【机械基础实验-项目一】LSC-II螺栓组及单螺栓联接综合实验台实验指导书.doc

LSC-II螺栓组及单螺栓联接综合实验台一、工程应用实例螺纹联接是机器中广泛采用的联接形式，常为可拆联接。在机械设计中大量使用螺纹联接，例如流体传动中液压缸的法兰盘联接、汽车发动机中汽缸盖与缸体的联接等。在日常生活中，螺栓组联接也有广泛应用，例如空调的室外机的托架等等。二、实验问题的提出在螺栓承受变动外载荷时，粗螺栓的疲劳寿命比细长螺栓的寿命短，这是为什么呢？另一方面，在机器设计中可以通过哪些措施来提高螺栓的疲劳寿命，机械设计中介绍了三种措施：（1）提高被联接件的刚度；（2）减小螺栓的刚度；（3）提高螺栓联接的预紧力。也可以同时采用上述三种措施。第（1）（2）种措施将导致螺栓联接残余预紧力的减小，这对有密封要求的联接是必须考虑的；第（3）种措施会导致螺栓静强度的减弱。上述结论正确吗？我们通过本实验来观察、分析螺栓的联接特性。螺栓联接常成组使用。在外界转矩或倾翻力矩载荷作用下，每只螺栓上承受的载荷一样吗？各螺栓上承受载荷间有什么关系呢？让我们用实验来研究这一问题。三、实验目的现代各类机械工程中广泛应用螺栓组机构进行联接。如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态性能参数是工程技术人员面临的一个重要课题。本实验通过对一螺栓组及单个螺栓的受力分析，要求达到下述目的：（一）螺栓组试验（1）了解托架螺栓组受翻转力矩引起的载荷对各螺栓拉力的分布情况。（2）根据拉力分布情况确定托架底板旋转轴线的位置。（3）将实验结果与螺栓组受力分布的理论计算结果相比较。（二）单个螺栓静载试验了解受预紧轴向载荷螺栓联接中，零件相对刚度的变化对螺栓所受总拉力的影响。（三）单个螺栓动载荷试验通过改变螺栓联接中零件的相对刚度，观察螺栓中动态应力幅值的变化。四、螺栓试验台结构及工作原理(一)螺栓组试验台结构与工作原理螺栓组试验台的结构如：图1所示。图中1为托架，在实际使用中多为水平放置，为了避免由于自重产生力矩的影响，在本试验台上设计为垂直放置。托架以一组螺栓3联接于支架2上。加力杠杆组4包含两组杠杆,其臂长比均为1:10，则总杠杆比为1:100，可使加载砝码6产生的力放大到100倍后压在托架支承点上.螺栓组的受力与应变转换为粘贴在各螺栓中部应变片8的伸长量，用变化仪来测量。应变片在螺栓上相隔180粘贴两片，输出串接，以补偿螺栓受力弯曲引起的测量误差。引线由孔7中接出。图1 螺栓组试验台加载后，托架螺栓组受到一横向力及力矩，与接合面上的摩擦阻力相平衡。而力矩则使托架有翻转趋势，使得各个螺栓受到大小不等的外界作用力。根据螺栓变形协调条件，各螺栓所受拉力F（或拉伸变形）与其中心线到托架底版翻转轴线的距离L成正比。即： （1）式中，F1，F2安装螺栓处由于托架所受力矩而引起的力（N）； L1，L2是从托架翻转轴线到相应螺栓中心线间的距离（mm）； 本试验台中第2、4、7、9号螺栓下标为1；第1、5、6、10号螺栓下标为2；第3、8号螺栓距托架翻转轴线距离为零（L=0）。根据静力平衡条件得：M = Qho = （2） M = Qho =22F1L1+22 F2L2(Nmm) （3）式中，Q托架受力点所受的力（N）h0托架受力点到接合面的距离（mm），见图2。本实验中取Q=3500N；h0=210mm；L1=30 mm；L2=60 mm。则第2、4、7、9号螺栓的工作载荷为：F1 = （4） 第1、5、6、10号螺栓的工作载荷为：F2 = （5）（二）螺栓预紧力的确定本实验是在加载后不允许联接接合面分开的情况下来预紧和加载的。