螺栓联接受力实验分析

【摘要】文章通过实验数据分析螺栓拉力和工作载荷关系图，确定预紧力、工作载荷、螺栓总拉力之间的关系，提出了提高螺栓抗疲劳强度的各项措施。

【关键词】螺栓拉力；工作载荷；强度；措施

【中图分类号】TU67 【文献标识码】A

【文章编号】1671－5969（2007）10－0158-02

现代各类机械中，为了便于机器的制造、安装、维修和运输，在机器和设备的各零、部件中广泛应用各种联接。不损坏联接中的任一零件就可将被联接件拆开的可拆联接用的最多。它经多次拆装仍无损于使用性能，如螺栓联接、键联接、销联接等。其中螺栓联接是利用螺栓穿过被联接件上的光孔并用螺母锁紧，做为紧固联接件用的，它因结构简单、装拆方便、应用最广泛。但随着机械产品工作时间的增长，各因素对螺栓联接强度的影响越来越大，致使螺栓联接失效而导致的产品故障也越来越频繁，对安全和生产造成了很大的威胁。因此,针对上述情况,本文通过实验对螺栓的受力进行测试和分析，以说明螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况，提出提高螺栓抗疲劳强度的各项措施。

一、实验

（一）实验设备及仪器

1.螺栓联接实验台主要技术参数：（1）螺栓材料为40Cr、弹性模量E=206000 N/mm2，螺栓杆外直径D1=16mm，螺栓杆内直径D2=8mm，变形计算长度L=160mm。（2）八角环材料为40Cr，弹性模量E=206000 N/mm2。L=105mm。（3）挺杆材料为40Cr、弹性模量E=206000 N/mm2，挺杆直径D=14mm，变形计算长度L=88mm。

2.测试仪器的型号及规格：（1）应变仪型号：CQYDJ－4；（2）电阻应变片：R=120Ω，灵敏系数K=2.2。

（二）螺栓联接实验台的结构（如图1所示）

它主要包含以下四部分：

1.联接部分包括M16空心螺栓、大螺母、垫片组组成。空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。空心螺栓的内孔中装有M8螺栓，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载截面积，以达到改变联接件刚度的目的。垫片组由刚性和弹性两种垫片组成。

2.被联接件部分由上板、下板和八角环组成，八角环上贴有应变片，测量被联接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被联接件系统的刚度。

3.加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测量所加工作载荷的大小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载（改变工作载荷）的目的。

4.测量部分由测力矩扳手、两块千分表、两组应变片等组成。千分表分别测螺栓和八角环的变形量；两组应变片分别对应螺栓的拉力、扭力，八角环压力和挺杆压力，将其接入应变仪以实现数据的测量和记录。

（三）螺栓联接实验台的工作原理

联接件在承受工作载荷之前就预加上的作用力称为预紧力。一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，起到预紧作用，以防止工作时联接出现缝隙和滑动，增强联接的可靠性，提高联接的紧密性，且可防止松脱。但预紧力过小，联接不可靠；预紧力过大，会导致联接过载甚至被拉断的后果。因此，为了控制预紧力，可通过控制拧紧力矩的方法实现。然后再施加一定的工作载荷到螺栓上。

（四）LSD-A型静动态测量仪的工作原理及各测点应变片的组桥方式。

LSD-A型静动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是用极细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，用粘剂将应变片牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了ΔR的变化，这样就把机械量转换成电量（电阻值）的变化。用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化ΔR/R，就可换算出相应的应变ε，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。

（五）实验步骤

1．预紧：用扭力矩扳手预紧被试螺栓，当扳手力矩为30～40N时，取下扳手，完成螺栓预紧，将千分表测量的螺栓拉变形和八角环压变形值输入到相应的“千分表值输入”框中，对预紧的数据进行采集和处理。

2．加载：用手将实验台上手轮逆时钟（面对手轮）旋转，使挺杆上升至一定高度，对螺栓轴向加载，加载高度≤16mm，然后将千分表测到的变形值再次输入到相应的“千分表值输入”框中，对轴向加载的数据进行采集和处理。

二、结果与分析

（一）实验数据

（三）实验分析

1．造成理论数据与实验数据的差异：一是实验条件与理论分析的假设条件不完全一致。二是由于实验测试过程的误差，包括系统误差、随机误差和过失误差等，也将影响实验结果的精度和准确性。前者对实验结果的影响更大、更重要，也是本实验的关键所在。

2．图中纵坐标代表力，横坐标代表变形。联接件螺栓拉伸变形由坐标原点o向右量起；被联接件八角环压缩变形由向左向右量起。由数据和图可知，在联接尚未承受工作拉力F时，螺栓的拉力和被联接件的压缩力都等于预紧力。当开始承受工作载荷F后，螺栓所受拉力增加。与此同时，被联接件随着螺栓的拉伸而被放松，其压缩量（轴向预紧力）也随之减少。根据变形协调条件，被联接件压缩变形的减少量应等于螺栓伸长变形的增加量。

3．由于预紧力的作用，螺栓所受的总拉力不是单纯的预紧力和工作载荷之和，而应为工作载荷与残余预紧力之和（或是预紧力与部分工作载荷之和），且与螺栓的相对刚度有关。

三、提高螺栓疲劳强度的措施

适当增加螺栓长度，部分减小栓杆直径或制成中空的柔性螺栓;在螺母下面安装弹性元件等；或增大被联接件的刚度，尽量采用刚度大的密封环，当有紧密要求时,采用密封环为佳；若螺栓和被联接件的刚度不变,只要适当加大预紧力,也能起到一定的作用。

参考文献

[1]张策主编.机械原理与机械设计[M].机械工业出版社，2004.

[2]LZS螺栓联接综合实验台．

作者简介：陈童（1979—），女，温州大学机电工程学院助理实验师，研究方向：机械工程。

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