CN113970435B - 一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台及其实验方法，用于轴向受力预紧螺栓的受力、变形检测与强度分析。实验台包括螺栓连接结构和加载装置。连接结构由下向上依次设置传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B，实验螺栓从底座下方穿过并预紧。连接定位采用直线轴承结构，减小摩擦力和附加弯矩对螺栓受力的影响，提高纯轴向载荷的加载精度。加载装置包括弹性结构的杠杆、传动单元和传感器C，通过螺旋传动实现静载手动加载；由电机带动偏心凸轮旋转实现连续动态加载，通过凸轮偏心量控制弹性件的变形量保证变载荷加载精度。实验台连接件可灵活互换，适用于机械零件强度领域的工程认知实验，以及工程领域螺栓疲劳强度测试试验。
Description
技术领域
本发明属于教学用实验台技术领域，具体涉及一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台及其实验方法。
背景技术
螺栓作为广泛应用的紧固件，要求其具备较高的连接强度和可靠性。螺栓连接强度分析，即研究影响螺栓强度的影响因素和提高螺栓强度的措施，对提高螺栓连接的可靠性具有重要意义。其中，承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接是最为常见的，也是最重要的一种受力形式。在高校工科类“机械设计”系列课程的实践教学中，考虑变形的受力分析原理和疲劳强度计算方法具有普遍性，是机械零件强度设计理论的典型分析实例。螺栓连接强度计算中以轴向受力螺栓的变形、受力分析理论为基础；工程应用中有密闭性要求的重要螺栓连接，分析螺栓在变载荷下的疲劳强度，是重要的机械零件强度问题。
为了对受轴向工作载荷的预紧螺栓的受力、变形进行检测，并研究螺栓的受力和强度问题，在教学中采用螺栓实验台进行实践。现有的螺栓实验台采用电阻应变片测量应力与应变，需另外配置A/D转换及信号放大的测试***，结构复杂、应变片安装技术难度大，不利于被测试件的更换，且实验前设备调试复杂、检测参数不全面，数据误差大，实验结果不够准确，不能达到明确的理论验证的实验要求。
发明内容
本发明提供一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台及其实验方法，用于轴向受力的紧螺栓连接的受力、变形检测与强度分析，能够获得全面的实验参数，保证加载和实验检测精度，便于安装调试。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台，包括设于底座上的实验螺栓连接结构和加载装置，
所述实验螺栓连接结构包括由下向上依次设置的传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B，所述下钢板、被连接件、上钢板的型心处以及传感器A和传感器B的中心轴线处均开有上下贯通的中心孔，所述底座上开设有用于使实验螺栓从底部装入的竖向光孔，所述中心孔与光孔对中；
所述加载装置包括加载杠杆、传动单元和用于检测工作载荷的传感器C，所述传动单元设置在位于实验螺栓连接结构一侧的加载支架上，传动单元通过加载杠杆向实验螺栓施加静载荷或动态载荷；所述加载杠杆的杠杆臂左端上表面通过触头A与上钢板下部相抵，所述传感器C设置于杠杆臂右端与传动单元之间；
所述实验螺栓的上端端面的轴线处安装有千分表B，所述上钢板的上端面安装有千分表A。也可在上钢板水平端面处安装其他高精度位移检测仪。
进一步地，所述下钢板和上钢板的四角分别开设有上下对应的通孔，所述通孔以中心孔为中心对称布置，通孔内安装直线轴承，下钢板和上钢板之间通过设于直线轴承内的导柱相配合，所述导柱下端与底座固定。
进一步地，所述上钢板整体呈方形，上钢板前后两侧各设一凸台，所述触头A通过螺纹连接于凸台上，两触头A对称布置于上钢板型心轴线上。
进一步地，所述加载杠杆包括杠杆支架、设于杠杆支架上的销轴、设于销轴两端呈对称结构的两个左侧杠杆臂，所述左侧杠杆臂右端连接一支撑横梁，支撑横梁上朝向加载支架的方向连接一个右侧杠杆臂；所述左侧杠杆臂为竖立的刚性梁，右侧杠杆臂为弹性梁；所述弹性梁与传感器C下端连接，左侧杠杆臂两端上表面分别与两个触头A的下端接触，接触点为杠杆臂左侧施力点。
进一步地，所述加载杠杆包括杠杆支架、设于杠杆支架上的销轴、设于销轴两端呈对称结构的两个杠杆臂，杠杆臂整体采用刚性梁，杠杆臂的右端固连L型压板，压板的横板上连接一竖向圆形套筒，套筒内安装一竖向的弹簧，套筒上端内壁与导向头形成移动配合，导向头与传感器C下部固定。
进一步地，所述传动单元包括加载螺杆和固定于加载螺杆顶部的手柄；所述加载支架包括竖向支腿和固定于支腿上端的固定板，所述固定板上设有螺纹孔，加载螺杆从螺纹孔中竖直穿过，加载螺杆的下端压在其下方的传感器C顶部的压头上，所述压头为杠杆臂右侧施力点。
进一步地，所述传动单元包括位于加载支架上方的电机、同步带传动机构以及偏心凸轮，所述凸轮位于电机与传感器C之间，电机通过同步带传动机构带动凸轮旋转，使凸轮外轮廓与其下方的传感器C顶部的压头相接触，实现连续动态加载。
