一种橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪

摘要

本发明涉及一种橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪及使用方法，便于直观演示紧螺栓联接轴向加载过程中力的变化，本装置通过橡胶替代螺栓、在被连接件中设置弹簧进行轴向加载的实验分析，运用替代与放大的方法，在满足胡克定律的情况下，用小劲度系数弹簧替代被连接件受压，大螺距的橡胶代替螺杆，放大了原本螺栓受载荷后的微小变形，并将丝杆传动与上升机构结合设计成加载机构，来达到施加载荷的目的。本装置不仅成本低，体积小，而且便于携带，易于操作。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，从而达到教师更好教学和学生更好掌握理论知识的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种橡胶代替螺栓的紧螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪。 

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，而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

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪，实现直观演示紧螺栓联接轴向加载的过程。 

本发明解决技术问题所采用的方案为：一种橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪，包括一底板，所述底板的两侧分别固设有立柱，所述立柱顶部固定连接有一顶板，所述底板上方设置有固定在立柱上的连接板，所述连接板上方设置有套设在立柱上并可沿立柱上下移动的上顶板，所述连接板与上顶板之间设置有对称安装的上、下被连接件，所述上、下被连接件均包括外盒腔体和套设在外盒腔体内并可沿外盒腔体上下移动的内盒腔体，内、外盒腔体之间还夹设有弹簧；还包括螺栓，所述螺栓从下至上依次贯穿连接板、上、下被连接件、上顶板经螺母锁紧，所述上顶板和螺母之间设置有一垫板，所述螺栓包括一呈圆柱形橡胶、螺栓头和带头部的螺杆，所述橡胶两端分别经花键与螺栓头和螺杆头部相连，所述橡胶上套设有与所述花键配合的套筒；还包括一加载机构，所述加载机构包括套设在立柱上并可沿立柱上下移动的加载板，所述加载板中部设置有让上、下被连接件穿过的通孔，所述加载板的两侧分别设置有带滑槽的上滑槽板，所述连接板的两侧分别设置有带滑槽的下滑槽板，上、下滑槽板之间设置有中部交叉铰接的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的上端铰接有子母螺钉，所述子母螺钉在一侧的上滑槽板的滑槽内移动，所述第一连杆的下端铰接在另一侧的下滑槽板上，所述第二连杆的下端铰接有滑块，所述滑块在一侧的下滑槽板的滑槽内移动，所述第二连杆的上端铰接在另一侧的上滑槽板上，所述底板上还设置有带螺母的丝杆，所述螺母上设置有与滑块相连接的横杆。 

进一步的，所述橡胶的弹性系数大于所述弹簧的弹性系数。 

进一步的，所述上、下被连接件之间贴设有第一压力传感器，所述垫板和上顶板之间贴设有第二压力传感器，所述上顶板和加载板之间贴设有第三压力传感器，所述顶板上分别设有对螺栓、上顶板和被连接件进行测距的超声波传感器，所述底板上设置有连接第一、第二、第三压力传感器和超声波传感器的控制电路板，所述一侧的下滑槽板上还设置有显示压力和距离的液晶显示屏，所述控制电路板的输出端与所述液晶显示屏的输入端电连接。 

进一步的，所述丝杆的一端连接有转动丝杆的手柄。 

为了解决上述技术问题，本发明的一种技术方案是：一种如上述的橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪使用方法，按以下步骤进行： 

（1）接通电源，启动开关；

（2）调整螺母，使螺栓处于未拧紧状态，加载机构调至最低位置，调整好超声波传感器位置；

（3）测出并记录初始被连接件的初始厚度和螺栓初始总长；

（4）开始缓慢拧紧螺栓，预紧到一定程度，测出并记录螺栓总载荷，螺栓预紧力，被连接件的厚度，螺栓总长；

（5）旋转手柄，使加载机构向上运动对螺栓进行轴向加载，观察显示屏的数据变化，施加到一定载荷后，停止加载，将测出并记录螺栓总载荷，螺栓预紧力，施加载荷，被连接件的厚度和螺栓总长；

（6）关闭电源，卸载螺栓，返回加载机构，结束操作。

本发明的设计构想：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，利用大弹性系数的螺栓代替螺杆来放大螺栓的变形量，小弹性系数的弹簧代替被连接件来降低被连联接件的刚度。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，直观显示出弹性变形量、拉力以及压力值的变化。 

将螺杆分成四部分，上下部分为花键的结构，中间利用橡胶连接起来，橡胶外边采用内部设计成与花键相配合的套筒，够使螺母在拧紧过程中螺杆的扭转应力和拉应力的分开，从而保证橡胶螺杆在中心线位置不偏离，同时整个框架外围用四根立柱与直线轴承配合来保持橡胶变形量一致，且这样制作出来的螺栓更为美观。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。 

同时，由于被连接件在螺栓预紧过程中的变形量不易被观察出来，因此需要降低被连接件的刚度。 

本发明的公式推导： 

用大弹性系数的橡胶替代螺栓，小弹性系数弹簧替代被连接件，两者都在满足胡克定律的范围内。设螺栓为橡胶B,刚度为C_b，被连接件为弹簧M,刚度为C_m。

状态1：螺母未拧紧状态，此时橡胶和弹簧都处在自由状态；                                    

状态2：螺母预紧状态，螺母在拧紧过程中对弹簧M施加压力，弹簧M被压缩长度为λm；橡胶B由于螺母向下拧紧，受到向上的力而被拉伸,伸长量为λb；弹簧M所受到的压力和橡胶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B在状态2的基础上被继续拉长，橡胶B的伸长量为Δλ，拉力增加到F₂；而弹簧M压力减小到F₁ (残余预紧力)，其减小量为：Δλ×C_m =F₁- F₀；所要求的螺栓受到的总拉力为：F₂=F₀+Δλ×C_b；

