实验一 螺栓联接实验

实验一 螺栓联接实验
一、实验目的
1. 测试轴向工作载荷的紧螺栓联接的受力和变形的关系曲线（变形协调图）；
2. 求螺栓刚度1C 、被联接件刚度2C 、相对刚度211
C C C ；
3. 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。

二、实验设备和仪器
1. 实验机结构和工作原理
图1 LB-实验机结构简图
图1为型螺栓联接实验机结构图。

手轮1相当于螺母，与螺栓杆2相连。

套筒3相当于被联结件，拧紧手轮1就可将其预紧。

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。

测力环4是用来测量轴向工作载荷的。

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。

图2为LB-型实验机结构图 本实验的实验参数如下：
1）螺栓材料为45号钢、弹性模量2
511006.2mm N E ⨯=，螺栓杆直径
mm D 10=，变形计算长度mm L 1301=。

2）套筒材料为45号钢，弹性模量2
511006.2mm N E ⨯=，外直径mm
D 31=和mm 32各一件，内直径mm D 5.271=，变形计算长度mm L 1302=。

3）测力环刚度=K /N 百分表1格。

4）电阻应变片灵敏度系数 。

2. 仪器
1）16-YJ 型数字电阻应变仪 2）18-YJ 型数字电阻应变仪 3）1810-PR 型预调平衡箱
1. 背紧手轮
2. 螺栓
3. 套筒
4. 测力环
5. 拉杆
6. 加载手轮
7. 电阻应变片
8. 百分表
9. 预紧手轮
图2 型实验机结构简图
三、实验原理
1. 力与变形协调关系
在螺栓联接中，螺栓受拉力，产生拉伸变形；被联结件受压力，产生压缩变形。

根据螺栓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3所示。

当螺栓受轴向工作载荷F 作用时，其拉力由预紧力P Q 增加到
总拉力Q 。

被联接件的压紧力P Q 减少到剩余预紧力P Q '。

这时，螺栓伸长变形
的增量1λ∆，等于被联接件压缩变形的恢复2λ∆，即λλλ∆=∆=∆21，也就是说变形的关系是协调的。

因此图3又称变形协调图。

图3 螺栓联接变形协调图
力与变形之比λQ
称为刚度。

11
1λQ C =
为螺栓刚度；
22
2λQ C =
为被联接件刚度。

211
C C C +称为螺栓的性对刚度。

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1
C 或增加2C 的方法以降低载荷的变化值F ∆。

2. 主要公式
螺栓联接的受力和变形，可用贴在试件上的电阻应变片，配以电阻应变仪加
以测量。

通常应变仪测量的是微应变6
10-⨯=εμε，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：6
10-⨯==μεεσE E
故螺栓拉力为：
410
2
6
1111d E A F πμεσ⨯
⨯==-
被联接件（套筒）压力为：
()
2
12
622224
10D D E A F -⨯
⨯==-π
μεσ
螺栓伸长变形为：
16111110L L ⨯⨯==-μεελ
套筒压缩变形为：
26222210L L ⨯⨯==-μεελ
轴向工作载荷由测力环中百分表读数测出：
KS F =
式中：K ——测力环刚度，/N 百分表1格； S ——百分表读数，小格数。

3. 测试系统说明
图4
1）测试系统原理如图4所示，图中1R '
1R 为贴在螺栓或套筒上的电阻应变片，即受力应变片；2R '2R 为温度补偿片，贴在与螺栓材料相同的零件上；1R '
1R 、2R '2R 共同组成外测量半桥。

21Z Z 为应变仪的内半桥电阻，与1R '
1R 、2R '2R 组成一个
全桥。

2）测量前应对电桥调平衡。

当螺栓和被联接件受力时，则贴在其上的电阻
应变片'11R R 的电阻值将发生变化，即D 处的电位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，送D A 转换成与模拟量对应的数字量，显示器显示螺栓或套筒的微应变量。

四、实验步骤
1. 用84-LBX 型实验机进行实验 （1）接线如图5所示
图5
图中：1、2——螺栓受力应变片；
3、4——为螺栓、套筒公共温度补偿片； 5、6——套筒受力应变片。

（2）实验步骤
①按上图所示将线连好；
②将84-LBX 实验机的螺栓联接处于卸载状态，测力环应处于无载状态，且把百分表调零。

③打开16-YJ 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，使其显示为0000。

⑤按下“标定”开关，调节“灵敏度”电位器，使其显示为5000-，并反复调平衡（零点）和定标()με5000-。

⑥加预紧力
参照84-LBX 实验机结构原理说明，及如图2所示，松开手轮6，松开1，拧紧手轮9，使应变仪指示为με500~400，背紧1，松开手轮9，则预紧结束。

⑦施加轴向载荷
顺时针旋转手轮6，通过测力环对螺栓施加轴向工作载荷，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、套筒的微应变值。

⑧测试完毕后，卸去轴向工作载荷，卸去预紧力。

2. 用87-LB 实验机进行实验 （1）接线方法
①将18-YJ 应变仪与1810-PR 预调相联接好。

②将被测应变片引线A 1BC （螺栓）、A 2BC （套筒）分别与预调箱的1路、2路的A 、B 、C 连接好。

（2）实验步骤
①使87-LB 实验机两个手轮松开，即螺栓处于无载状态。

②按下18-YJ 应变仪电源开关，分别按下“10⨯”、“1⨯”开关，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，使显示为0，则仪器调零结束。

③加预紧力：转手轮1将切换开关到1路，按螺栓的应变值为με500左右进行预紧。

切换开关打到2路，在记录下套筒的应变值。

④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。

⑥卸预紧力，松开手轮1。

⑦实验结束。

五、实验注意事项
1. 给各油杯及螺母端面加油润滑。

2. 螺栓最大应变值800≤με，应避免螺栓过载，最小应变值380≥με，应避免施加轴向工作载荷后连接开缝，建议预紧力选在螺栓应变值με550~400。