进一步地，所述加载支架包括两个相对应的竖向支腿，支腿上对应开设有轴承座孔，轴承座孔内各安装有滚动轴承，两个滚动轴承分别与凸轮轴的两端连接，使凸轮轴能够相对加载支架旋转；所述凸轮通过凸轮轴上的轴肩以及紧定螺钉实现在凸轮轴上的轴向定位。
进一步地，所述传感器A、传感器B、传感器C均通过控制单元与显示器连接，显示器放置于实验螺栓连接结构一侧的置物台上。
一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台的实验方法，静态载荷加载时，实验操作包括以下步骤：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓从底座下方安装于中心孔内，实验螺栓不预紧，螺母为松连接，调整触头A的位置使左侧杠杆臂和右侧杠杆臂保持水平，将传感器A、传感器B、传感器C均置零，将千分表A、千分表B的触头分别置于上钢板的上表面和实验螺栓末端端面上，完成实验准备；
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A、传感器B分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓受到的拉力Fb，使Fa＝Fb＝F0；
步骤3、通过旋动加载螺杆上的手柄进行工作载荷的静态加载，通过记录传感器A、传感器B、传感器C、千分表A、千分表B的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析。
一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台的实验方法，动态载荷加载时，实验操作包括以下步骤：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓从底座下方安装于中心孔内，实验螺栓不预紧，螺母为松连接，调整触头A的位置使杠杆臂保持水平，凸轮的最小向径位置与传感器C的压头接触，将传感器A、传感器B、传感器C均置零，将千分表A、千分表B的触头分别置于上钢板的上表面和实验螺栓末端端面上，完成实验准备；
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A、传感器B分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓受到的拉力Fb，使Fa＝Fb＝F0；
步骤3、启动电机，电机带动凸轮转动，对杠杆臂右端施力点进行动态载荷加载；通过记录传感器A、传感器B、传感器C、千分表A、千分表B的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析。
采用以上技术方案，本申请可达到以下有益效果：1、该实验台能够进行准确定量分析的工程认知实验。实验台的实验螺栓连接结构具有明确的结合面平台，便于高精度位移测量仪的安装和测量；采用传感器和千分表进行实验螺栓的受力检测与变形位移检测，能获得全面的受力、变形位移量等受力参数，各值之间能够互相验证，便于实验分析，实验结果能获得明确的实验曲线和检测数据。
2、实验台能保证纯轴向力加载的准确度和实验检测精度。实验螺栓连接结构采用直线轴承的定位方式，减小变形、位移过程中由于摩擦力产生的轴向力误差，消除附加弯矩对螺栓连接受力的影响；并且保证实验螺栓连接结构的稳定性和检测平台的水平度，最终保证纯轴向载荷的加载，提高实验检测的精准度。
3、该实验台能实现轴向载荷的准确加载。加载装置具有手动静载荷加载和变载荷动态加载两种模式，通过杠杆原理，分别采用弹性梁或直线弹簧组件的弹性结构，通过控制弹性件的变形位移实现工作载荷的准确加载。其中，变载荷动态加载主要由杠杆、偏心凸轮和弹性结构组成，利用偏心凸轮的偏心距实现加载端的位移变化，通过控制弹性件的变形或挠度实现一定幅值的动态载荷加载。该加载装置结构简单、构件少，能保证加载精度。
4、该实验台结构简洁，便于安装调试。实验螺栓连接结构和加载装置采用分布式结构，布局合理，便于观测；同时，实验台具有灵活互换性，被连接件和实验螺栓可由实验者自行选材和更换，根据实验目的进行设计，获得预期实验效果。
5、本实验台不仅可用于“螺栓连接强度”工程认知实验；也适用于工程应用中，螺栓连接在变载荷下的螺栓变形及疲劳强度测试试验。本实验台为实验者掌握“受轴向载荷紧螺栓连接的螺栓拉力和残余预紧力的计算、测定连接件刚度、绘制变载荷下螺栓形变的拉力曲线、研究螺栓连接强度问题”提供了实验条件和支撑，有利于在高校的实践教学和工程实践中进行推广应用。
附图说明
图1为实施例1中静载荷加载模式实验台的立体图；
图2为图1另一视角的结构示意图；
图3为图2中省略置物台和显示器的主视图；
图4为图3中的A-A剖视图；
图5为图4中弹性梁和支撑横梁的连接示意图；
图6为实验螺栓连接结构的主视图；
图7实验螺栓连接结构的俯视图；
图8为图7中的A-A剖视图；
图9为实施例2中动态载荷加载模式实验台的立体图；
图10为实施例2中动态载荷加载模式实验台的结构示意图；
