CN110243685A - 一种螺栓连接强度综合分析实验系统 - Google Patents

Abstract

一种螺栓连接强度综合分析实验系统，包括底座、安装在底座上的支架、横截面呈T型的第一连接板、横截面呈十字型的第二连接板、加载力臂以及加载装置，第一连接板的一端通过第一螺栓组安装在支架上，第二连接板的第二翼板与第一连接板另一端的第一翼板通过第二螺栓组锁紧，使第二连接板的端部抵紧第一翼板，第二连接板的另一端通过第三螺栓组与安装在加载力臂的一端相连接，加载力臂的另一端与加载装置相连接；本发明可实现对多种螺栓连接的受力分析，如普通螺栓受转矩、普通螺栓受倾覆力矩、铰制孔螺栓受转矩等；本发明结构简单、操作方便、低速安全、成本低，便于推广使用，可用于教学实验和工程测试。

Description

一种螺栓连接强度综合分析实验系统

技术领域

本发明涉及一种机械设计实验教学仪器，具体涉及一种对螺栓组连接强度进行分析的实验系统。

背景技术

机械设计课程是机械工程专业的专业核心课，该课程主要用于介绍常见零件的结构特点及设计方法。螺栓连接是机械传动过程中常见的连接方式之一。螺栓连接强度和可靠性直接影响机械传动部件的工作寿命，螺栓连接种类多，结构各异，通常以螺栓组形式连接。工程上对螺栓连接强度进行检测控制时，通常采用力矩拧紧装置(人工力矩扳手或电动拧紧装置)或测力矩扳手测量单个螺栓的拧紧力矩，实际螺栓组连接受力复杂，单个螺栓受多种因素影响，受力情况不同，与之相关的螺栓受力分析理论教学内容多，概念抽象，在专业课程教学中尚未有相关实验装置及实验内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓连接强度综合分析实验系统，本发明具有设计科学、结构紧凑、操作方便、精度高、安全可靠等特点，不仅填补了螺栓连接教学实验方面的空白，还适合在工程实践或高等院校、职业院校实践教学中推广。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种螺栓连接强度综合分析实验系统，包括底座1、安装在底座1上的支架2、横截面呈T型的第一连接板3、横截面呈十字型的第二连接板4、加载力臂8以及加载装置9，第一连接板3的一端通过第一螺栓组5安装在支架2上，第二连接板4的第二翼板41与第一连接板另一端的第一翼板31通过第二螺栓组6锁紧，使第二连接板4的端部抵紧第一翼板31，第二连接板4的另一端通过第三螺栓组7与安装在加载力臂8的一端相连接，加载力臂8的另一端与加载装置9相连接。

优选的，所述加载机构9包括安装在底座1上的外支架91、安装在外支架91顶部且可贯穿于外支架顶部的用于给加载力臂8施加向下作用力的加载螺栓94、位于外支架91内部且通过内支架93的上部吊装在加载力臂8上可上下移动的中间框架92，加载螺栓94的底部通过滚珠95压在中间框架92的顶部，中间框架92的内部还安装有传感器96，传感器96的顶部与内支架93的底部相固接、传感器96的底部与中间框架92的底部相固接。

优选的，所述加载力臂8的后端设有凹槽81，所述内支架93吊装在凹槽81内。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明结构简单、操作方便、低速安全、成本低，便于推广使用，可用于教学实验和工程测试。

2、本发明可实现对多种螺栓连接的受力分析，如普通螺栓受转矩、普通螺栓受倾覆力矩、铰制孔螺栓受转矩等。

以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例的正视图。

图2为本发明实施例的俯视图。

图3为本发明实施例中加载装置的放大示意图。

图4为本发明实施例的右视图。

图5为本发明实施例中第一螺栓组的受力分析图。

图6为本发明实施例中第三螺栓组的受力分析图。

图7为本发明实施例中第二螺栓组的受力分析图。

【附图标记】

1-底座，2-支座，3-第一连接板、31-第一翼板，4-第二连接板、41-第二翼板，5-第一螺栓组，6-第二螺栓组，7-第三螺栓组，8-加载力臂，81-凹槽，9-加载装置，91-外支架，92-中间框架，93-内支架，94-加载螺栓，95-滚珠，96-传感器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的一种螺栓连接强度综合分析实验系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