联接在预紧力的作用下，其接合面产生挤压应力为： p= （6） 悬臂梁在载荷Q力的作用下，在接合面上不出现间隙，则最小压应力为： 0 （7） 图2螺栓组的布置式中，Qi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) (mm)2； W接合面抗弯截面模量， W = ( mm3) （8） 上式中，a=160 mm； b=105 mm；c =55mm。因此，Q0 （9）为保证一定安全性，取螺栓预紧力为：Q0 = （1.251.5） （10）再分析螺栓的总拉力。在翻转轴线以左的各螺栓（4、5、9、10号螺栓）被拉紧，轴向拉力增大，其总拉力为 Qi = Q0 + Fi + （11）或 Qi = (Qi + Fo ) （12）在翻转轴线以右的各螺栓（1、2、6、7号螺栓）被放松，轴向拉力减小，总拉力为： Qi = QoF1 （13）或 Fi = （QoQi） （14）式中螺栓的相对刚度； CL螺栓刚度；CF被联接件刚度；螺栓上所受到的力是通过测量应变值而计算得到的，根据虎克定律 = （15） 式中，应变量；应力（Mpa）；E材料的弹性模量，对于钢材，取E=2.06X105 Mpa，则螺栓预紧后的应变量为 o = = （16） 螺栓受载后总应变量为 i = （17）或 Qi = （18）式中，d被测处螺栓直径（mm）； K系数，K = 因此，可得到螺栓上的工作压力在翻转轴线以左的各螺栓（4、5、9、10号螺栓）的工作拉力为： Fi = K（iO） （19） 在翻转轴线以右的各螺栓（1、2、6、7号螺栓）的工作拉力为：Fi = K（O i） （20）（三）单螺栓试验台结构及工作原理图3 单个螺栓试验台单螺栓试验台部件的结构如图3所示。旋动调整螺帽1，通过支持螺杆2与加载杠杆8，即可使吊耳3受拉力载荷，吊耳3下有垫片4，改变垫片材料可以得到螺栓联接的不同相对刚度。吊耳3通过被试验单螺栓5、紧固螺母6与机座7相联接。电机9的轴上装有偏心轮10，当电机轴旋转时由于偏心轮转动，通过杠杆使吊耳和被试验单螺栓上产生一个动态拉力。吊耳3与被试验单螺栓5上都贴有应变片,用于测量其应变大小。调节丝杆12可以改变小溜板的位置，从而改变动拉力的幅值。五、实验方法及步骤（一）接静动态应变仪实验方法及步骤注：电阻应变仪结构、工作原理及使用方法，详见所选用的应变仪附带的说明书。1螺栓测量电桥结构及工作原理图4 测量电桥如图4，实验台每个螺栓上都贴有二片应变片R应 （阻值120，灵敏系数2.22）与二固定精密电阻R阻 （阻值120）组成一全桥结构的测量电路。设当螺栓受力拉伸变形时应变片阻值变化为R，则有： R阻V3 = VE R阻 + R应 + R R阻 + RV1 = VE R阻 + R应 + R R应 + R R阻V i V1V3 VE R阻 + R应 + R式中： R阻 R应 且远大于R RV i VE （R = R应= R阻 ) 2R 上式中V i 即为实验台被测螺栓全桥测量电路的输出压差值。有关温度补偿实验台试验螺栓测量电桥设计时考虑到每次做实验时间不会太长，在实验时间内环境湿度变化不大，故没有设置温度补偿片，在实验时只要保证测试系统足够的预热时间即可消除温度影响。（1）接应变仪：系统联接后打开电源，按所采用应变仪要求先预热，再调平衡。（2）接LSC-型螺栓组及单螺栓综合实验仪：系统正确联接后打开实验仪电源，预热五分钟以上。再进行校零等实验操作。