螺栓实验.doc

实验一、螺栓联接综合实验
一、实验目的
现在各类机械中，广泛应用螺栓进行联接，如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态特性参数，是工程技术人员的一个重要课题。本实验通过对螺栓的受力进行测试和分析要求达到下述目的。
1、了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。
2、计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。
3、验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。
4、通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接强度的各项措施。

二、实验内容
1、基本螺栓联接静动态实验。
2、增加螺栓刚度的静动态实验。
3、增加被连接件刚度的静动态实验。
4、改用弹性垫片的静动态实验。

三、实验设备及仪器
该实验配有LZS螺栓联接综合实验台一台，LSD-A静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。
1、 螺栓联接实验台的结构与工作原理。如图1所示。
1）联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。空心螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载截面积，以达到改变联接件刚度的目的。垫片组由刚性和弹性两种垫片组成。
2）被联接件部分由上板、下板和八角环组成，八角环上贴有应变片，测量被联接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被联接件系统的刚度。
3）加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载（改变工作载荷）的目的。
2、 LSD-A型静动态测量仪的工作原理及各测点应变片的组桥方式。
实验台各被测件的应变量用LSD-A型静动态测量仪测量，通过标定或计算即可换算出各部分的大小。该仪器的工作原理方框图请参看LSD-A型静动态测量仪使用说明书。
LSD-A型静动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是用极细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，用粘剂将应变片牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了ΔR的变化，这样就把机械量转换成电量（电阻值）的变化。用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化ΔR/R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。通过A/D板该仪器可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。

2

1、 电动机 2、蜗杆 3、凸轮 4、蜗轮 5、下板 6、扭力插座 7、锥塞
8、拉力插座 9、弹簧 10、空心螺杆 11、千分表 12、螺母 13、刚性垫片(弹性垫片)
14、八角环压力插座 15、八角环 16、挺杆压力插座 17、M8螺杆 18、挺杆 19、手轮

图1

LZS螺栓联接综合实验台各测点均采用箔式电阻应变片，其阻值为120Ω，灵敏系数k=2.20，各测点均为两片应变片，按测量要求粘贴组成如图2所示半桥（即测量桥的两桥臂），图中A、B、C三点分别应为连接线中的三色细导线，其黄色线（即B点）为两应变片之公共点。
3、计算机专用多媒体软件及其他配套器具
1） 需要计算机的配置为带ISA槽主板、128M内存、40G硬盘、Celeron1.3G、光驱48X、17”纯平显示器。
2） 配套A/D板为PC6360转换卡。
3） 实验台专用多媒体软件，该软件可进行螺栓静态联接实验和动态联接实验的数据结果处理、整理，并打印出所需的实测曲线和理论曲线图，待实验结束后进行分析。
4） 专用扭力扳手0-200Nm一把，量程为0-1mm的千分表两个

