CN104332102B - 一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具及其操作方法 - Google Patents

一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，包括基板和竖设于基板两侧的导杆，基板上侧固连有连接板，连接板上方设有加载板，加载板上方设有顶板；顶板与连接板之间夹设有上、下被联接件，上、下被联接件均包括外件和内件，内件套于所述外件内腔并可相对外件上、下运动，内、外件之间还夹设有海绵垫；还包括倒置的橡胶螺栓，橡胶螺栓由下往上依次穿过连接板、上、下被联接件、加载板和顶板后由螺母锁紧；所述垫圈和顶板之间、顶板与加载板之间以及上、下被联接件之间夹设有称重传感器。同时，本发明还涉及一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具的操作方法。本发明教具不仅成本低，体积小，便于携带，而且操作方便，教学效果好。

Description

一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具及其操作方法，属于教学用具领域。
背景技术
螺栓联接是紧固件联接中最基本的一种结构形式，而紧螺栓联接是最常见的，被广泛的应用在现代工业当中。如何很好的理解和掌握紧螺栓联接轴向加载的整个动态过程的这部分知识来更好设计螺栓和使用螺栓就具有很重大的意义。但是由于螺栓施加载荷后的变形量很小，且这部分的理论知识比较抽象，难以被学习者所理解。现有的紧螺栓联接教学仪器尚无能够直观演示从施加预紧力到施加载荷的整个变化过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种成本低，体积小，便于携带，而且操作方便的螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具及其操作方法。
本发明采用以下方案实现：一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，包括基板和竖设于基板两侧的导杆，所述基板上侧固连有连接板，所述连接板上方设有可沿导杆上、下滑动的加载板，加载板上方设有可沿导杆上、下滑动的顶板；所述顶板与连接板之间夹设有上、下对称设置的上、下被联接件，所述上、下被联接件均包括外件和内件，所述内件套于所述外件内腔并可相对外件上、下运动，所述加载板上开设有以利上被联接件穿过的中孔，内、外件之间还夹设有海绵垫；还包括倒置的橡胶螺栓，所述橡胶螺栓由下往上依次穿过连接板、上、下被联接件、加载板和顶板后由螺母锁紧；所述橡胶螺栓上还套设有位于螺母下方的垫圈；所述加载板前、后侧与基板之间分别连接有斜置的第一连杆，所述第一连杆上端与加载板对应侧侧部相铰接，第一连杆下端与一滑块相铰接，所述滑块嵌设于基板上对应侧的沿横向设置的第一导槽内并可相对第一导槽左、右滑动；所述基板侧部横设有用以驱动滑块滑动的丝杆。
进一步的，所述垫圈和顶板之间、顶板与加载板之间以及上、下被联接件之间夹设有称重传感器。
进一步的，所述加载板前、后侧与基板之间分别还连接有与第一连杆交叉设置的第二连杆，所述第二连杆下端与基板对应侧侧部相铰接，第一连杆与第二连杆的交叉部相铰接，第二连杆上端与一子母螺钉相铰接，所述子母螺钉穿设于加载板上对应侧的沿横向设置的第二导槽内并可相对第二导槽左、右滑动。
进一步的，还包括游标卡尺，所述基板内设置有与称重传感器电连接的电路板，基板前侧设置有显示屏。
同时，本发明还提供一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具的操作方法，采用如上所述的一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，并按以下步骤进行：（1）反向旋转丝杆，将加载板调至最低位置，调整螺母使其处于未拧紧状态，测出上、下被联接件的初始总厚度，橡胶螺栓初始长度；（2）缓慢拧紧螺母,预紧到预定载荷,测出橡胶螺栓的总载荷、橡胶螺栓的预紧力、上、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（3）反向旋转丝杆，使加载板向上运动对橡胶螺栓进行轴向加载，施加到预定载荷后，停止加载，测出的橡胶螺栓总载荷、橡胶螺栓残余预紧力、加载板的施加载荷、上、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（4）拧松螺母，反向旋转丝杆卸载，操作完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：不仅成本低，体积小，便于携带，而且便于操作，教师可以直接在课堂操作，直观演示紧螺栓联接轴向加载整个过程，将抽象的知识具体化，能够动态演示从施加预紧力到施加载荷的整个变化过程，从而达到教师更好教学和学生更好掌握理论知识的目的。