2螺栓组试验1)、在实验台螺栓组各螺栓不加任何预紧力的状态下，将各螺栓对应的半桥电路引线（110号线）按要求接入所选用的应变仪相应接口中，并按应变仪使用说明书进行预热（一般为三分钟）并调平衡。（参见附录）2)、由式（10）计算每个螺栓所需的预紧力Q0，并由公式（17）计算出螺栓的预紧应变量0。3)、按公式（4），（5）计算每个螺栓的工作拉力Fi，将结果填入表（4）中。4)、逐个拧紧螺栓组中的螺母，使每个螺栓具有预紧应变量0 ，注意应使每个螺栓的预紧应变量0尽量一致。5)、对螺栓组联接进行加载，加载3500N，其中砝码连同挂钩的重量为3.754kg。停歇2分钟后卸去载荷，然后再加上载荷，在应变仪上读出每个螺栓的应变量i，填入表中，反复做3次，取3次测量值的平均值为实验结果。6)、画出实测的螺栓应力分布图。7)、用机械设计中的计算理论计算出螺栓组联接的应变图，与实验结果进行对比分析。3单个螺栓静载实验1)、旋转调节丝杆12摇手移动小溜板至最外侧位置。2)、如图5，旋转紧固螺母6，预紧被试螺栓5，预紧应变为15000 。图5 单个螺栓试验台3)、旋动调整螺帽1，使吊耳上的应变片（12号线）产生50的恒定应变。4)、改变用不同弹性模量的材料的垫片，重复上述步骤，记录螺栓总应变0。5)、用下式计算相对刚度C，并作不同垫片结果的比较分析。 Ce = 式中，A吊耳测应变的截面面积，本试验A为224mm2； A试验螺杆测应变的截面面积，本试验中A为50.3 mm2。4单个螺栓动载荷试验1)、安装钢制垫片。2)、将被试螺栓5加上预紧力，预紧应变仍为1=500（可通过11号线测量）。3)、将加载偏心轮转到最低点，并调节调整螺母1，使吊耳应变量=5-10（通过12号线测量）。4)、开动小电机，驱动加载偏心轮。5)、分别将11号线、12号线信号接入示波器，从荧光屏上的波形线分别估计地读出螺栓的应力幅值和动载荷幅值。也可用毫安表读出幅值。6)、换上环氧垫片，移动电机位置以改变钢板比，调节动载荷大小，使动载荷幅值与用钢垫片时相一致。7)、再估计地读出此时的螺栓应力幅值。8)、做不同垫片下螺栓应力幅值与动载荷幅值关系的对比分析。9)、松开各部分，卸去所有载荷。10)、校验电阻应变仪的复零性。根据实验记录数据，绘出螺栓组工作拉力分布图。确定螺栓联接翻转轴线位置。5实验结果1)、螺栓组试验表1计算法测定螺栓上的力螺栓号数项目12345678910螺栓预紧力Q0螺栓预紧应变量0X10-6螺栓工作拉力F0表2 实验法测定螺栓上的力螺栓号数项目12345678910螺栓总应变量第一次测量第二次测量第三次测量平均数由换算得到的工作拉力Fi 绘制实测螺栓应力分布图 图6 实测螺栓应力分布2)、单个螺栓实验1= （吊耳）= 表3垫片材料钢片 环氧片 e 相对刚度Ce式中，A吊耳上测应变片的截面面积（mm2）；A=2b b吊耳截面宽度（mm） 吊耳截面厚度（mm） A试验螺栓测应变截面面积（mm2）；A=d2/4 d螺栓直径（mm）3)、单个螺栓动载荷试验 表3-1-4垫片材料钢片 环氧片1动载荷幅值（mV）示波器毫伏标螺栓应力幅值（mV） 示波器毫伏标（二）接微机实验方法及步骤 1系统组成及联接 LSC-型螺栓组及单螺栓联接静、动态综合实验系统，也可由LSC-型螺栓组及单螺栓组合实验台、LSC-螺栓综合实验仪、微机算机及相应的测试软件所组成。如图7所示：CRT显示器打印机微计算机LSC-型螺栓组及单螺栓综合实验仪LSC-型螺栓组及单螺栓综合实验台 图 7在进行实验时，首先进行系统正确联接，即将螺栓实验台上112号信号输出线分别接入实验仪后板相应接线端子上，每路信号为4个接头，按黄、绿、黑、红从上至下联接。