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B的伸长量和弹簧M的压缩量相等，都为Δλ，

Δλ= (F₂- F₀)/C_b= (F₀- F₁)/C_m（2）

联立得出结论：

F₁= F₀- [C_m/( C_b+ C_m)]×F；

F₂= F₀+[C_b/( C_b+ C_m)]×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。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构简单，易于操作，通过利用大弹性系数的橡胶代替螺杆来放大螺栓的变形量，小弹性系数弹簧代替被连接件来降低被连接件的刚度；采用等效替代与放大的方法，使得本发明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；有效的帮助学生更好的理解课本理论。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。 

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。 

图1为本发明实施例的结构示意图； 

图2为本发明实施例螺栓的构造示意图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为本发明实施例中加载机构的构造示意图。

图中标号说明： 

    1-螺柱；2-螺母；3-垫板；4-套筒；5-橡胶；6-螺栓头；7-底板；8-立柱；9-顶板；10-连接板；11-上顶板；12-下被连接件；13-上被连接件；14-弹簧；15-加载板；16-第一连接杆；17-第二连接杆；18-上滑槽板；19-下滑槽板；20-滑块；21-子母螺钉；22-丝杆；23、第二螺母；24手柄；25-第一压力传感器；26-第二压力传感器；27-第三压力传感器；28-超声波传感器；29-控制电路板；30-液晶显示屏；31-横杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 

实施例一：如图1～4所示，一种橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪，包括一底板7，所述底板7的两侧分别固设有立柱8，所述立柱8顶部固定连接有一顶板9，所述底板7上方设置有固定在立柱8上的连接板10，所述连接板10上方设置有套设在立柱8上并可沿立柱8上下移动的上顶板11，所述连接板10与上顶板11之间设置有对称安装的上、下被连接件12，所述上、下被连接件12均包括外盒腔体和套设在外盒腔体内并可沿外盒腔体上下移动的内盒腔体，内、外盒腔体之间还夹设有弹簧14；还包括螺栓，所述螺栓从下至上依次贯穿连接板10、上、下被连接件12、上顶板11经螺母2锁紧，所述上顶板11和螺母2之间设置有一垫板3，所述螺栓包括一呈圆柱形橡胶5、螺栓头6和带头部的螺杆1，所述橡胶两端分别经花键与螺栓头6和螺杆1头部相连，所述橡胶5上套设有与所述花键配合的套筒4；还包括一加载机构，所述加载机构包括套设在立柱上并可沿立柱上下移动的加载板15，所述加载板15中部设置有让上、下被连接件12穿过的通孔，所述加载板15的两侧分别设置有带滑槽的上滑槽板18，所述连接板的两侧分别设置有带滑槽的下滑槽板19，上、下滑槽板19之间设置有中部交叉铰接的第一连杆16和第二连杆17，所述第一连杆16的上端铰接有子母螺钉21，所述子母螺钉21在一侧的上滑槽板18的滑槽内移动，所述第一连杆16的下端铰接在另一侧的下滑槽板19上，所述第二连杆17的下端铰接有滑块20，所述滑块20在一侧的下滑槽板19的滑槽内移动，所述第二连杆17的上端铰接在另一侧的上滑槽板上18，所述底板7上还设置有带第二螺母23的丝杆22，所述第二螺母23上设置有与滑块20相连接的横杆31。 

本实施例中，所述橡胶5的弹性系数大于所述弹簧14的弹性系数。 

本实施例中，所述上、下被连接件12之间贴设有第一压力传感器25，所述垫板3和上顶板11之间贴设有第二压力传感器26，所述上顶板11和加载板15之间贴设有第三压力传感器27，所述9顶板上分别设有对螺栓、上顶板11和被连接件进行测距的超声波传感器28，所述底板7上设置有连接第一、第二、第三压力传感器和超声波传感器28的控制电路板29，所述一侧的下滑槽板19上还设置有显示压力和距离的液晶显示屏30，所述控制电路板29的输出端与所述液晶显示屏30的输入端电连接。 

本实施例中，所述丝杆22的一端连接有转动丝杆的手柄24。 

一种如上述的橡胶代替螺栓受轴向拉伸变形的载荷分析仪使用方法，按以下步骤进行： 

（1）接通电源，启动开关；

（2）调整螺母，使螺栓处于未拧紧状态，加载机构调至最低位置，调整好超声波传感器位置；

（3）测出并记录初始被连接件的初始厚度L₁和螺栓初始总长L₂；

（4）开始缓慢拧紧螺栓，预紧到一定程度，测出并记录螺栓总载荷F₁，螺栓预紧力F₀，被连接件的厚度L₁，螺栓总长L₂；

（5）旋转手柄，使加载机构向上运动对螺栓进行轴向加载，观察显示屏的数据变化，施加到一定载荷后，停止加载，将测出并记录螺栓总载荷F₁，螺栓预紧力F₀，施加载荷F₀，被连接件的厚度L₁和螺栓总长L₂；

（6）关闭电源，卸载螺栓，返回加载机构，结束操作。

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。