四、实验方法及步骤（以螺栓联接静态实验为例说明实验方法和步骤）
（一）实验台及仪器预调与连接
1） 实验台：取出八角环上两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆，装上刚性垫片，转动手轮，使挺杆降下，处于卸载位置。
将两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面（靠外侧）和螺栓顶面接触，用以测量联接件（螺栓）与被联接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。（预紧初始值）螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。
2） 测量仪：配套的4根输出线的插头将各点插座连接好，各测点的布置为：电机侧八角环的上方为螺栓拉力，下方为螺栓扭力。手轮侧八角环的上方为八角环压力，下方为挺杆压力。然后再将各测点输出线分别接于测量仪背面1、2、3、4各通道的A、B、C接线端子上，注意黄色线接B端子（中点）。
3） 计算机：用配套的串口数据线接仪器背面的9芯插座，另一头连接计算机上的A/D板接口。启动计算机，按软件使用说明书要求的步骤操作进入实验台静态螺栓实验界面后。单击“空载调零”键后，对“应变测量值”框中数据清零，如串口数据线连接无误，则该输入框中，会有数据显示并跳动。
4） 调节静动态测量仪：通过测量仪上的选择开关，分别切换至各对应点，调节对应的“电阻平衡”电位器，使数码管为“0”，进行测点的电阻平衡。
（二）实验方法与步骤
1螺栓联接的静态实验
1） 用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为30～40N时，取下扳手，完成螺栓预紧。
2） 进入静态螺栓界面，将附录表中给定的标定系数由键盘输入到相应的“参数给定”框中。将千分表测量的螺栓拉变形和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中。
3） 单击“预紧测试”键，对预紧的数据进行采集和处理。
4） 用手将实验台上手轮逆时钟（面对手轮）旋转，使挺杆上升至一定高度，对螺栓轴向加载，加载高度≤16mm。高度值可通过塞入φ16mm的测量棒确定，然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中。
5） 单击“加载测试”键进行轴向加载的数据采集和处理。
6） 单击“实测曲线”键，做出螺栓联接对受力和变形的实测综合变形图。
7） 单击“理论曲线”键，做出螺栓联接的受力和变形的理论曲线图形。
8） 单击“打印”键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。
9） 完成上述操作后，静态螺栓联接实验结束，单击“返回”键，可返回主界面。
2螺栓联接动态实验`
1）螺栓联接的静态实验结束返回主界面后，单击“动态螺栓”键进入动态螺栓实验界面。
2）重复静态实验方法与步骤中的3-4步。
3）取下实验台右侧手轮，开启实验台电动机开关，单击“动态测试”键，使电动机运转30秒钟左右。进行动态加载工况的采集和处理。
4）单击“测试曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力和八角环压力变化实际波形图。
5） 单击“理论曲线”键，做出工作载荷变化时螺栓拉力和八角环压力及工作载荷变化的理论波形图。
6） 单击“打印”键，打印实测波形图和理论波形图。
7） 完成上述操作后，动态螺栓联接实验结束。

五、实验项目
LZS螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目，每个实验项目都需对实验台进行调整和相应标定系数的输入工作：
1、 螺栓联接静动态实验：
1） 实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。
2）标定系数：使用附录表中的空心螺栓项的给定数据。
2、 增加螺栓刚度的静动态实验：
1）实验台要求：取出八角环上两锥塞，拧紧空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。
2）标出系数：使用附录表中实心螺栓给定数据。
3、增加被连接件刚度的静动态：
1）实验台要求：插上八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上刚性垫片。
2）标定系数：使用附录表中的锥塞项给定的数据。
4、 改用弹性垫片的静动态：
1）实验台要求：取出八角环上两锥塞，松开空心螺杆上的M8小螺杆，装上弹性垫片。
2）标定系数：使用附录表中的弹性垫片项给定的数据。

六、注意事项
1、 电机的接线必须正确，电机的旋转方向为逆时钟（面向手轮正面）
2、 进行动态实验，开启电机电源开关时必须注意把手轮卸下来，避免电机转动时发生安全事故， 并可减少实验台振动和噪声。

七、实验报告
简答题：
1、在拧紧螺母时，拧紧力矩要克服那些摩擦力？此时螺栓和被联接件各受怎样载荷？
2、拧紧后又加工作载荷的螺栓连接中，螺栓所受总拉力是否等于预紧力加工作载荷？应该怎样确定？
3、从实验中可以总结出那些提高螺栓联接强度的措施？

附：LSD静动态测量仪使用说明

一、仪器概述
LSD静动态测量仪用于实验应力分析及静动力强度研究中测量结构及材料变形的应力分析。配用相应的传感器，可以测量力、压力、扭矩、位移、温度、振幅、速度、加速度的变化过程等物理量。它是材料研究、机械制造、水电工程、土木建筑等工矿企业、科学研究机构和大专院校在研究设计，生产施工中作非破坏性的静动态应变及上述各种物理量的测量和分析的一种重要工具。
本仪器采用正弦波电压作供桥电源，经过放大，检波、滤波输出信号。这种电路构造比较复杂，有稳定性好，抗干扰性能强，分辨力高，而输出杂波电压小等优点，特别是在小应变测量时，没有热电势的影响，仪器内部还设有电桥电容分量自动抵消电路和振荡电压、高灵敏度控制电路等多项措施，本仪器性能比较完善。（如图2所示）