图11为图10中的A-A剖视图；
图12为图10中压板的结构示意图；
图13为图10中传动单元和直线弹簧组件的部分剖视图；
图14为图13另一视角的结构示意图；
图15为图14中凸轮、凸轮轴与加载支架的连接结构示意图；
图16为凸轮的结构示意图；
图17为实施例3中动态载荷加载模式实验台的立体图；
图18为静载荷加载模式的原理图；
图19为动态载荷加载模式的原理图；
图20为加载杠杆的加载原理图；
图21为悬臂梁模型图；
图22为螺栓刚度测定图；
图23为被连接件刚度测定图；
图24为轴向拉力工作载荷F下预紧螺栓的受力分析图；
图25为不同螺栓刚度下的受力与变形协调关系图；
图26为不同被连接件刚度下的受力与变形协调关系图；
图27为减小螺栓刚度对螺栓应力幅影响的分析图；
图28为增大螺栓刚度对螺栓应力幅影响的分析图；
图29为变载荷下螺栓的应力幅分析图；
图30为预紧力是122N时螺栓连接的实验分析图；
图31为预紧力是77N时螺栓连接的实验分析图；
图32为预紧力是77N时采用塑性被连接件的实验分析图；
图33为预紧力是65N时采用刚度较大的螺栓和刚度较小的被连接件的实验分析图；
图34图为传感器A、传感器B、传感器C测量值的互相验证关系图。
附图标记：1、底座，2、实验螺栓连接结构，3、加载装置，4、置物台，5、实验螺栓；
21、传感器A，22、下钢板，23、被连接件，24、上钢板，241、触头A，25、传感器B，26、导柱，27、直线轴承，28、定位销；
31、加载杠杆，32、传动单元，33、传感器C；
310、杠杆臂，311、杠杆支架，312、左侧杠杆臂，313、右侧杠杆臂，314、支撑横梁，315、压板，3151、横板，316、销轴，317、套筒，318、弹簧，319、导向头；
321、加载螺杆，322、手柄，323、固定板，324、支腿，325、电机，326、凸轮，3261、键槽，3262、螺纹孔，327、凸轮轴，328、传动带，329、滚动轴承；
331、压头；
51、螺母，52、垫片；
61、千分表A，62、千分表B。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图17所示,本申请提供一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台及其实验方法，用于轴向受力预紧螺栓的受力、变形检测与强度分析。本实验台通过加载螺杆的螺旋传动实现静载荷加载；通过电机带动偏心凸轮旋转实现连续动态载荷加载。
实施例1
本实施例涉及一种静载荷加载模式的实验台。如图1至图8所示，所述实验台包括设于底座1上的实验螺栓连接结构2和加载装置3，其中所使用的检测元件包括力传感器和变形位移检测仪，位移检测仪采用千分表。底座1上还可设置置物台4，用于放置显示器，显示器通过控制单元与力传感器连接。千分表的具体连接位置如图6所示。
如图3所示，实验螺栓连接结构2包括由下向上依次设置的传感器A 21、下钢板22、被连接件23、上钢板24、传感器B 25，所述下钢板22、被连接件23、上钢板24的型心处以及传感器A 21和传感器B 25的中心轴线处均开有上下贯通的中心孔，实验螺栓5从底座1底部的光孔装入，穿过中心孔后，末端通过垫片52和螺母51紧固。
在实验中，可以采用不同刚度的螺栓进行实验，或者采用不同材料的连接件改变连接件的刚度。
如图6至图8所示，所述通孔以中心孔为中心对称布置，通孔内安装直线轴承27，下钢板22和上钢板24之间通过直线轴承27内的导柱26相配合，导柱26下端与底座1固定。上钢板24、下钢板22通过直线轴承27与导柱26配合，使上下钢板22的型心重合，并与底座1光孔的轴线对中，避免产生附加弯矩。
具体地，所述底座1上对称制有四个安装孔，安装孔与导柱26配合，安装孔下端制沉孔，通过螺钉与导柱26固连。
本申请中，采用直线轴承27和导柱26结构，通过四个直线轴承27和导柱26配合实现上钢板24、下钢板22和被连接件23的定位，使实验螺栓受力变形时接合平面始终保持水平，保证实验螺栓连接结构2的稳定性；减小加载变形过程中产生的轴向摩擦力；导柱26将承受由安装误差引起的附加弯矩，从而消除附加弯矩对实验螺栓受力的影响，保证纯轴向力加载，实现实验台的检测精度。
所述传感器B 25与上钢板24的具体连接方式为：上钢板24上制有销孔，传感器B25上有定位孔，上钢板24和传感器B 25通过定位孔与销轴28定位，使传感器B 25中心轴线与上钢板24型心对中，传感器B 25上端面为接触受力面。相应地，底座1上制有销孔，传感器A 21与底座1同样通过定位孔与销轴28定位，使传感器A 21中心轴线与底座1光孔轴线对中。
通过以上定位方式，使上钢板24、连接件、下钢板22的型心、传感器中心轴线与机架光孔的轴线对中，再通过螺栓实现连接和预紧，该连接方式避免实验螺栓在轴向加载时承受附加弯矩，使轴向载荷加载和受力检测更为准确。
进一步地，所述上钢板24的几何形状如图7所示，两侧凸台与型心轴线对称布置，凸台上通过螺纹连接有两个触头A 241，两触头A 241对称布置于上钢板24型心轴线上，触头与左侧杠杆臂的接触点是工作载荷的施力点，轴向力加载时使受力方向与螺栓轴线方向一致，进一步保证轴向力的准确加载。
