北航機械設計實驗指導03螺栓組聯接實驗

實驗三螺栓組聯接實驗一、實驗目的了解并用實驗方法確定受翻轉力矩的螺栓組聯接各螺栓的受力規律及其相對剛度系數的關系，從而驗證螺栓組聯接受力分析理論。二、實驗內容

大多數情況下，螺栓都是成組使用的。由于聯接的結構形式及載荷情況不同，各個螺栓的受力常不相同。用計算方法確定螺栓的受力時，通常要作一些假設，因此所得結果是近似的，有時可能與實際數值相差較大。

圖1-1是一種常見的受拉螺栓組聯接結構及其受力圖。承受力P的支架用10個螺栓固定（預緊）在機座上。將力P向聯接接觸面上螺栓組的形心（即所有螺栓截面積的形心）簡化，可以看出聯接所受的載荷有兩種：即沿軸作用在接觸面的橫向力和繞y軸使支架翻轉的力矩。在設計這種聯接時，應滿足接觸面不分開、不壓潰、不滑動和螺栓不拉斷的要求。

當聯接被預緊時，預緊力將引起被聯接件的壓縮變形，因此接觸面的擠壓應力分布如圖1-1（b）所示，擠壓應力為

（1-1）在翻轉力矩M作用下，接觸面的擠壓應力分布如圖1-1（c），兩端擠壓應力為

（1-2）

保證接觸面右端受壓最小處不分開的條件為

（1-3）

式中——每個螺栓的預緊力，N；

Z——螺栓數目，Z=10；

A——支架與機座的接觸面積，；

W——支架接觸面的抗彎截面模量，。

將和、等式代入式（1-3）并簡化得

（1-4）

式中——可靠性系數，通常取。預緊力也應滿足支架不滑動的要求。

螺栓的工作拉力可根據支架靜力平衡和變形協調條件求得。假設在M作用下接觸面仍保持為平面，并且支架底板有繞軸線O—O翻轉的趨勢。此時，O—O右側的螺栓在M的作用下進一步受拉，螺栓拉力增大；O—O左側的螺栓則被放松，螺栓上的拉力減小。螺栓受力分布如圖1-1（a）所示。

由支架靜力平衡條件得

(1-5）

式中，——各螺栓所受的工作拉力。

——各螺栓中心至軸線O—O的距離。圖1-1根據螺栓變形的協調條件，各螺栓的拉伸變形量與該螺栓距軸線O—O的距離成正比，即

（1-6）

由式（1-5）和式（1-6）可得任一螺栓的工作拉力

（1-7）

根據受軸向載荷緊螺栓聯接的受力理論，螺栓總拉力不僅與預緊力、工作拉力有關，而且與螺栓的剛度和被聯接件的剛度有關。

軸線O—O右側螺栓總拉力為

（1-8）

由此得螺栓的工作拉力為

（1-9）

軸線O—O左側螺栓總拉力為

（1-10）

由此得螺栓的工作拉力為

（1-11）

式中——螺栓相對剛度系數，它的大小與螺栓及被聯接件的材料、尺寸和結構有關，其數值如表1-1所示。三、實驗要求1、測定受翻轉力矩的螺栓組聯接中螺栓上的作用力，畫出各個螺栓的受力分布圖和確定翻轉軸線位置，并與理論計算結果進行比較。2、了解電阻應變儀工作原理和使用方法。四、實驗設備及原理

常用的螺栓組聯接實驗臺如LST-I型，它的工作原理和結構如圖1-2，其主要技術性能數據列于表1-2。表1-2

實驗臺主要技術性能數據

螺栓中段直徑d(mm)6

支架接觸面尺寸A160螺栓預緊時應變值500B105最大加載砝碼力為G（N）22C55杠桿比I10060支架翻轉力臂矩L（mm）20030試驗臺主要由螺栓組聯接、加載裝置和測試儀器組成。螺栓組聯接是由十個均布排列為兩行的螺栓將支架11和機座12聯接而構成，加載裝置由兩級杠桿13或14組成，砝碼力G經過杠桿增大而作用在支架懸臂端上，使聯接接觸面受到橫向力和翻轉力矩的作用，翻轉力矩為

（1-12）

式中P——作用在支架懸臂端的力，

i——杠桿比（見表1-2）；

L——支架翻轉力臂距（見表1-2），mm;

G——砝碼為，N；

——杠桿系統自重作用于支架懸臂端的力，N。對LST—I型，=0；螺栓的受力是通過貼在螺栓中段上的電阻應變片15的變形并借助電阻應變儀而測得。可使用YJD——I型或其它型號的電阻應變儀。試驗臺的十個聯接螺栓的尺寸和材料完全相同，根據胡克定律，可知當螺栓預緊應變量為時，有

（1-13）

或螺栓預緊力為

（1-14）

對螺栓施加的實際預緊力應滿足式（1-4）要求。設保證聯接接觸面不分開的螺栓總應變量為，則

（1-15）

或螺栓總拉力為

（1-16）

式中

E——螺栓材料的彈性模量，對鋼；

d——螺栓直徑（貼電阻應變片處），mm；

k——系數，

對直徑的鋼制螺栓，；

將式（1-14）、式（1-16）代入式（1-9）、式（1-11）中得

O—O右側螺栓工作拉力為

（1-17）

O—O左側螺栓工作拉力為

（1-18）

若對O—O線左側螺栓工作拉力代以負值，則由式（1-17）、式（1-18）可得

（1-19）

利用式（1-7）將計算所得的或（危險螺栓的工作拉力）代入上式可求得相對剛度系數值，并與表1-1給定的值進行分析比較。五、實驗步驟

1、先由式（1-4）、式（1-13）、式（1-14）計算出為保證接觸面不分開條件下螺栓所需最小的預緊力及預緊應變量，實際施加的預緊應變量可大于上述預應變量。

2、檢查實驗臺各部分以及儀器是否正常，將測量電阻應變片及溫度補償電阻應變片按規定接入電路中，并檢查電阻應變儀各部接線是否正確。

3、接通電源并預熱后，調整電阻應儀，將選擇開關轉到“靜”，此時檢流計指針向一邊偏轉，用小型螺絲刀調整應變儀右方之電阻平衡，使指針指向零位，然后將選擇開關轉到“預”，再用螺絲刀調節預調平衡箱上的電容平衡，使指針回零位。這樣對每一個測點都需在“預”“靜”之間反復調整幾次后，電橋即可達平衡狀態。

4、逐個均勻地擰緊各螺栓，使每個螺栓都具有相同的預緊應變量。實驗時建議取值為：對LST—I型（即0.5%）。

5、對螺栓組聯接進行加載（加載大小由指導教師規定），在應變儀上讀出每個螺栓的應變量。為保證準確，一般應進行三次測量并取其平均值

6、按式（1-19）求得螺栓組聯接相對剛度系數值，并與表中值進行分析比較。7、根據不同的—值繪制螺栓實際工作拉力的分布圖（—為縱坐標，螺栓位置為橫坐標），確定翻轉軸線位置，并進行分析討論。8、將實驗結果和必要的計算記錄于實驗報告表中。六、實驗報告1

實驗目的2

螺栓組實驗臺簡圖及主要參數試驗臺型號：

試驗臺編號：

砝碼力G=

N

螺栓直徑d=

mm

聯接橫向力P=

N

螺栓材料

聯接翻轉力矩M=

N·mm

接觸面尺寸a=

mm

b=

mm

c=

mm3

實驗結果

（1）計算法確定螺栓上的力

12345678910螺栓預緊力

螺栓預緊應變量