将计算机RS232串行口通过标准的通讯线，与实验仪背面的RS232接口联接。打开实验仪面板上的电源开关，接通电源，并启动计算机。注：应在可靠的联接好所有联线后再开启计算机及实验台电源，否则易损坏计算机。 启动螺栓实验应用程序进入程序主界面如图8所示：图8.程序主界面2系统配置启动主程序后，如果此设备第一次使用请先进行系统配置，点击系统配置进入图9界面。图9. 系统配置界面如图9中的对话框请输入所在螺栓试验设备的编号,系统会自动配置所在设备一些系统设置参数.配置完成退出后这时你可以根据实验要求进入相应的实验。3螺栓组静载实验 1）主界面及相关功能点击“螺栓组平台”进入螺栓组静载实验界面，如图10 图10:螺栓组静载试验界面螺栓组静载实验界面由数据显示区，图形显示区，采集区，信息总汇，工具栏组成。.数据显示区 数据显示区显示当前螺栓检测的数据包括螺栓号，所受载荷及应变.图形显示区 显示螺栓所受力与应变的关系图.采集区用户可通过选择采集通道中的复选框来选定所要检测的某几个通道的螺栓，或选择所有通道，当用户采集完需显示某几个通道螺栓数据时也可通过这些复选框来选定所要显示的螺栓受力情况。.信息总汇信息总汇有两个选择框，上一个选择框保存了最近十次采集的数据，用户选择任意选择其中一次显示数据及图形。如图16图16 下一个选择框用户可以显示任意一个螺栓最近十次实验数据如图17图17.工具栏包括文件，串口设置，模拟数据，初始设置，复位，理论曲线，学生信息，及帮助。（1）文件:打开可打开之前保存的数据文件；保存数据保存当前实验采集的数据；保存图片-保存当前显示的图片；打印-打印当前的图片，相关数据，及系统的一些参数；另存为-同保存数据，退出-退出系统。（2）串口设置: 如果计算串口选择的是端口2需要在串口设置中选择COM2(默认COM1)（3）模拟数据:显示出厂设置中的保存的模拟数据及图形（4）初始设置 包括标准参数设置，较零，加载预紧力，标定及恢复出厂设置 标准参数设置(如图18)：如果更换设置中相应的器件，需修改其中的参数。(一般不建议修改)图18 螺栓组参数设置较零:当用户第一次使用此设备或反复做本实验时需要较零如下图:图19螺栓组较零前需先松开所有螺栓然后点击确定，系统会自动采集数据，按退出即关闭较零程序。加载预紧力:在螺栓组试验中在外挂砝码前需要先预紧螺栓，此功能能够实时采集螺栓预紧力大小。如图20图20 螺栓预紧力标定:当设备长期使用或其它原因造成实验数据严重不准确时，用户可自行标定系统参数(螺栓组标定系数)。如图下:图21 螺栓组标定分成三步:第一步: 较零 (同上较零功能)第二步:螺栓预紧力加载图22根据信息提示加载力到每个螺栓，加载完成后点击确定，系统会自动采集螺栓预紧力数据，点退出结束此功能项。第三步:加载标准3500N砝码图23外挂标准3500N砝码悬挂完成后点击确定。这时系统会再采集当前螺栓受力数据，采集完成后自动算出每个螺栓的标定系数并显示在下方的文本框中， 用户可以保存数据或直接退出。注:标定的不准确会造成数据的失真，一般建议标定十次以上，用户需记录每次数据值最后做完数据处理请输入到标定结果栏中，通过选择其中的单选框用户可以修改或记录标定数据。修改记录完要记得保存数据方可有效。恢复出厂设置:当用户因标定或修改其它系统参数后而不能正常使用此系统时请选择此功能， 恢复出厂设置会把系统数据恢复到原始出厂值。