联线如图2-8所示。

后者可消除螺栓偏心受力的影响。

图2-7 单片测量 图2-8 双片测量
2．螺栓初预紧
抬起杠杆加载系统，不使加载系统的自重加到螺栓联接件上。

先将图2中所示的左端各个螺母Ⅰ用手尽力拧紧，然后，再把右端的各个螺母Ⅱ也用手尽力拧紧。

注意：在实验前，如螺栓已经受力，应将其拧松后再作初预紧。

工作片
工作片 补偿片
补偿片
3．应变测量点预调平衡
在各螺栓初预紧后，以此作为初始状态，进行各螺栓应变测量的“调零”（预调平衡），把各应变测量点都尽可能调到“零”读数。

其操作步骤如下：
（1）将杠杆加载系统安装好，使加载系统的自重加到螺栓联接件上，此时加载杠杆一般会呈向右倾斜状态。

（2）各螺栓应变测量的“调零”（预调平衡）：打开应变仪电源开关，使应变仪预热3分钟后，关闭电源开关；再打开电源开关，出现“HL-2101-”字样后，按“灵敏系数”键约1秒钟以上，如果出现“C1 ON”（此表示联机）字样，按“通道▲”键调到“C1 0FF”（此表示脱机）字样，如果出现“C1 0FF”字样，则不必调“通道▲”键，此时实验台与计算机处于脱机状态，然后按“灵敏系数”键，出现“C2 ALL”字样，再按“灵敏系数”键，出现“CC -End-”字样后，关机。

再次开机后出现“01 ХХ”字样，按“通道▲”键或“通道▼”键，则出现“02 ХХ”或“10 ХХ”等字样，此时可进行应变测量点的预调平衡，通过控制“通道▲”键或“通道▼”键及“单点平衡”键，将各应变测量点在应变仪上显示的读数均调到“零”读数，即调到“0Х 00”字样。

然后按“灵敏系数”键，先出现“SET ALL”字样，等到出现“SA 2. ХХ”(此为灵敏系数值)字样后，通过控制“通道▲”键及“通道▼”键将灵敏系数值修改到应变片的灵敏系数值，修改完毕后按“灵敏系数”键，出现“-End-”字样后关机。

打开计算机，用鼠标先后依次单击“开始”、“程序”、“螺栓联接实验”等图标，进入螺栓联接实验演示软件，修改应变系数K为应变片的灵敏系数值。

然后单击“下一页”图标。

打开应变仪电源开关，出现“HL-2101-”字样后，按“灵敏系数”键约1秒钟以上，出现“C1 0FF”字样后，按“通道▲”键，出现“C1 ON”（此表示联机）字样后，按“灵敏系数”键，出现“C2 ALL”字样，再按“灵敏系数”键，出现“CC -End-”字样后，关机。

再开机后出现“PC-CODE”字样，这时实验台与计算机接通。

通过鼠标单击“基准零点”图标，等到“预紧”图标重新出现后，单击“预紧”图标，然后依次单击“螺栓确认”、“数采”等图标，待数据采完毕后，单击“清除数据”图标。

4．螺栓加预紧力F1
关闭应变仪电源后再打开，出现“HL-2101-”字样后，按“灵敏系数”键约1秒钟以上，出现“C1 ON”字样后，按“通道▲”键，出现“C1 0FF”字样后，按“灵敏系数”键，出现“C2 ALL”字样，再按“灵敏系数”键，出现“CC -End-”字样后关闭应变仪电源。

打开应变仪电源，出现“01 ХХ”字样，按“通道▲”键或“通道▼”键，则出现“02 ХХ”或“10 ХХ”等字样，用搬手拧实验台右端的螺母来加预紧力，因为螺栓的右端有一段“U”形断面，它与联接件的距形沟槽相配，可以防止螺栓预紧时受到扭力作用。

在预紧过程中，各螺栓的预紧力会相互影响，所以，应先后交叉（可按1、10、5、6、7、4、2、9、8、3号螺栓依次预紧）并重复对螺栓进行预紧，使各螺栓均预紧到接近相同的设定预应变量（即应变仪显示值为ε1=280～320με）。

为此，要反复调整5～6次或更多次数。

在预紧过程中，用应变仪来监测。

螺栓预紧后，加载杠杆一般会呈上翘状态。

关闭应变仪电源后再打开，出现“HL-2101-”字样后，按“灵敏系数”键约1秒钟以上，出现“C1 0FF”字样后，按“通道▲”键，出现“C1 ON”字样后，按“灵敏系数”键，出现“C2 ALL”字样，再按“灵敏系数”键，出现“CC -End-”字样后，关闭应变仪电源再打开，出现“PC-CODE”字样，这时实验台与计算机接通。

通过鼠标依次单击“预紧”、“螺栓确认”、“数采”等图标，待数据采完毕后，单击“下一页”图标，进入到加荷实验。

5．进行加载试验
螺栓预紧完毕后，即可在杠杆加载系统上挂上一定重量的砝码进行测试。

加载后，通过鼠标及键盘负荷栏打入砝码的重量，然后，依次通过鼠标单击“加荷”、“螺栓确认”、“数采”等图标，待数采完毕后，单击“下一页”图标，可直接得到“实验测试记录表”、“实验数据处理表”及“实验数据对比表”。

注意：加载后，任一螺栓的总应变值（预紧应变+工作应变）不应超过允许的最大应变值（εmax≤800με），以免螺栓超载损坏。

实验结果处理和分析：
1．根据实测结果，计算出在翻转力矩作用后螺栓联接的各螺栓的实测总拉力F2的大小和拉力增量ΔF=F2-F1的受力图。

（1）各螺栓的总拉力F2i
式中E——螺栓材料的弹性模量，Gpa；
S——螺栓测试段的截面积，m2；
εi——第i个螺栓在翻转力矩作用下的总拉应变量，με
（2）各螺栓的拉力增量ΔF
式中Δεi——在翻转力矩作用下的第i个螺栓的拉应变增量，με。

注：ΔF i也可以用ΔF i= F2i-F1i来计算，式中F1i为各螺栓的预紧力。

（3）绘出螺栓受力图
见螺栓联接实验演示“实验受力图1、2（F2）。

2．根据螺栓联接的简单理论分析计算方法（作了简化和假设），计算出在翻转力矩作用下，被联接件传给各螺栓的工作力P N的大小，并绘出它们的分布图。

P N1=P N6= QLr1/( r12+ r22+…+ r102)=QLr1/2×2(r12+ r22)
P N2=P N7= P N1/2
P N3=P N8=0
P N4=P N9= -P N1/2
P N5=P N10=-P N1
式中r12、r22、…、r102为各螺栓中心至翻转中心轴线的垂直距离。

r1=r5 =r6 =r10=66mm，r2=r4 =r7 =r9=33mm。

（二）受轴向工作载荷的紧螺栓联接的受力和变形曲线
１．用LB-84实验机步骤
１）在指导老师的指导下，按上图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500
με，背紧1，松开手轮9，则完成预紧。

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。

6）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A1 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、20、30、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。