所述加载装置3包括加载杠杆31、传动单元32和用于检测工作载荷的传感器C 33。所述传动单元32设置在位于实验螺栓连接结构2一侧的加载支架上，传动单元32通过加载杠杆31向实验螺栓施加静载荷。
如图3、4所示，所述加载杠杆包括杠杆支架311、设于杠杆支架311上的销轴316、设于销轴316端呈对称结构的两个左侧杠杆臂312，所述左侧杠杆臂312右端连接一支撑横梁314，支撑横梁上朝向加载支架的方向连接一个右侧杠杆臂313，通过焊接固定，支撑横梁314和右侧杠杆臂313的具体连接关系如图5所示。所述左侧杠杆臂312为竖立截面的刚性梁，右侧杠杆臂313为弹性梁。所述弹性梁与传感器C下端连接，左侧杠杆臂312两端上表面分别与两个触头A的下端接触，接触点为加载杠杆左侧施力点。
具体实施时，所述销轴316两端通过铰链连接左侧杠杆臂312，左侧杠杆臂312的右端稍微越过杠杆支架311的右侧，两个端部之间连接支撑横梁314，支撑横梁314具有足够的厚度，对弹性梁起到足够的支撑作用。具体地，弹性梁采用弹性材料制成，其横截面为扁平的矩形。通过杠杆作用原理，弹性梁受力产生挠度变形实现工作载荷的准确加载。
所述传动单元32包括安装于加载支架上部的加载螺杆321和固定于加载螺杆321顶部的手柄322。所述加载支架包括支腿324和固定于支腿324上端的横向固定板323，所述固定板323上设有螺纹孔，加载螺杆321从螺纹孔中竖直穿过，加载螺杆321的下端压在其下方的传感器C 33的压头331上。具体地，传感器C 33的压头331通过连接螺栓与传感器上端连接。弹性梁的右端从加载支架的通孔穿出后，通过螺钉与传感器C 33下端连接。静载荷加载模式原理如图18所示。
本实施例中采用等臂长杠杆，加载杠杆左右两端施力点距离销轴316中心相等。触头A为加载杠杆左端施力点，传感器C 33的压头331位置即为加载杠杆31右端施力点，施加工作载荷的值通过传感器C 33测得，旋动加载螺杆321上的手柄322，通过螺旋传动以较小的驱动力矩获得大的轴向工作载荷，实现手动轻便加载。
本实施例的检测单元包括三个传感器和两个千分表，用于检测实验螺栓的受力和变形位移。传感器A 21、传感器B 25采用轮辐式结构，位于下方的力传感器A 21检测被连接件23与接合面间的受力；上方的力传感器B 25用于检测实验螺栓受的总拉力。传感器C 33为方形结构，检测施加的轴向工作载荷F的大小。如图6所示，在实验螺栓的末端端面的轴线处安装千分表B 62，检测实验螺栓的变形位移量，在上钢板24的上表面安装有千分表A 61，检测被连接件23的变形位移量。
静载荷加载的实验操作步骤如下：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓5从底座1下方安装于实验台，实验螺栓5不预紧，螺母为松连接，调整上钢板24两端触头A 241的位置，使左侧杠杆臂312和右侧杠杆臂313保持水平状态，将传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33均置零，将千分表A 61、千分表B 62的触头分别置于上钢板24的上表面和实验螺栓5末端端面上，完成实验准备。实验开始时，实验螺栓5受轴向拉力为零，传感器A 21除了受接合面压力外还承受上部零件的重力，将传感器A 21置零，消除上部零件重力对实验检测的影响。
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A 21、传感器B 25分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓5受到的拉力Fb，使Fa＝Fb＝F0。
步骤3、旋动加载螺杆321上的手柄322，通过螺旋传动进行工作载荷的静态加载，使加载螺杆321相对加载支架产生轴向位移，再通过传感器C 33的压头331将力作用在弹性梁上，通过加载杠杆31，左侧杠杆臂312将力施加在被连接件23上钢板24的两触头A 241上，然后驱动上钢板24产生位移，实现轴向工作载荷的加载。
通过记录传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33、千分表A61、千分表B62的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析。对实验螺栓5施加轴向力时，传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33分别检测接合面压力值、实验螺栓5所受总拉力值以及工作载荷值，根据受力理论分析，验证其值满足Fa+Fc＝Fb。
实施例2
本实施例涉及一种动态载荷加载模式的实验台。如图9至图16所示，本实施例中加载装置的加载杠杆和传动单元与实施例1不同，其他结构均与实施例1相同。
本实施例中，实验台的加载杠杆包括杠杆支架311、设于杠杆支架311上的销轴316、设于销轴316两端呈对称结构的两个杠杆臂310，杠杆臂310整体采用刚性梁，杠杆臂310的右端固连一个L型压板315。具体地，所述压板315的竖板上端为一横梁，所述横梁与L型压板315一体成型，横梁两端分别与两个杠杆臂310的右端固定。如图10至图12所示。
