一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法
2023-05-15 02:06:16 3
一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法
【專利摘要】本發明涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板和豎設於基板兩側的導杆，基板上側固連有連接板，連接板上方設有加載板，加載板上方設有頂板；頂板與連接板之間夾設有上、下被聯接件，上、下被聯接件均包括外件和內件，內件套於所述外件內腔並可相對外件上、下運動，內、外件之間還夾設有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯接件、加載板和頂板後由螺母鎖緊；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯接件之間夾設有稱重傳感器。同時，本發明還涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法。本發明教具不僅成本低，體積小，便於攜帶，而且操作方便，教學效果好。
【專利說明】 一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法，屬於教學用具領域。
【背景技術】
[0002]螺栓聯接是緊固件聯接中最基本的一種結構形式，而緊螺栓聯接是最常見的，被廣泛的應用在現代工業當中。如何很好的理解和掌握緊螺栓聯接軸向加載的整個動態過程的這部分知識來更好設計螺栓和使用螺栓就具有很重大的意義。但是由於螺栓施加載荷後的變形量很小，且這部分的理論知識比較抽象，難以被學習者所理解。現有的緊螺栓聯接教學儀器尚無能夠直觀演示從施加預緊力到施加載荷的整個變化過程。
【發明內容】
[0003]有鑑於此，本發明的目的是提供一種成本低，體積小，便於攜帶，而且操作方便的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法。
[0004]本發明採用以下方案實現:一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板和豎設於基板兩側的導杆，所述基板上側固連有連接板，所述連接板上方設有可沿導杆上、下滑動的加載板，加載板上方設有可沿導杆上、下滑動的頂板；所述頂板與連接板之間夾設有上、下對稱設置的上、下被聯接件，所述上、下被聯接件均包括外件和內件，所述內件套於所述外件內腔並可相對外件上、下運動，所述加載板上開設有以利上被聯接件穿過的中孔，內、外件之間還夾設有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，所述橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯接件、加載板和頂板後由螺母鎖緊；所述橡膠螺栓上還套設有位於螺母下方的墊圈；所述加載板前、後側與基板之間分別連接有斜置的第一連杆，所述第一連杆上端與加載板對應側側部相鉸接，第一連杆下端與一滑塊相鉸接，所述滑塊嵌設於基板上對應側的沿橫向設置的第一導槽內並可相對第一導槽左、右滑動；所述基板側部橫設有用以驅動滑塊滑動的絲杆。
[0005]進一步的，所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯接件之間夾設有稱重傳感器。
[0006]進一步的，所述加載板前、後側與基板之間分別還連接有與第一連杆交叉設置的第二連杆，所述第二連杆下端與基板對應側側部相鉸接，第一連杆與第二連杆的交叉部相鉸接，第二連杆上端與一子母螺釘相鉸接，所述子母螺釘穿設於加載板上對應側的沿橫向設置的第二導槽內並可相對第二導槽左、右滑動。
[0007]進一步的，還包括遊標卡尺，所述基板內設置有與稱重傳感器電連接的電路板，基板前側設置有顯示屏。
[0008]同時，本發明還提供一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，採用如上所述的一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，並按以下步驟進行:(1)反向旋轉絲杆，將加載板調至最低位置，調整螺母使其處於未擰緊狀態，測出上、下被聯接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預緊到預定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預緊力、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉絲杆，使加載板向上運動對橡膠螺栓進行軸向加載，施加到預定載荷後，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘餘預緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉絲杆卸載，操作完成。
[0009]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:不僅成本低，體積小，便於攜帶，而且便於操作，教師可以直接在課堂操作，直觀演示緊螺栓聯接軸向加載整個過程，將抽象的知識具體化，能夠動態演示從施加預緊力到施加載荷的整個變化過程，從而達到教師更好教學和學生更好掌握理論知識的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明實施例構造示意圖；