注:使用此功能会删除当前的所有数据不能恢复。（5）复位此功能项会恢复程序到初始打开状态，但不会清除标定，较零，预紧力加载及系统参数值。 （6）理论曲线 此功能会显示动态的理论曲线图供用户参考如图:图24 （7）学生信息此功能项主要记录当前用户信息包括姓名，学号，班级，及设备使用时间。（8）帮助此功能包括使用说明及系统版本号，使用说明可以指导用户您很好使用本系统，你可选择使用说明这一功能或按F12）实验操作方法及步骤第一步：较零：松开螺栓组各螺栓。点击工具栏中初始设置较零图25点击确定，系统就会自动较零。较零完毕后点击退出，结束较零。第二步：给螺栓组加载预紧力：点击工具栏中初始设置加载预紧力，出现如下图：图26点击确定，此时用户可以用扳手给螺栓组加载预紧力，（注：在加载预紧力时应注意始终使实验台上托架处于正确位置，即使螺栓垂直托架与实验台底座平行。）系统则自动采集螺栓组的受力数据并显示在数据窗口，用户可以通过数据显示窗口逐个调整螺栓的受力到500微应变左右，加载预紧力完毕。第三步：给螺栓组加载砝码：加载前先在程序界面加载砝码文本框中输入所加载的砝码的大小并选择所要检测的通道（如图27）：图27然后悬挂好所要加载的砝码，再点击采集，此时系统则会把加载砝码后的数据实时的采集上来，等到采集上来的数据稳定时点击停止按钮，这时系统停止采集，并将数据B图像显示在应用程序界面上，如图28所示：图284单螺栓静、动载试验1）主界面及相关功能图29单螺栓界面单螺栓界面主要实现相对刚度测量和螺栓动载荷实验。工具栏有文件，串口设置，模拟数据，螺栓试验，初始设置，复位，理论曲线，学生信息，帮助组成。(1)文件:打开可打开之前保存的数据文件；保存数据保存当前实验采集的数据；保存图片-保存当前显示的图片；打印-打印当前的图片,相关数据,及系统的一些参数；另存为-同保存数据,退出-退出系统。(2)串口设置: 如果计算串口选择的是端口2需要在串口设置中选择COM2(默认COM1)(3)模拟数据:显示出厂设置中的保存的模拟数据及图形。(4)螺栓试验:包括标准参数设置,相对刚度测量及动载荷实验。(5)初始设置 包括较零,标定,恢复出厂设置； 较零:当用户第一次使用此设备或反复做本实验时需要较零如下图:图30较零较零前需先卸载单螺栓及吊耳支撑螺杆，即松开实验台中调整螺帽1和紧固螺母6（见图3），点击“确定”，系统会自动进行较零，较零完毕后按“退出”即结束较零。标定:当设备长期使用或其它原因造成实验数据严重不准确时，用户可自行标定系统参数(单螺栓及吊耳的标定系数)。如下图:图31 标定标定分成三步:第一步:较零同上栏较零功能；第二步:螺栓预紧力加载如下图:图32 螺栓标定此步骤根据界面提示信息，螺栓外力加载完毕后按确定，此时系统会自动采集数据，最后计算出螺栓标定的系数，按退出即退出此步骤；第三步:吊耳预紧力加载如图图33 标定此步骤根据界面提示信息，吊耳外力加载完毕后按确定，此时系统会自动采集数据，最后计算出吊耳标定的系数，按退出即退出此步骤；标定结果显示在标定界面的右下角标定结果中，用户可选择保存数据或直接退出。（注:标定的不准确会造成数据的失真，一般建议标定十次以上，用户需记录每次数据值最后做完数据处理请输入到标定结果栏中，通过选择其中的单选框用户可以修改或记录标定数据。修改记录完要记得保存数据方可有效。）恢复出厂设置:当用户因标定或修改其它系统参数后而不能正常使用此系统时请选择此功能，恢复出厂设置会把系统数据恢复到原始出厂值。注:使用此功能会删除当前的所有数据不能恢复。