如图13所示，所述压板315的横板3151上连接有直线弹簧组件。直线弹簧组件包括竖向设置的圆形套筒317，压板315的横板3151与套筒317的下端通过紧固螺栓连接，套筒317内部竖向安装有一定刚度的直线弹簧318，套筒317顶部与竖向导向头319配合，实现直线位移，导向头319通过螺柱与传感器C 33下部连接，传感器C 33上端连接有压头331，压头331上端面为平整的水平面，所述水平面与上方的凸轮326外轮廓相接触。
本实施例中，实验台的传动单元32由调速电机325带动偏心凸轮326旋转实现连续动态加载。具体地，所述传动单元32包括位于加载支架上方的调速电机32、传动带328以及凸轮326，所述凸轮326位于电机32与传感器C 33之间，电机通过传动带328带动凸轮326旋转，使凸轮外轮廓与其下方的传感器C 33顶部的压头331相接触，实现连续动态加载。
如图14、图15所示，所述加载支架包括两个竖向的支腿324，支腿324上对应开设有轴承座孔，轴承座孔内各安装有滚动轴承329，两个滚动轴承329分别与凸轮326轴的两端连接，使凸轮326轴能够相对加载支架旋转。图16中示出了凸轮326的结构，凸轮326轮廓为一个偏心圆，凸轮326上开有键槽3261和螺纹孔3262，通过键连接与轴连接构成一个凸轮轴。凸轮326通过轴上的轴肩，以及紧定螺钉实现在凸轮326轴上的轴向定位。
所述电机325安装于支腿324上，电机325通过同步传动带328与凸轮326轴末端的带轮连接，将动力传到凸轮326轴上。所述带轮与凸轮326轴之间通过键连接以传递力矩。所述凸轮326轴的带轮外侧安装有轴端挡圈，并通过螺钉紧固。
动态载荷加载时，偏心凸轮加载的初始位置为：凸轮的最小向径位置与传感器C33的压头331接触。此时施加载荷为零。凸轮转动一周，在最大向径处获得最大挠度，得到工作载荷的最大值F，施加的工作载荷变化范围为0～F。也就是说，工作载荷的变化幅值由凸轮偏距e决定。
动态载荷加载的实验操作步骤如下：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓5从底座下方安装于实验台，实验螺栓5不预紧，螺母为松连接，调整触头A 241的位置使杠杆臂310保持水平，偏心凸轮326的最小向径位置与传感器C33的压头接触，将传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33均置零，将千分表A 61、千分表B 62的触头分别置于上钢板24的上表面和实验螺栓5末端端面上，完成实验准备。实验开始时，实验螺栓5受轴向拉力为零，传感器A 21除了受接合面压力外还承受上部零件的重力，将传感器A 21置零，消除上部零件重力对实验检测的影响。
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A 21、传感器B 25分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓5受到的总拉力Fb，使Fa＝Fb＝F0。
步骤3、电机325带动凸轮326转动，对杠杆臂310右端施力点进行动态载荷加载；通过电机325驱使传动带328转动，从而带动凸轮326旋转，凸轮326外轮廓压在传感器C 33的压头331上，再通过传感器C 33和导向头319作用在套筒317内的弹簧318上，凸轮326的偏心距产生位移量，使弹簧318产生压缩变形的位移，施加在杠杆臂310右端，然后通过杠杆臂310左端的触头A 241对实验螺栓5进行加载，实现对杠杆臂310动态工作载荷的准确加载。
通过记录传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33、千分表A 61、千分表B62的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析。对实验螺栓5施加轴向力时，传感器A 21、传感器B 25、传感器C 33分别检测接合面压力值、螺栓所受总拉力值以及工作载荷值，根据受力理论分析，验证其值满足Fa+Fc＝Fb。
实施例3
本实施例涉及一种动态载荷加载模式的实验台。如图17所示，与实施例2不同的是：加载杠杆的左侧杠杆臂312采用竖立截面的刚性梁结构，右侧杠杆臂313采用具有一定伸出长度的弹性梁结构，弹性梁呈扁平状，截面为矩形，弹性梁采用弹性材料制成。弹性梁的右端直接与传感器C下端连接。实验螺栓连接结构2、传动单元32、传感器C 33均与实施例2中的相同。
也就是说，本实施例中，加载杠杆的结构与实施例1中的相同。
实施例4
本实施例涉及一种静载荷加载模式的实验台。与实施例1不同的是：杠杆臂整体采用刚性梁，杠杆臂右端通过L型压板连接直线弹簧组件。具体地，L型压板的横板与直线弹簧组件连接，直线弹簧组件上端与传感器C下部连接。实验台的其他结构与实施例1中的相同。
也就是说，本实施例中，加载杠杆和直线弹簧组件的结构与实施例2中的相同。