圖2是本發明實施例中橡膠螺栓構造示意圖；
圖中標號說明:1-橡膠螺栓、2-螺母、3-墊圈、4-遊標卡尺、5-固定板、6-導杆、7-稱重傳感器、8-頂板、9-加載板、10-子母螺釘、11-第二連杆、12-第一連杆、13-加載手柄、14-絲杆、15-滑塊、16-基板、17-電路板、18-顯示屏、19-連接板、20-內件、21-外件、22-海綿墊、23-夾板。
【具體實施方式】
[0011]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將通過具體實施例和相關附圖，對本發明作進一步詳細說明。
[0012]如圖f 2所示，一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板16和豎設於基板16兩側的導杆6，導杆6上端還連接有固定板5，所述基板上側固連有連接板19，所述連接板19上方設有可沿導杆6上、下滑動的加載板9，加載板9上方設有可沿導杆6上、下滑動的頂板8 ;所述頂板8與連接板19之間夾設有上、下對稱設置的上、下被聯接件，所述加載板9上開設有以利上被聯接件穿過的中孔，所述上、下被聯接件均包括外件21和內件20，所述內件20套於所述外件21內腔並可相對外件21上、下運動，上被聯接件的內件固連於頂板8下側，下被聯接件的內件固連於連接板19上側，內、外件(20、21)之間還夾設有海綿墊22 ;採用海綿墊22替代被聯接件受壓，可以較好的降低被聯接件的剛度。
[0013]還包括倒置的橡膠螺栓1，橡膠螺栓I為大螺距橡膠螺栓，這樣既保證螺栓原本的結構，又能使其在加載過程中將原有的微小的變形量進行放大，並能夠被觀察出來，起到較好的演示效果。所述橡膠螺栓I由下往上依次穿過連接板19、上、下被聯接件、加載板9和頂板8後由螺母2鎖緊；所述橡膠螺栓I上還套設有位於螺母2下方的墊圈3 ;所述墊圈3和頂板8之間、頂板8與加載板9之間以及上、下被聯接件之間夾設有稱重傳感器7，運用替代與放大的方法，在滿足胡克定律的情況下，用大螺距橡膠螺栓I與小勁度係數彈性元件代替螺栓聯接件與被連接件受力，放大了原本螺栓與被聯接件受載荷後的微小變形，使其能夠被直接觀察出來。
[0014]在本實施例中，加載板9前、後側與基板16之間分別連接有斜置的第一連杆12，所述第一連杆12上端與加載板9對應側側部相鉸接，第一連杆12下端與一滑塊15相鉸接，所述滑塊15嵌設於基板16上對應側的沿橫向設置的第一導槽內並可相對第一導槽左、右滑動；所述基板16側部設有驅動滑塊15滑動的絲杆14，所述基板16內部設有套於絲杆14上的螺母，該螺母與滑塊15通過連接杆固連，所述絲杆14端部設有加載手柄13，通過轉動加載手柄13，經絲杆14和滑塊15驅動第一連杆12下端滑動，進而驅動加載板9升降實現加載與卸載。
[0015]在本實施例中，為了使加載機構受力平衡，所述加載板9前、後側與基板16之間分別還連接有與第一連杆12交叉設置的第二連杆11，所述第二連杆11下端與基板16對應側側部相鉸接，第一連杆12與第二連杆11的交叉部相鉸接，第二連杆11上端與一子母螺釘10相鉸接，所述子母螺釘10穿設於加載板9上對應側的沿橫向設置的第二導槽內並可相對第二導槽左、右滑動。
[0016]在本實施例中，還包括用以測量變形長度的遊標卡尺4 ;所述基板16內設置有與稱重傳感器7電連接的電路板17，基板16前側設置有顯示屏18，利用遊標卡尺4以及由單片機控制的稱重傳感器，測出不同狀態下被聯接件的壓力值與壓縮量、螺栓的長度以及拉力，並將採集到的信息傳送至液晶顯示屏上，直觀演示出螺母、預緊、施加載荷的整個動態變化的過程中螺杆載荷的變化。
[0017]本發明的工作原理:
為了使所設計的分析儀能夠直觀的演示緊螺栓聯接軸向加載從未擰緊螺母到施加軸向載荷的整個動態過程，同時能夠直觀看出螺栓形變量並通過數值顯示出施加載荷和預緊力的變化，為此採用等效替代與放大的方法，利用橡膠螺栓來放大螺栓的變形量，小勁度係數海綿代替被連接件來降低被連接件的剛度。考慮到老師教學過程中與同學互動更容易進行，採用手動操作的方式，同時採用數顯模塊直觀顯示出拉、壓力值的變化。
[0018]採用這樣的等效替代與放大的方法來設計螺栓結構，既要保證螺栓原本的結構，又能使其在加載過程中將原有的微小的變形量進行放大，使得教具在演示過程中的變形量能夠觀察出來，起到較好的演示效果。
[0019]用橡膠螺栓替代螺栓，小勁度係數海綿墊替代被連接件，兩者都在滿足胡克定律的範圍內。設橡膠螺栓為B，剛度為Cb，被聯接件為海綿墊M，剛度為Cm。
[0020]狀態1:螺母未擰緊狀態，此時橡膠螺栓和海綿墊都處在自由狀態；
狀態2:螺母預緊狀態，螺母在擰緊過程中對海綿墊M施加壓力，海綿墊M被壓縮長度為Am;橡膠螺栓B由於螺母向下擰緊，受到向上的力而被拉伸，伸長量為Xb;海綿墊M所受到的壓力和橡膠螺栓B受到的拉力大小均為預緊力F。；
狀態3:施加拉伸載荷F後的狀態，這時橡膠螺栓B在狀態2的基礎上被繼續拉長，橡膠螺栓B的伸長量為Λ λ，拉力增加到F2;而海綿墊M壓力減小到F1 (殘餘預緊力)，其減小量為:Δ λ *Cm =F「Ftl ;所要求的橡膠螺栓B受到的總拉力為T2=Fc^A λ *Cb ；
此時，聯接螺母在狀態3時的受力平衡條件為=F2=F+ F1 (I)；
