实验三 螺栓联接实验
一、实验目的
1、掌握测试受轴向工作载荷的紧螺栓联接的受力和变形曲线（即变形协调图）。 2、掌握求联接件（螺栓）刚度C1、被联接件刚度C2、相对刚度C1/(C1+C2)。 3、了解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、实验内容
利用螺栓联接变形协调实验台，对螺栓及被联接件加载并测量其应变。
三、实验设备和仪器
1、LBX-84型螺栓联接变形协调实验机
图1是 LBX-84型螺栓联接实验机结构组成示意图；在图1中手轮9相当于螺母，与联接件螺栓相连；套筒5相当于被联接件，拧紧手轮9就可将联接副预紧，并且联接件受拉力作用，被联接件受压力作用。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量。测力环4是用来间接的指示轴向工作载荷的。拧紧加载手轮（螺母）1使拉杆2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1 LBX-84型实验机结构图
1 –加载手轮 2 –拉杆 3 –测力计百分表 4 –测力环 5 –套筒
6 –电阻应变片 7 –螺栓 8 –背紧手轮 9 –预紧手轮
2、XL 2101B2静态电阻应变仪
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用于直接测量螺栓和被联接件套筒的变形。该仪器见图2。
图2 2101B2静态电阻应变仪 3、LBX-84型螺栓联接变形协调实验机参数 零 件 项 目 材料 弹性模量E，N／mm2 套 筒 外径 D2， mm 内径 D1， mm 变形计算长度 mm 螺 栓 直径 d ， mm 变形计算长度 mm 16﹟实验机 45号钢 2.063105N/mm2 30.0 27.6 122.0 10.1 130 142.8 17﹟实验机 同左 30.7 27.8 122.0 10.9 130 146.3 测力环灵敏度K，N／小格 表1 原始参数
四、实验原理
1、力与变形协调关系
在螺栓联接中，当联接副受轴向载荷后，螺栓受拉力，产生拉伸变形；被联接件受压力，产生压缩变形，根据螺栓（联接件）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。当联接副受工作载荷后，螺栓因受轴向工作载荷F作用，其拉力由预紧力F0增加到总拉力F2，被联接件的预紧力F0减少到剩余预紧力F1，这时，螺栓伸长变形的增量??1等于被联接件压缩变形的恢复??2，即
??1???2??，也就是说变形的关系是协调的。因此，又称为变形协调图。
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图3 力－变形协调图
2、本次实验要验证的受力、变形规律有三项
（1）在轴向工作载荷F作用下，螺栓总拉力F2等于F与被联接件剩余预紧力F1之和。
另一方面，螺栓总拉力F2又可由其微应变??1算出，记以*F2。理论上F2=*F2，但由于各种实验误差因素影响，它们不一定完全相等，螺栓总拉力误差为： ?F2%?*F2?F2?100% *F2（2）螺栓与被联接件的变形是协调一致的。即紧螺栓承受轴向工作载荷之后，螺栓伸
长变形的增量??1等于被联接件压缩变形的恢复量??2。即??1???2??。当螺栓与被联接件两者的计算变形长度近似相等时，上式又可表示为微应变增量的形式： ???1＝???2
式中：???1＝???1（S）－???1(0)；???2＝???2（0）－???2(S)
S＝10、20、30、40 即每次加载时测力环百分表指示的格数。
同样由于各种实验误差因素影响，两个微应变增量不一定完全相等，即协调变形
???1????2?100% 误差为：???%????1（3）测定螺栓的相对刚度系数（Ce）。
力与变形之比F/λ称为刚度。知道了力和变形的大小便可计算出联接副的刚度的大小。C1?F0/?1为螺栓刚度；C2?F0/?2为被联接件刚度。C1/(C1+C2)称为螺栓的相对刚度。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，
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通常采用降低C1或增加C2的方法以降低载荷的变化值ΔF。 3、主要公式.
螺栓联接的受力和变形，采用在试件上贴电阻应变片，并配接电阻应变仪加以测量，通常应变仪测量的数值为微应变，其可以表示为式：
?????10?6 (4－1)
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：
??E???E????10?6 (4－2)
故螺栓拉力为： F2??1?A1?E???1?10?6??d2/4 (4－3) 被联接件（套筒）压力为：
F1??2?A2?E???2?10?6??(D22?D12)/4 (4－4)
螺栓伸长变形为： ?1???1?10?6?L1
(4－5)
套筒压缩变形为： ?2???2?10?6?L2 (4－6) 轴向工作载荷可由测力环中百分表读数测出： F?K?S (4－7) 式中：K —测力环刚度，单位为：公斤/格；S —百分表读数（指针格数） 4、测试系统说明
（1）测试系统原理示意图如图4所示，图中R1、R1'为贴在螺栓或套筒上的电阻应变片，
R1、R1'、R2、R2'R2、R2'为温度补偿片，即受力应变片；贴在与螺栓材料相同的零件上；
共同组成外测量半桥，Z3、Z4为应变仪的内半桥电阻，与R1、R2组成一个全桥。
图4 测试系统连接原理图
（2）测量前应对电桥调平衡，即在电阻应变片未受力的情况下，其阻值未发生改变，
电桥的输出信号值为零。当螺栓和被联接件受力时，则贴在其上的电阻应变片R1、R1'的
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电阻值将发生变化，即电桥的信号输出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，经A/D换成与模拟量对应的数字量，显示器显示出螺栓或套筒的微应变量值，经计算后可得到联接副的联接件与被联接件的力和变形的数值。
五、实验步骤
1、在指导老师的指导下，将被测应变片引线A1 BC(螺栓)、A2 BC（套筒）分别与XL 2101B2静态电阻应变仪连接好。
2、将LBX-84实验机的螺栓联接处于卸载状态，测力环应处于不受力状态，且把百分表指针调为零。
3、打开应变仪电源，后面板开关打到半桥处。
4、电桥调平衡：使加载、预紧手轮及背紧手轮处于松弛状态，按下应变仪手动铵钮进行测点切换，按单点平衡按钮分别对各测点进行调平衡，使应变仪的输出值为零。 5、加预紧力：按箭头方向拧紧手轮9，使应变仪1测点指示在500～800??之间，背紧手轮8，松开手轮9，则完成预紧，并读取此时各测点的应变值。
6、施加轴向载荷：按箭头方向旋转手轮1，通过测力环对螺栓联接副施加轴向工作载荷，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每次加载螺栓、套筒的微应变量数值并记录。
7、测试完毕后，卸去轴向工作载荷，卸除预紧力。
六、实验注意事项
1、给各油杯及螺母端面加润滑油。
2、螺栓最大应变值??≤800，应避免螺栓过载，最小应变值??1≥400，应避免施加轴向工作载荷后联接开缝，建议预紧力选在螺栓应变值500??左右。
七、思考与讨论
见实验报告。
八、实验预习思考题
见实验预习报告。
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