本申请中动态载荷加载的设计原理：
方案一：右侧杠杆臂采用弹性梁结构。
通过弹性梁的变形挠度来实施加载，获得准确的工作载荷。变载荷加载时，偏心凸轮压在弹性梁上，凸轮转动一周，由凸轮的偏距e产生变形挠度实现准确加载。
根据所需的工作载荷F，以及弹性梁弹性材料的弹性模量E，由式4、式5，可以设计出合理的弹性梁惯性矩I及凸轮偏心距e的值，通过惯性矩I，得到弹性梁截面尺寸。
方案二：杠杆臂整体采用刚性梁，杠杆臂右端通过压板连接直线弹簧组件。
偏心凸轮通过传感器压头和导向头压向弹簧，则工作载荷F＝P＝kx，其中k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的变形量，x＝2e，根据所需的工作载荷，可设计出合理的弹簧弹性系数k及凸轮的偏心距e的值。例如：若工作载荷F＝1000N，变形位移量4mm，则弹性系数K＝F/x＝250N/mm＝2.5×105N/m。
工作载荷加载原理及动态载荷加载时凸轮偏心距的计算：
如图13，对杠杆臂右端加载，通过弹性元件的变形或挠度变化获得一定范围内变化的轴向工作载荷。由电机驱动凸轮，凸轮通过传感器压头压在弹性梁上，由凸轮的偏距e产生位移，使施力点产生挠度，实现动态载荷的加载。
加载杠杆的加载原理如图20，P为加载在杠杆右端弹性梁上的施加载荷，F为杠杆臂左端作用在实验螺栓上的轴向工作载荷，由杠杆力臂平衡方程得到：
F·l1＝P·l2； (式1)
其中，F表示实验螺栓的轴向工作载荷，P表示弹性梁端施加载荷，l1和l2分别表示左侧杠杆臂和右侧杠杆臂。实验台为等臂长l1＝l2，则有：
F＝P (式2)
其中，载荷P的值由传感器C测得。
载荷P端采用弹性梁，其挠度计算按悬臂梁模型(如图21)，则挠度vc与载荷P的关系式为：
其中，I表示梁截面的惯性矩，矩形截面I＝bh3/12，b为宽，h为高，E为材料的弹性模量，EI表示杠杆臂抗弯刚度；l3表示伸出的弹性梁的长，如图21、图5。
由式2、式3得工作载荷F与挠度vc的关系：
设偏心凸轮偏距为e，由vc＝2e，则：
e＝vc/2 (式5)
基于上述设计原理，该实验台可对受轴向工作载荷的紧螺栓连接强度进行分析，研究考虑变形的螺栓受力和强度计算方法，研究影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施。
通过实验分析，掌握考虑变形的受力分析原理，绘制受力、变形协调关系图，得出螺栓拉力和残余预紧力的计算方法；研究变载荷下预紧力、连接件刚度等对螺栓总拉力应力幅的影响，以及提高螺栓疲劳强度的方法。
基于本申请的实验台和实验方法，可以实施如下实验项目：
在以下实验说明中，传感器A、传感器B、传感器C检测值的对应关系分别为：Fa——检测接合面残余预紧力F1，Fb——检测螺栓总拉力F2，Fc——检测加载的工作载荷F。
实验1：预紧螺栓，施加初始预紧力F0，检测螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm。
采用扳手旋紧螺母，施加预紧力至设定值F0。由力平衡知，此时实验螺栓受的拉力等于接合面所受压力，分别由传感器B、传感器A检测其值均为F0。千分表B、千分表A分别检测实验螺栓伸长量λb和接合面压缩量λm；检测实验螺栓的受力、变形。
实验分析及结果：作出实验过程的多个工作点(通过数据采集***获得力、位移曲线)，作出螺栓和被连接件的受力和变形协调关系图，如图22、图23，通过斜率得出螺栓刚度Cb＝tgθb和被连接件刚度Cm＝tgθm；
实验2：对预紧的螺栓施加轴向拉伸工作载荷F，检测螺栓总拉力F2，得到螺栓总拉力F2和残余预紧力F1的计算方法，实验测定相对刚度。
在实验螺栓预紧状态下，通过加载装置进行轴向拉伸工作载荷F的静载荷加载，确定螺栓受力变形工作点。通过传感器和千分表分别检测实验螺栓和被连接件的受力、变形值(通过数据采集***获得力、位移曲线)。传感器A检测残余预紧力F1的值，传感器B检测实验螺栓受总拉力F2；传感器C检测工作载荷F。
通过实验绘制出轴向受力的螺栓和被连接件的受力变形协调图，确定工作点如图24，分析螺栓总拉力F2、残余预紧力F1、初始预紧力F0和工作载荷F的关系；得出螺栓总拉力计算公式F2＝F0+Cb/(Cb+Cm)F，并测定相对刚度值Cb/(Cb+Cm)。
实验3：在预紧力F0和工作载荷F不变条件下，分析相对刚度对螺栓强度的影响。
在预紧力F0和工作载荷F不变的条件下，采用不同刚度的实验螺栓和被连接件(不同的Cb、Cm)进行实验，如采用中空或腰状杆结构减小螺栓刚度；在被连接件间采用不同材料的垫片，金属垫片、皮革、铜皮石棉、橡胶垫片，来实现被连接件刚度的变化。
确定工作点，检测F2和F1的值，绘制受力、变形协调图，如图25和26。分析螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm变化对螺栓总拉力F2的影响。初始实验结果为实线，记工作点1各值为F2、F1，连接结构变化刚度后的实验结果为虚线，记工作点2为F2’、F1’。
实验分析与结论：在预紧力F0和工作载荷F不变条件下，减小相对刚度将减小螺栓总拉力F2。即减小螺栓刚度Cb、增大被连接件刚度Cm可提高螺栓强度。
