螺栓组连接实验指导

9.1.1 实验目的

(1) 测试螺栓组连接在倾覆力矩作用下的载荷分布。

(2) 深化课程学习中对螺栓组连接受力分析的认识。

(3) 初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法。

9.1.2 实验设备及工作原理

螺栓组连接实验台主要由螺栓组连接、加载装置及测试仪器三部分组成。 如图9- 1所示的螺栓组连接是由10个均布排列为两列的螺栓将支架13和机座11连接起来而构成。 加载装置是由具有1∶75放大比的两级杠杆14和15组成，砝码力G经过杠杆比增大而作用在支架悬臂端上的载荷为Q。 因此，螺栓组连接受到横向载荷Q和倾覆力矩M的作用，即

Q=75G+G0(N)

M=Ql (N·mm)

式中 G——加载砝码重力(N);

G0——杠杆系统自重折算的砝码力，取700N;

l——力臂长，取214mm。

图9- 1 螺栓组连接实验台结构简图

1～10—试验螺栓;11—机座;12—电阻应变片;13—支架;

14—第一杠杆;15—第二杠杆;16—砝码

由于Q和M的联合作用，各个螺栓所受轴向力不同，它们的轴向变形也就不同。 在各个螺栓中段测试部位的任一侧贴一片电阻应变片12，如图9- 2所示，或在对称的两侧各贴一片电阻应变片，以便消除螺栓偏心受力的影响。 各个螺栓的受力可通过贴在其上的电阻应变片的变形，用电阻应变仪测得。 电阻应变仪是通过载波电桥将机械量转换成电量实现测量的，如图9- 3所示，将贴在螺栓上的电阻应变片1作为电桥一个桥臂，温度补偿应变片2作为另一桥臂。 螺栓不受力时，使电桥呈现平衡状态。 当螺栓受力发生变形后，应变片电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出一个电压信号，经放大、检波等环节，便可在刻度盘上直接读出应变值。 经过适当的计算就可得到各螺栓的受力大小。

图9-2 螺栓安装及电阻应变片贴片位置

图9-3 电桥工作原理

本实验是针对不允许连接接合面分开的情况。 螺栓预紧时，连接在预紧力的作用下，接合面间产生挤压应力。 当加载G后，支架13在倾覆力矩M的作用下，有绕其对称轴线O O翻转的趋势，使连接的上部挤压应力减小，下部挤压应力增大。 为保证连接的最上端处不出现间隙，应满足以下条件

式中 F预——单个螺栓预紧力(N);

z——螺栓个数，取z=10;

A——接合面的有效面积(mm2)，A=a(b-c);

M——倾覆力矩(N·mm)，M=Ql;

W——接合面的有效抗弯截面系数(mm3)，2)。

由式(9-1)化简得

为保证一定的安全性，取防滑系数Ks=1.1～1.3，则螺栓的预紧力为

螺栓工作拉力可根据支架静力平衡条件求得，由平衡条件可得

M=Ql=F1r1+F2r2+…+F10r10(9-3)

式中 F1、F2、…、F10——各螺栓所受的工作力(N);

r1、r2、…、r10——各螺栓中心到翻转轴线O O的距离。

根据螺栓变形协调条件有

由式(9-3)和式(9-4)可得任一螺栓的工作力为

在翻转轴线O O以上，Fi使螺栓被进一步拉伸，轴向拉力增大;而在翻转轴线O O以下，螺栓被放松，预紧力减小。 在翻转轴线O O以上的螺栓总拉力为

或螺栓的工作力为

在翻转轴线O O以下的螺栓总拉力为

或螺栓的工作力为

式中 ——螺栓相对刚度系数，它的大小与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构有关，其值见表9- 1。

表9- 1 螺栓相对刚度系数值

实验台的10个连接螺栓的尺寸和材料完全相同，根据胡克定律ε=σ/E可知，当螺栓预紧应变量为ε′时，有

或螺栓的预紧力为

设保证螺栓连接的最上端处不出现间隙的螺栓总应变量为

或螺栓总拉力为

式中 E——螺栓的弹性模量，对于钢，E=2.10×105MPa;

d——螺栓直径(贴电阻应变片处直径)(mm)。

k=E，当d=6mm的钢制螺栓时，取k=59.38×105N;当d=6.5mm的钢制螺栓时，取k=69.68×105N;当d=10mm的钢制螺栓时，取k=164.93×105N。

将式(9-9)和式(9-11)代入式(9-6)和式(9-7)中，得到实测的位于O O轴线以上的螺栓工作力为

位于O O轴线以下的螺栓工作力为

因此，在测出ε0、ε′值后，利用式(9-12)和式(9-13)就可计算得出Fi，并可与理论计算值进行比较。 此外，由式(9-12)可得

利用式(9-5)将计算所得的F1或F6(危险螺栓的工作拉力)代入上式可求得螺栓的相对刚度系数值，可与表9- 1给定的值进行分析比较。

9.1.3 实验步骤

(1) 先由式(9-2)计算出每个螺栓所需的预紧力F预，并由式(9-8)计算出螺栓预紧应变量ε′。

(2) 检查实验台各部分以及仪器是否正常，将测量电阻应变片及温度补偿电阻应变片按规定接入电路中，并检查电阻应变仪各部接线是否正确。

(3) 在支架不受外载荷Q的情况下，先平衡测量的电桥，并将应变仪指针调至“零”位。

(4) 逐个均匀地拧紧各螺栓，使每个螺栓都具有相同的预紧应变量ε′。

(5) 对螺栓组连接进行加载(加载大小由指导教师规定)，在应变仪上读出每个螺栓的应变量ε0。为保证准确，一般应进行三次测量并取平均值。

(6) 实验结束后，逐步卸载，并去除预紧。

(7) 整理实验数据，按式(9-14)求得螺栓相对刚度系数的值，并与表9- 1中的值进行分析比较;按式(9-12)和式(9-13)算得实测的螺栓工作拉力Fi，并按式(9-5)算得理论值，两者进行比较;绘制实测的螺栓工作拉力分布图，确定翻转轴线的位置，并进行分析讨论，完成实验报告。

9.1.4 思考题

(1) 由实验测得的螺栓工作受力分布规律，若翻转轴线不在O O轴线上，说明什么问题。

(2) 实验计算所得的相对刚度系数值与表9- 1所列值有何差别？ 原因有哪些？

(3) 为什么螺栓组连接的接触面大多具有对称性，而且连接螺栓的结构和尺寸完全相同？ 这有何优点？