图2仪器电路结构示意图

二、仪器主要技术指标
1、仪器按120Ω半桥使用设计。
2、标定：5000 με ，误差±0.2%。
3、线性电压：0～±5V(负载大于2kΩ时)线性误差小于±0.2%±1个 με 。
4、灵敏度可调范围：4000～6000 με 都调至5V。
5、工作频率范围：0～100HZ，频率特性误差小于±0.5db。
6、电阻平衡范围：大于±2500 με 。
7、电容自动平衡范围：大于3000ΡF。
8、电源：220V市电变化±10%可用。
9、供桥电压：1000HZ，2 5V。
10、仪器尺寸：120×300×200
4
1
2

3
5

6

图3仪器前面板

三、仪器面板上的作用件说明
1
2
1、3 位数字电压表，用来可观察1～4通道工作状态。
2、市电220V仪器的电源开关。
3、选择开关将1～4通道经它接入至显示器。
4、平衡电位器把测量电桥不平衡状态调至电桥平衡状态，这时电桥没有电压输出给
放大器。
5、标定是仪器应变量的标准尺度装置，用来衡量被测应变大小依据。
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6、灵敏度电位器作用是调节放大器的放大倍数。
11

7

12
9
8

图4仪器后面板

7、A、B、C三个接线柱是测量电桥的外半桥接点处，还有半个桥在机内。
8、接地点、传感器屏蔽线焊接此处。
9、9芯插座、放大器应变信号电压通过它与外部相接。
10、小型扭扣开关，拨在上面×1处显示器显示数一个字一个，×10档显示值×10是实际测量值。
11、市电220V接入插座。
12、市电220V 0 5A保险丝盒。

1
棕
2
红
3
橙
4
黄
通道电压
输出线
兰
紫
灰
白
对应各通道零

图5 9芯插座接线图

四、使用说明
1、将仪器前面板上3和6开关按钮全部按出，这时电源关闭状态，4个通道全无标定状态。
2、将传感器或应变片连接在后面板9 A、B、C上，A、B间电阻值增大时为“+”应变。B、C之间阻值增大为“—”应变。
3、将11插座与外部记录装置按通道连接起来。
4、将后面板上12开关先拨在×10处。
5、将220V电源线，插头推进插座上另一头与市电三芯相接。
6、以上准备工作做好后，按X3红色开关扭，预热15分钟后仪器基本上稳定。
7、电桥平衡调节将3开关从0上拨至1处，进行第一通道电桥平衡调节，观看显示器上出现“+”值数字调平衡电位器，逆时针方向旋转到零值为止。显示器上出现“—”值数字时按顺时针方向调到零点就可。如果需要调得精细一点，将后面板上12开关拨至×1上再调也可。后面三个通道重复上面进行就可。
8、标定使用、标定按入后，仪器有5000με信号电压输出，将记录装置最好调至5000个字，每一个字是一个με，比较直观，输出电压量最大 不要超过5 .5V，太大有可能线性不好，标定调好后，必须将标定开关按出，才可进行测量。
9、测量频率的确定，记录装置设定给出脉冲数，被测量信号频率与脉冲数作比较，就可计算被测量频率。

五、注意事项
1、机壳一定要接大地，以防触电。
2、桥臂电阻不能长期短接。
3、通道输出线，两线不能相碰。
4、标定的给出，必须接上标准电阻，给出的标定，才能符合技术要求。如果传感器标定的话，有可能增加误差。
5、仪器多台使用时，必须前后使用，因为没有同步装置。在两个被测件上，可以同时使用，但必须各台导线分开。
6、要求测量片和温度补偿片的阻值尽量选用一致，测量片和补偿片上所用的连接导线的线径分别相同，这样便于平衡。
7、仪器尽量放在远离磁场源（电机、大变压器）的地方。如有较大的磁源，可改变仪器的方向，少受干扰。
8、测量片和补偿片不受强阳光曝晒，高温辐射和空气剧烈流动的影响，补偿片应贴在与试件相同的材料上，与测量片保持同样的温度，应变片对电绝缘电阻应在500MΩ以上。