(6)复位此功能项会恢复程序到初始打开状态，但不会清除标定，较零，预紧力加载及系统参数值。(7)理论曲线此功能会显示动态的理论曲线图供用户参考如图:图32单螺栓动载试验(8)学生信息此功能项主要记录当前用户信息包括姓名，学号，班级，及设备使用时间。(9)帮助此功能包括使用说明及系统版本号，使用说明可以指导用户您很好使用本系统，你可选择使用说明这一功能或按F1。2）实验操作方法及步骤点击单螺栓实验主界面工具栏中螺栓试验，单螺栓试验包括：标准参数设置，相对刚度测量及动载荷实验。(1)、标准参数设置(如图35):如果更换设置中相应的器件，需修改其中的参数。(一般不建议修改)图35螺栓参数计算公式(2)、相对刚度测量(如图36) :测量垫片的刚度，实验步骤如下图36第一步:点击安装垫片键，选择安装的垫片类型，并点击确定。按提示卸载单螺栓及吊耳螺栓杆并安装好所选择的垫片，（参见图3，即松开螺母1及螺母6）。第二步:点击螺栓较零，在螺栓及吊耳都未加载力前较零第三步：点击螺栓预紧力加载，如下图图37预紧力加载点击开始，系统会采集螺栓受力数据，这时用户可通过调节紧固螺母6对螺栓加载外力，并根据采集的应变数据值来判断所加载的力是否已经满足条件，当应变数据达到500左右时点击确定表示加载完毕，系统自动保存数据退出，用户可以进入下一步操作。第四步:点击吊耳较零，在卸载吊耳支撑螺杆状态下，按确定键，较零结束后退出。第五步:点击吊耳预紧力加载，如下图:图38吊耳预紧力加载点击开始，这时用户可通过旋转吊耳调整螺母1（参见图5）对吊耳加载到提示值，按确定结束预紧力加载。第六步:点击相对刚度计算，如下图:图39相对钢度计算此操作会根据所采集的数据计算出相对刚度和被联接件刚度(垫片)，用户可对计算的数据保存如不保存直接按退出。(3)、动载荷实验:包括较零、加载螺栓预紧力及数据采集。见图5，首先旋转调节丝杆12摇手，移动小溜板至最外侧位置，并将加载偏心轮10转到最低点位置。 较零点击单螺栓实验台主界面工具栏中初始设置，操作方法见“初始设置”中的较零 加载螺栓预紧力 打开单螺栓实验台主界面工具栏中“螺栓试验”点击动载荷试验中加载螺栓预紧力，如图40：图40 预紧力加载点击开始，系统会采集螺栓受力数据，这时用户可以对螺栓加载外力，用户应慢慢拧紧紧固螺母6（见图5）,对螺栓加载预紧外力，并根据采集的数据所显示的应变值来判断所加载的力是否已经满足条件(也可以通过看程序图形显示的变化)，点击确定表示加载预紧力完毕，系统自动保存数据退出,用户可以进入下一步操作。(4)、数据采集点击动载荷试验中“启动”， (启动功能与程序主界面的采集功能相同，用户也可按采集按钮)系统开始采集数据。这时请开启电机，旋动调整螺母1（参见图5）对吊耳慢慢的加载外力即工作载荷，（注：在开启电机前吊耳调整螺母1应是保持松弛状态）这时你可以看到程序图形界面的波形变化，如图41所示。旋转调整螺母1的松紧程度（即工作载荷大小）用户可根据具体实验要求选择合适值。旋转调节丝杆12摇手移动小溜板位置，可微调螺栓动载荷变化。注:启动前请先在主界面正中下选择当前设备使用的垫片类型。图41六、讨论题1、翻转中心不在3号、8号位置，说明什么问题？2、被联接件刚度与螺栓刚度的大小对螺栓的动态应力颁布有何影响？3、理论计算和实验所得结果之间的误差，是由哪些原因引起的？七、进一步探讨的参考文献王白琴，陈录如，陈先峰.高强度螺栓联接.北京:冶金工业出版社,1991J.E.希格利,L.D.米切尔著.机械工程设计.全永昕,余长庚,汝元功等译.北京:高等教育出版社,198827