在本发明的描述中，需要说明的是，在本实施例中以设有支架的端部为前端，以设有加载装置的端部为后端，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者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，因而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1、图2、图4，一种螺栓连接强度综合分析实验系统，包括底座1、安装在底座1上的支架2、第一连接板3、第二连接板4、加载力臂8以及加载装置9，所述第一连接板3的横截面呈T型，其一端的第一翼板31上设有多组螺栓孔，另一端通过第一螺栓组5安装在支架2上，所述第二连接板4的横截面呈十字型，第二连接板的第二翼板41上设有与第一连接板的第一翼板31螺栓孔位置相对应的多组螺栓孔，第二连接板的翼板41与第一连接板的翼板31通过第二螺栓组6锁紧且保证第二连接板4的一端抵紧第一连接板3的第一翼板31，第二连接板4的另一端通过第三螺栓组7与加载力臂8的端部相连接，加载力臂8的另一端与加载装置9相连接，第一螺栓组5、第二螺栓组6及第三螺栓组7均由多个螺栓组成，所述第一螺栓组5为呈两列布置的10个普通螺栓组，第二螺栓组6为呈两侧布置的16个普通螺栓，第三螺栓组7为呈等边三角形布置的6个铰制孔螺栓。

请参阅图3，所述加载机构9包括安装在底座1上的外支架91、通过法兰安装在外支架91顶部且可贯穿于外支架顶部的加载螺栓94，外支架91内部设有可上下浮动的中间框架92，加载螺栓94的底部通过滚珠95与中间框架92的顶部相连接，因加载螺栓94直接施加力在中间框架92的顶部，当加载螺栓94继续转动时，加载螺栓94与中间框架92的顶部之间会产生摩擦力，从而在带动中间框架92向下移动的过程中使中间框架92发生旋转运动，为避免中间框架92发生转动，故增设了滚珠95，从而抵消加载螺栓94和中间框架92之间的摩擦力，所述滚珠95上开设有供加载螺栓94安装的孔且孔内设有与加载螺栓94的外螺纹相匹配的内螺纹，加载螺栓94安装在滚珠95的孔内，滚珠95随着加载螺栓94的转动而转动，从而减小摩擦力，当然加载螺栓94与滚珠95的连接方式不限于此，也可以将加载螺栓94的端部直接作用在滚珠95的顶部，也可以通过其他方式连接；中间框架92的内部还安装有传感器96和内支架93，传感器96的顶部与内支架93的底部通过螺钉连接，传感器96的底部与中间框架92的底部也通过螺钉连接，内支架93的上部吊装在加载力臂8凹槽81上，加载装置9的内支架93吊装在加载力臂8另一端的凹槽81上，所述内支架93可以直接挂设在凹槽81内，当然内支架49也可以通过在凹槽内增加垫块来调节其安装在凹槽81内的高度，当然内支架49安装在凹槽81内的方式并不限于此，也可以采用其他方式，当加载螺栓94通过滚珠95施加给中间框架92一个向下的作用力时，中间框架92通过传感器96带动内支架93向下移动，传感器测量力的大小，并将结果输出到计算机显示器上。由于内支架93安装在凹槽81中，故内支架93给加载力臂8的另一端施加一个向下的作用力，加载力臂8的另一端向下移动，从而带动第一螺栓组5、第二螺栓组6以及第三螺栓组7均在力的作用下产生一定的力矩，第一螺栓组5主要受转矩作用，第二螺栓组6主要受倾覆力矩，第三螺栓组7主要受转矩作用。

工作时，将工业摄像机，对准第一螺栓组5、第二螺栓组6、第三螺栓组7三组待测螺栓中的某一组，并将工业摄像机通过数据线和计算机相连，通过计算机显示器，可以看到图像是否清晰。调整工业摄像机的焦距和光圈，使拍摄的图像清晰。然后旋转加载螺栓94，通过加载力臂8将力传递到待测的受载螺栓上。待测受载的螺栓组受力后，会产生不同程度的变形，工业摄像机将拍摄的变形过程图像输入计算机，计算机采用数字散斑相关方法，对变形过程进行计算分析。

本发明通过拍摄螺栓受载荷过程，采用数字散斑相关方法进行分析，可实现对多种螺栓连接的受力分析，如普通螺栓受转矩、普通螺栓受倾覆力矩、铰制孔螺栓受转矩等。

数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method，简称DSCM)是一种对全场位移进行量化分析的非接触式光学测量方法；该方法通过对位移前后的数字图像表面灰度值进行相关计算以获得物体表面位移信息，具有光路简单、灵敏度高、全场实时检测等特点。设物体开始运动时的图像为源图像，发生位移后的图像为目标图像，通过对源图像和目标图像的相同子区进行相关系数计算，得到坐标位移差值，即待测点的位移；通过检测系统的计算分析，将计算结果以图像及数据形式输出。