实验4：与实验3条件不同的是：在连接螺母下方安装弹性元件(弹簧垫片)，研究其对螺栓受力的影响。
检测接合面的变形，用千分表A检测上钢板的位移；检测实验螺栓的受力变形，将弹簧垫片的压缩变形计入实验螺栓的拉伸量，实验分析实验螺栓总拉力F2的变化，如图25。
实验结论：在相同工作载荷下，采用弹簧垫片相当于减小螺栓刚度，将使螺栓拉力F2减小，接合面残余预紧力F1减小，受力变形图如图25。
受轴向变载荷的螺栓连接实验：研究应力幅对螺栓疲劳强度的影响，及提高螺栓疲劳强度和工作可靠性的方法。轴向变载荷下，在最小应力不变的条件下(σmin＝F0/(πd1 2/4))，应力幅越小，螺栓越不容易发生疲劳破坏，连接可靠性越高。
实验5：对预紧螺栓施加一定幅值的轴向变载荷，工作载荷在0～F变化时，分析螺栓刚度Cb、连接件刚度Cm以及初始预紧力F0对螺栓受力的应力幅影响，分析提高螺栓疲劳强度的方法。
采用偏心凸轮对实验螺栓施加轴向变载荷，工作载荷幅值F的大小由偏心凸轮偏距e确定，计算公式如式5。在初始预紧力F0不变情况下，施加变化工作载荷0～F，螺栓总拉力在F0～F2之间变化。减小螺栓刚度Cb，增大被连接件刚度Cm，比较图27、图28的工作点，分析螺栓受力的应力幅变化。
通过受力变形检测和实验分析得到结论：预紧力F0不变，减小螺栓刚度Cb、增大被连接件刚度Cm将同时减小螺栓总拉力F2和应力幅，螺栓疲劳强度提高，但此时残余预紧力F1也随之减小到F1’，降低了连接的可靠性和紧密性。
实验6：对于具有密闭性要求的重要螺栓连接，应保证接合面残余预紧力F1不下降。工作载荷在0～F变化时，分析螺栓受力的应力幅变化，实验分析提高螺栓疲劳强度和连接可靠性的方法。
施加变化工作载荷0～F，比较图29工作点1和工作点2：同时增大初始预紧力F0、减小螺栓刚度Cb并增大被连接件刚度Cm，实验分析螺栓受拉力的应力幅变化。
通过受力变形检测和实验分析得到结论：同时采取以上三种措施，螺栓总拉力F2不变，应力幅减小，提高了螺栓疲劳强度，同时又能保证螺栓连接的可靠性和紧密性。
因此，本实验台能够获得全面的受力、变形位移量等实验参数，为开展多种实验研究提供了重要支撑。
采用上述实验台和实验方法，对实验台进行了初步的静载实验，通过4组具体实验对本发明作进一步说明：
(1)、对应上述实验1、实验2，施加预紧力F0＝122N，工作载荷F＝120N，采用弹性连接件，测定螺栓的刚度和被连接件的刚度，实验结果如图30所示。
螺栓刚度：
被连接件刚度：
相对刚度：
(2)、对应上述实验1、实验2，施加预紧力F0＝77N，工作载荷F＝120N，连接件和例1中的连接件相同，实验结果如图31所示。
螺栓刚度：
被连接件刚度：
相对刚度：
对比结论：图30与图31螺栓和连接件相同，施加不同预紧力F0测定出的刚度结果相近，说明本实验台的检测精度，可以在高校实践教学中推广应用。
(3)、对应上述实验3，参见图26，预紧力F0＝77N，采用塑性被连接件，实验结果如图32。比较图31、图32中螺栓总拉力F2的变化。
被连接件刚度：
相对刚度：
对比结论：比较图31和图32，预紧力相同F0＝77N，螺栓刚度Cb不变，图32增大被连接件刚度后，螺栓总拉力F2从182N下降到170N，相对刚度从0.873减小到0.796，实验表明增大被连接件刚度，相对刚度减小，将使螺栓受力减小，提高连接强度。
(4)、对应上述实验6，参见图29，施加预紧力F0＝65N，采用刚度较大的螺栓和刚度较小的弹性连接件进行实验测定，实验结果如图33。
螺栓刚度：
被连接件刚度：
相对刚度：
对比结论：比较图32和图33，图32的预紧力F0从65N增大到77N，而螺栓总拉力不变F2＝170N，相对刚度从0.887减小到0.796，在动态载荷加载中将减小应力幅。
实验说明，同时提高预紧力F0、减小螺栓刚度Cb和增大被连接件刚度Cm，将使螺栓总拉力F2的幅值减小，从而减小动载荷中的应力幅值。
传感器A、传感器B、传感器C值的互相验证关系如图34所示，实验数据与图33的实验对应。
检测实验数据表：Fa——检测结合面残余预紧力F1，Fb——检测螺栓总拉力F2，Fc——检测加载的工作载荷F，与图33的实验对应。
以上对实验台进行了初步的静载实验，应当说明，在进行实验时，选择螺栓刚度与被连接件刚度不宜相差过大，选择两者刚度接近时实验效果更为明显。
综上所述，本申请的实验台能够实现轴向载荷的准确加载，包括静载荷和在一定范围内变化的轴向变载荷；能全面、准确地检测实验螺栓的受力和变形位移，具体包括螺栓总拉力、接合面压力和工作载荷，以及相应螺栓、被连接件的变形；采用加载装置和实验螺栓连接结构分布式布局，便于实验数据观测，实现轴向载荷的准确加载，该实验台操作简单方便，检测结果准确，实用性强，有利于推广应用。
最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
Claims (2)
1.一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台，其特征在于：包括设于底座上的实验螺栓连接结构和加载装置，