螺栓联接综合实验台专用多媒体软件使用说明
静态螺栓实验
一、实验内容：
1. 螺栓和被联接件的受力和应变的测试分析。该实验装置采用偏心轮加载方式，可连续调整载荷大小。该实验装置的测试系统采用电测法及A/D板采集实时螺栓组的应变量，并输入计算机绘制螺栓与被联接件的受力和变形的综合变形图，使学生掌握螺栓和被联接件的受力和变形的变化规律。
2. 螺栓和被联接件受力和应变的理论分析：该实验装置配置和计算机软件还可作出螺栓和被联接件的受力和变形的理论综合变形图，可与实测曲线进行比较分析，培养学生的理论联系实际的能力。
二、实验步骤：
1. 开启计算机，进入实验台的封面。
2. 在封面上非文字区单击左键，即可进入螺栓联接实验主界面。
3. 在实验主界面上，单击“静态螺栓”键，进入静态螺栓实验界面。
4. 螺栓空载时，单击“空载调零”键，清零。
5. 螺栓预紧后，单击“预紧测试”键，进行预紧工况的数据采集和处理。
6. 螺栓加载后，单击“加载测试”键，进行加载工况的数据采集和处理。
7. 单击“实测曲线”键，作出螺栓联接的受力和变形的实测综合变形图。
8. 单击“理论曲线”键，作出螺栓联接的受力和变形的理论综合变形图。
9. 单击“打印”键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。
10. 如果要做其他实验，单击“返回”主界面。
11. 如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。
三、功能键说明：
[说明]：单击此键，弹出动态螺栓实验以及该界面操作说明框。
[空载调零]：螺栓卸载后，单击此键，清零，即可开始重做一次实验。
[预紧测试]：螺栓预紧后，单击此键，进行预紧工况的数据采集和处理。
[加载测试]：螺栓加载后，单击此键，进行加载工况的数据采集和处理。
[动态测试]：启动电动机后，单击此键，进行动态加载工况的数据采集和处理。
[实测曲线]：单击此键，作出螺栓和变形的关系的实测曲线图形。
[理论曲线]：单击此键，作出螺栓和变形的关系的理论曲线图形。
[打印]：单击此键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。
[返回]：单击此键，返回主界面。
[退出]：单击此键，结束程序的运行，返回Windows界面。

螺栓主界面 螺栓静态实验
动态螺栓实验
一、实验内容：
1. 动态螺栓的动态载荷与变形的测量分析：该实验装置采用电测法及A/D板采集转换螺栓中载荷与应变的变化数据，并输入计算机作出螺栓和变形的关系的变化曲线图形。使学生掌握螺栓联接受动态载何后，螺栓的应力与变形之间的关系。
2. 动态螺栓的动态载荷与变形的变化曲线仿真分析，该实验装置，通过建模计算作出螺栓在变载荷作用下，螺栓变形，变化的理论曲线。可与实测曲线进行比较分析。
二、实验步骤：
1. 开启计算机，进入实验台的封面。
2. 在封面上非文字区单击左键，即可进入螺栓联接实验主界面。
3. 在实验主界面上，单击“动态螺栓”键，进入动态螺栓实验界面。
4. 螺栓空载时，单击“空载调零”键，清零。
5. 螺栓预紧后，单击“预紧测试”键，进行预紧工况的数据采集和处理。
6. 螺栓加载后，单击“加载测试”键，进行加载工况的数据采集和处理。
7. 启动电动机后，单击“动态测试”键，进行动态加载工况的数据采集和处理。
8. 单击“实测曲线”键，作出螺栓和变形的关系的实测曲线图形。
9. 单击“理论曲线”键，作出螺栓和变形的关系的理论曲线图形。
10. 单击“打印”键，打印实测曲线图形和理论曲线图形。
11. 如果要做其他实验，单击“返回”主界面，单击选定“实验内容”进入有关实验界面，以下步骤同前。
12. 如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。
13. 关掉实验台操作面板上的调速按钮，使电机停转。

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