本发明测量系统采用机器视觉进行测量，能够通过图像反映出螺栓组的受力后变形情况。

测量工作过程：

S1、调整仪器

调整工业摄像机的镜头，对准待测螺栓组连接的位置，调整光源角度、焦距、光圈、曝光率等设置，使拍摄的图像清晰。

S2、加载并拍摄图像

旋转加载螺栓，观察传感器显示器，加载并同时启动工业摄像机，拍摄图像。

S3、数字散斑分析原理

数字散斑相关方法是将采集的图像经模数转换器转成数字灰度场，导入检测系统。检测系统将位移测量问题转化为一个相关搜索和相关识别的数值计算过程。通过搜寻子区移动信息，获得其中心点的位移信息。搜寻的主要判定依据就是求目标图像子区和参考图像子区的相关系数，通过计算相关系数的极值来判断两个子区的相似性。

测试实验原理

该实验装置对三种螺栓组连接的强度进行分析结果如下：

1、受转矩的螺栓组连接

(1)第一螺栓组连接(请参阅图5)

靠螺栓连接预紧后在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。

各螺栓所需的预紧力F₀为：

式中：

T---作用在螺栓组上的转矩，N·m，T＝F₁L，F₁为外负载力，L为外负载力与螺栓组对称中心距离；

f---结合面的摩擦系数，可查相关设计手册；

r_i---代表第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心的距离，mm。

Z---螺栓的个数；

K_S---防滑系数，K_S≈1.1～1.3。

为保证螺栓能正常工作，螺栓危险截面的拉伸强度条件为：

式中：

d₁---螺栓危险截面的直径，mm；

[σ]---螺栓材料的许用拉应力，MPa，可查相关设计手册。

(2)第三螺栓组连接(请参阅图6)

在转矩T的作用下，各铰制孔螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓所受的横向工作剪力和该螺栓轴线到螺栓组对称中心o的连线相垂直。其中受力最大的工作剪力为：

式中：

T---作用在螺栓组上的转矩，N·m，T＝F₁L，F₁为外力，L为外力与螺栓组对称中心距离；

r_max---代表r_i最大值，即螺栓的轴线到螺栓组对称中心的最大距离，mm。

为保证螺栓能正常工作，螺栓杆与螺栓孔壁的挤压强度条件为：

式中：

F---螺栓所受的工作剪力，N；

d₀---螺栓剪切面的直径，可取螺栓孔的直径，mm；

L_min---螺栓孔与孔壁挤压面的最小高度，mm；

[σ_p]-螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa，可查相关设计手册。

2、受倾覆力矩的第二螺栓组连接(请参阅图7)

螺栓所受的最大工作载荷为：

式中：

M---作用在螺栓组上的倾覆力矩，N·m，M＝F₁L，F₁为外负载力，L为外负载力与螺栓组中心距离；

L_i---各螺栓轴线到底板轴线的距离，mm。

L_max---L_i中最大值，mm。

Z---总的螺栓个数。

为防止接合面处受压最大处被压碎，应使螺栓接合面面处的最大挤压应力不超过允许值，即

式中：

Z---螺栓的个数；

F₀---螺栓所受的预紧力，N；

A---接合面的有效面积，mm²；

M---作用在螺栓组上的倾覆力矩，N·m；

W---接合面的有效抗弯截面系数，可查相关设计手册；

[σ_p]---连接接合面材料的许用挤压应力，MPa，可查相关设计手册。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种螺栓连接强度综合分析实验系统，其特征在于：包括底座(1)、安装在底座(1)上的支架(2)、横截面呈T型的第一连接板(3)、横截面呈十字型的第二连接板(4)、加载力臂(8)以及加载装置(9)，第一连接板(3)的一端通过第一螺栓组(5)安装在支架(2)上，第二连接板(4)的第二翼板(41)与第一连接板另一端的第一翼板(31)通过第二螺栓组(6)锁紧，使第二连接板(4)的端部抵紧第一翼板(31)，第二连接板(4)的另一端通过第三螺栓组(7)与安装在加载力臂(8)的一端相连接，加载力臂(8)的另一端与加载装置(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓连接强度综合分析实验系统，其特征在于：所述加载机构(9)包括安装在底座(1)上的外支架(91)、安装在外支架(91)顶部且可贯穿于外支架顶部的用于给加载力臂(8)施加向下作用力的加载螺栓(94)、位于外支架(91)内部且通过内支架(93)的上部吊装在加载力臂(8)上可上下移动的中间框架(92)，加载螺栓(94)的底部通过滚珠(95)压在中间框架(92)的顶部，中间框架(92)的内部还安装有传感器(96)，传感器(96)的顶部与内支架(93)的底部相固接、传感器(96)的底部与中间框架(92)的底部相固接。

3.根据权利要求2所述的一种螺栓连接强度综合分析实验系统，其特征在于：所述加载力臂(8)的后端设有凹槽(81)，所述内支架(93)吊装在凹槽(81)内。