因為在狀態2到狀態3中，橡膠螺栓B的伸長量和海綿墊M的壓縮量相等，都為Λ入， Λ 入=(F2- F0)/Cb= (F0- F1)/Cffl (2)
聯立得出結論:
F1= F0- [Cffl/( Cb+ Cffl) ]*F；
F2= F0+[Cb/( Cb+ Cffl) ]*F； 最後得出結論與課本中的結論一樣，證明所建立的模型可行。
[0021]一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，採用如上所述的一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，並按以下步驟進行:(1)反向旋轉絲杆，將加載板調至最低位置，調整螺母使其處於未擰緊狀態，測出上、下被聯接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預緊到預定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預緊力、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉絲杆，使加載板向上運動對橡膠螺栓進行軸向加載，施加到預定載荷後，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘餘預緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉絲杆卸載，操作完成。
[0022]在該操作方法中，橡膠螺栓的預緊力和殘餘預緊力由夾於上、下被聯接件之間的稱重傳感器測出；橡膠螺栓的總載荷由夾於墊圈3和頂板8之間的稱重傳感器測出，加載板的施加載荷由夾於頂板8與加載板9之間的稱重傳感器測出，上、下被聯接件的總厚度和橡膠螺栓長度使用遊標卡尺測出。
[0023]上列較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具,其特徵在於:包括基板和豎設於基板兩側的導杆，所述基板上側固連有連接板，所述連接板上方設有可沿導杆上、下滑動的加載板，加載板上方設有可沿導杆上、下滑動的頂板；所述頂板與連接板之間夾設有上、下對稱設置的上、下被聯接件，所述上、下被聯接件均包括外件和內件，所述內件套於所述外件內腔並可相對外件上、下運動，所述加載板上開設有以利上被聯接件穿過的中孔，內、外件之間還夾設有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，所述橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯接件、加載板和頂板後由螺母鎖緊；所述橡膠螺栓上還套設有位於螺母下方的墊圈；所述加載板前、後側與基板之間分別連接有斜置的第一連杆，所述第一連杆上端與加載板對應側側部相鉸接，第一連杆下端與一滑塊相鉸接，所述滑塊嵌設於基板上對應側的沿橫向設置的第一導槽內並可相對第一導槽左、右滑動；所述基板側部橫設有用以驅動滑塊滑動的絲杆；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯接件之間夾設有稱重傳感器。
2.根據權利要求1所述的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，其特徵在於:所述加載板前、後側與基板之間分別還連接有與第一連杆交叉設置的第二連杆，所述第二連杆下端與基板對應側側部相鉸接，第一連杆與第二連杆的交叉部相鉸接，第二連杆上端與一子母螺釘相鉸接，所述子母螺釘穿設於加載板上對應側的沿橫向設置的第二導槽內並可相對第二導槽左、右滑動。
3.根據權利要求1所述的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，其特徵在於:還包括遊標卡尺，所述基板內設置有與稱重傳感器電連接的電路板，基板前側設置有顯示屏。
4.一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，其特徵在於:採用權利要求Γ3中所述的任一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，並按以下步驟進行:(1)反向旋轉絲杆，將加載板調至最低位置，調整螺母使其處於未擰緊狀態，測出上、下被聯接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預緊到預定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預緊力、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉絲杆，使加載板向上運動對橡膠螺栓進行軸向加載，施加到預定載荷後，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘餘預緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉絲杆卸載，操作完成。
【文檔編號】G09B25/02GK104332102SQ201410672233
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月22日 優先權日:2014年11月22日
【發明者】張翔, 鍾壽洋, 羅龍和 申請人:福建農林大學