所述实验螺栓连接结构包括由下向上依次设置的传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B，所述下钢板、被连接件、上钢板的型心处以及传感器A和传感器B的中心轴线处均开有上下贯通的中心孔，所述底座上开设有用于使实验螺栓从底部装入的竖向光孔，所述中心孔与竖向光孔对中；
所述加载装置包括加载杠杆、传动单元和用于检测工作载荷的传感器C，所述传动单元设置在位于实验螺栓连接结构一侧的加载支架上，传动单元通过加载杠杆向实验螺栓施加静载荷或动态载荷；所述加载杠杆的杠杆臂左端上表面通过触头A与上钢板下部相抵，所述传感器C设置于杠杆臂右端与传动单元之间；
所述下钢板和上钢板的四角分别开设有上下对应的通孔，所述通孔以中心孔为中心对称布置，通孔内安装直线轴承，下钢板和上钢板之间通过设于直线轴承内的导柱相配合，所述导柱下端与底座固定；所述上钢板整体呈方形，上钢板前后两侧各设一凸台，所述触头A通过螺纹连接于凸台上，两触头A对称布置于上钢板型心轴线上；
所述实验螺栓的上端端面的轴线处安装有千分表B，所述上钢板的上端面安装有千分表A；传感器A用于检测被连接件与接合面间的受力；传感器B用于检测实验螺栓受的总拉力；千分表B用于检测实验螺栓的变形位移量，千分表A用于检测被连接件的变形位移量；
所述传动单元通过加载杠杆向实验螺栓施加静载荷：
所述加载杠杆包括杠杆支架、设于杠杆支架上的销轴、设于销轴两端呈对称结构的两个左侧杠杆臂，所述左侧杠杆臂右端连接一支撑横梁，支撑横梁上朝向加载支架的方向连接一个右侧杠杆臂；所述左侧杠杆臂为竖立截面的刚性梁，右侧杠杆臂为弹性梁；所述弹性梁与传感器C下端连接，左侧杠杆臂两端上表面分别与两个触头A的下端接触，接触点为杠杆臂左侧施力点；
所述传动单元包括加载螺杆和固定于加载螺杆顶部的手柄；所述加载支架包括竖向支腿和固定于支腿上端的固定板，所述固定板上设有螺纹孔，加载螺杆从螺纹孔中竖直穿过，加载螺杆的下端压在其下方的传感器C顶部的压头上，所述压头为杠杆臂右侧施力点；
静载荷加载的实验操作步骤如下：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓从底座下方安装于中心孔内，实验螺栓不预紧，螺母为松连接，调整触头A的位置使左侧杠杆臂和右侧杠杆臂保持水平，将传感器A、传感器B、传感器C均置零，将千分表A、千分表B的触头分别置于上钢板的上表面和实验螺栓末端端面上，完成实验准备；
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A、传感器B分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓受到的拉力Fb，使Fa=Fb=F0；
步骤3、通过旋动加载螺杆上的手柄进行工作载荷的静态加载，通过记录传感器A、传感器B、传感器C、千分表A、千分表B的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析；
或者所述传动单元通过加载杠杆向实验螺栓施动态载荷：
所述加载杠杆包括杠杆支架、设于杠杆支架上的销轴、设于销轴两端呈对称结构的两个杠杆臂，杠杆臂整体采用刚性梁，杠杆臂的右端固连L型压板，压板的横板上连接一竖向圆形套筒，套筒内安装一竖向的弹簧，套筒上端内壁与导向头形成移动配合，导向头与传感器C下部固定；
所述传动单元包括位于加载支架上方的电机、同步带传动机构以及偏心凸轮，所述偏心凸轮位于电机与传感器C之间，电机通过同步带传动机构带动偏心凸轮旋转，使偏心凸轮外轮廓与其下方的传感器C顶部的压头相接触，实现连续动态加载；
所述加载支架包括两个相对应的竖向支腿，支腿上对应开设有轴承座孔，轴承座孔内各安装有滚动轴承，两个滚动轴承分别与偏心凸轮轴的两端连接，使偏心凸轮轴能够相对加载支架旋转；所述偏心凸轮通过偏心凸轮轴上的轴肩以及紧定螺钉实现在偏心凸轮轴上的轴向定位；
动态载荷加载的实验操作步骤如下：
步骤1、依次将传感器A、下钢板、被连接件、上钢板、传感器B通过导柱定位并安装在实验台底座上，将实验螺栓从底座下方安装于中心孔内，实验螺栓不预紧，螺母为松连接，调整触头A的位置使杠杆臂保持水平，偏心凸轮的最小向径位置与传感器C的压头接触，将传感器A、传感器B、传感器C均置零，将千分表A、千分表B的触头分别置于上钢板的上表面和实验螺栓末端端面上，完成实验准备；
步骤2、旋紧螺母，施加预紧力至F0，通过传感器A、传感器B分别检测接合面的压力Fa和实验螺栓受到的拉力Fb，使Fa=Fb=F0；
步骤3、启动电机，电机带动偏心凸轮转动，对杠杆臂右端施力点进行动态载荷加载；通过记录传感器A、传感器B、传感器C、千分表A、千分表B的检测值，确定螺栓变形曲线上的工作点，进行螺栓连接强度的分析。
2.根据权利要求1所述的一种轴向受力的预紧螺栓连接强度实验台，其特征在于：所述传感器A、传感器B、传感器C均通过控制单元与显示器连接，显示器放置于实验螺栓连接结构一侧的置物台上。
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