附图说明
图1是本发明实施例构造示意图；
图2是本发明实施例中橡胶螺栓构造示意图；
图中标号说明：1-橡胶螺栓、2-螺母、3-垫圈、4-游标卡尺、5-固定板、6-导杆、7-称重传感器、8-顶板、9-加载板、10-子母螺钉、11-第二连杆、12-第一连杆、13-加载手柄、14-丝杆、15-滑块、16-基板、17-电路板、18-显示屏、19-连接板、20-内件、21-外件、22-海绵垫、23-夹板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1~2所示，一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，包括基板16和竖设于基板16两侧的导杆6，导杆6上端还连接有固定板5，所述基板上侧固连有连接板19，所述连接板19上方设有可沿导杆6上、下滑动的加载板9，加载板9上方设有可沿导杆6上、下滑动的顶板8；所述顶板8与连接板19之间夹设有上、下对称设置的上、下被联接件，所述加载板9上开设有以利上被联接件穿过的中孔，所述上、下被联接件均包括外件21和内件20，所述内件20套于所述外件21内腔并可相对外件21上、下运动，上被联接件的内件固连于顶板8下侧，下被联接件的内件固连于连接板19上侧，内、外件（20、21）之间还夹设有海绵垫22；采用海绵垫22替代被联接件受压，可以较好的降低被联接件的刚度。
还包括倒置的橡胶螺栓1，橡胶螺栓1为大螺距橡胶螺栓，这样既保证螺栓原本的结构，又能使其在加载过程中将原有的微小的变形量进行放大，并能够被观察出来，起到较好的演示效果。所述橡胶螺栓1由下往上依次穿过连接板19、上、下被联接件、加载板9和顶板8后由螺母2锁紧；所述橡胶螺栓1上还套设有位于螺母2下方的垫圈3；所述垫圈3和顶板8之间、顶板8与加载板9之间以及上、下被联接件之间夹设有称重传感器7，运用替代与放大的方法，在满足胡克定律的情况下，用大螺距橡胶螺栓1与小劲度系数弹性元件代替螺栓联接件与被连接件受力，放大了原本螺栓与被联接件受载荷后的微小变形，使其能够被直接观察出来。
在本实施例中，加载板9前、后侧与基板16之间分别连接有斜置的第一连杆12，所述第一连杆12上端与加载板9对应侧侧部相铰接，第一连杆12下端与一滑块15相铰接，所述滑块15嵌设于基板16上对应侧的沿横向设置的第一导槽内并可相对第一导槽左、右滑动；所述基板16侧部设有驱动滑块15滑动的丝杆14，所述基板16内部设有套于丝杆14上的螺母，该螺母与滑块15通过连接杆固连，所述丝杆14端部设有加载手柄13，通过转动加载手柄13，经丝杆14和滑块15驱动第一连杆12下端滑动，进而驱动加载板9升降实现加载与卸载。
在本实施例中，为了使加载机构受力平衡，所述加载板9前、后侧与基板16之间分别还连接有与第一连杆12交叉设置的第二连杆11，所述第二连杆11下端与基板16对应侧侧部相铰接，第一连杆12与第二连杆11的交叉部相铰接，第二连杆11上端与一子母螺钉10相铰接，所述子母螺钉10穿设于加载板9上对应侧的沿横向设置的第二导槽内并可相对第二导槽左、右滑动。
在本实施例中，还包括用以测量变形长度的游标卡尺4；所述基板16内设置有与称重传感器7电连接的电路板17，基板16前侧设置有显示屏18，利用游标卡尺4以及由单片机控制的称重传感器，测出不同状态下被联接件的压力值与压缩量、螺栓的长度以及拉力，并将采集到的信息传送至液晶显示屏上，直观演示出螺母、预紧、施加载荷的整个动态变化的过程中螺杆载荷的变化。
本发明的工作原理：
为了使所设计的分析仪能够直观的演示紧螺栓联接轴向加载从未拧紧螺母到施加轴向载荷的整个动态过程，同时能够直观看出螺栓形变量并通过数值显示出施加载荷和预紧力的变化，为此采用等效替代与放大的方法，利用橡胶螺栓来放大螺栓的变形量，小劲度系数海绵代替被连接件来降低被连接件的刚度。考虑到老师教学过程中与同学互动更容易进行，采用手动操作的方式，同时采用数显模块直观显示出拉、压力值的变化。
采用这样的等效替代与放大的方法来设计螺栓结构，既要保证螺栓原本的结构，又能使其在加载过程中将原有的微小的变形量进行放大，使得教具在演示过程中的变形量能够观察出来，起到较好的演示效果。
用橡胶螺栓替代螺栓，小劲度系数海绵垫替代被连接件，两者都在满足胡克定律的范围内。设橡胶螺栓为B,刚度为Cb，被联接件为海绵垫M,刚度为Cm。
状态1：螺母未拧紧状态，此时橡胶螺栓和海绵垫都处在自由状态；
状态2：螺母预紧状态，螺母在拧紧过程中对海绵垫M施加压力，海绵垫M被压缩长度为λm；橡胶螺栓B由于螺母向下拧紧，受到向上的力而被拉伸,伸长量为λb；海绵垫M所受到的压力和橡胶螺栓B受到的拉力大小均为预紧力F0；
状态3：施加拉伸载荷F后的状态，这时橡胶螺栓B在状态2的基础上被继续拉长，橡胶螺栓B的伸长量为Δλ，拉力增加到F2；而海绵垫M压力减小到F1 (残余预紧力)，其减小量为：Δλ*Cm =F1- F0；所要求的橡胶螺栓B受到的总拉力为：F2=F0+Δλ*Cb；
此时，联接螺母在状态3时的受力平衡条件为：F2=F+ F1（1）；
因为在状态2到状态3中，橡胶螺栓B的伸长量和海绵垫M的压缩量相等，都为Δλ，
Δλ= (F2- F0)/Cb= (F0- F1)/Cm（2）
联立得出结论：
F1= F0- [Cm/( Cb+ Cm)]*F；
F2= F0+[Cb/( Cb+ Cm)]*F；
最后得出结论与课本中的结论一样，证明所建立的模型可行。
一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具的操作方法，采用如上所述的一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，并按以下步骤进行：（1）反向旋转丝杆，将加载板调至最低位置，调整螺母使其处于未拧紧状态，测出上、下被联接件的初始总厚度，橡胶螺栓初始长度；（2）缓慢拧紧螺母,预紧到预定载荷,测出橡胶螺栓的总载荷、橡胶螺栓的预紧力、上、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（3）反向旋转丝杆，使加载板向上运动对橡胶螺栓进行轴向加载，施加到预定载荷后，停止加载，测出的橡胶螺栓总载荷、橡胶螺栓残余预紧力、加载板的施加载荷、上、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（4）拧松螺母，反向旋转丝杆卸载，操作完成。
在该操作方法中，橡胶螺栓的预紧力和残余预紧力由夹于上、下被联接件之间的称重传感器测出；橡胶螺栓的总载荷由夹于垫圈3和顶板8之间的称重传感器测出，加载板的施加载荷由夹于顶板8与加载板9之间的称重传感器测出，上、下被联接件的总厚度和橡胶螺栓长度使用游标卡尺测出。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，其特征在于：包括基板和竖设于基板两侧的导杆，所述基板上侧固连有连接板，所述连接板上方设有可沿导杆上、下滑动的加载板，加载板上方设有可沿导杆上、下滑动的顶板；所述顶板与连接板之间夹设有上、下对称设置的上被联接件、下被联接件，所述上被联接件、下被联接件均包括外件和内件，所述内件套于所述外件内腔并可相对外件上、下运动，所述加载板上开设有利于上被联接件穿过的中孔，内件、外件之间还夹设有海绵垫；还包括倒置的橡胶螺栓，所述橡胶螺栓由下往上依次穿过连接板、上被联接件、下被联接件、加载板和顶板后由螺母锁紧；所述橡胶螺栓上还套设有位于螺母下方的垫圈；所述加载板前侧、后侧与基板之间分别连接有斜置的第一连杆，所述第一连杆上端与加载板对应侧侧部相铰接，第一连杆下端与一滑块相铰接，所述滑块嵌设于基板上对应侧的沿横向设置的第一导槽内并可相对第一导槽左、右滑动；所述基板侧部横设有用以驱动滑块滑动的丝杆；所述垫圈和顶板之间、顶板与加载板之间以及上被联接件、下被联接件之间夹设有称重传感器。
2.根据权利要求1所述的螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，其特征在于：所述加载板前侧、后侧与基板之间分别还连接有与第一连杆交叉设置的第二连杆，所述第二连杆下端与基板对应侧侧部相铰接，第一连杆与第二连杆的交叉部相铰接，第二连杆上端与一子母螺钉相铰接，所述子母螺钉穿设于加载板上对应侧的沿横向设置的第二导槽内并可相对第二导槽左、右滑动。
3.根据权利要求1所述的螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，其特征在于：还包括游标卡尺，所述基板内设置有与称重传感器电连接的电路板，基板前侧设置有显示屏。
4.一种螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具的操作方法，其特征在于：采用权利要求1~3任一项所述的螺旋加载的螺栓轴向拉伸载荷分析教具，并按以下步骤进行：（1）反向旋转丝杆，将加载板调至最低位置，调整螺母使其处于未拧紧状态，测出上被联接件、下被联接件的初始总厚度，橡胶螺栓初始长度；（2）缓慢拧紧螺母,预紧到预定载荷,测出橡胶螺栓的总载荷、橡胶螺栓的预紧力、上被联接件、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（3）反向旋转丝杆，使加载板向上运动对橡胶螺栓进行轴向加载，施加到预定载荷后，停止加载，测出的橡胶螺栓总载荷、橡胶螺栓残余预紧力、加载板的施加载荷、上被联接件、下被联接件的总厚度以及橡胶螺栓长度；（4）拧松螺母，反向旋转丝杆卸载，操作完成。
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