一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀的製作方法

2023-11-01 14:27:27

一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀及使用方法，便於直觀演示緊螺栓聯接軸向加載過程中力的變化，本裝置通過橡膠替代螺栓、在被連接件中設置海綿進行軸向加載的實驗分析，運用替代與放大的方法，在滿足胡克定律的情況下，用彈性係數的海綿替代被連接件受壓，大彈性係數的橡膠代替螺杆，放大了原本螺栓受載荷後的微小變形，並將蝸杆傳動與兩組齒輪齒條機構結合設計成加載機構，來達到施加載荷的目的。本裝置不僅成本低，體積小，而且便於攜帶，易於操作。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，從而達到教師更好教學和學生更好掌握理論知識的目的。
【專利說明】一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種橡膠代替螺栓的緊螺栓受軸向拉伸變形的載荷分析儀。

【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，而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。 實用新型內容
[0003] 本實用新型的目的是針對以上不足之處，提供了一種海綿代替被連接件的螺栓受 軸向拉伸的載荷演示儀，實現直觀演示緊螺栓聯接軸向加載的過程。
[0004] 本實用新型解決技術問題所採用的方案為：一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向 拉伸的載荷演示儀，包括一底板，所述底板的兩側分別固設有立柱，所述立柱頂部固定連接 有一頂板，所述底板上方設置有固定在立柱上的連接板，所述連接板上方設置有套設在立 柱上並可沿立柱上下移動的上頂板，所述連接板與上頂板之間設置有對稱安裝的上、下被 連接件，所述上、下被連接件均包括外盒腔體和套設在外盒腔體內並可沿外盒腔體上下移 動的內盒腔體，內、外盒腔體之間還布設有海綿；還包括螺栓，所述螺栓從下至上依次貫穿 連接板、上、下被連接件、上頂板經螺母鎖緊，所述上頂板和螺母之間設置有一墊板，所述螺 栓包括一呈圓柱形橡膠、螺栓頭和帶頭部的螺杆，所述橡膠兩端分別經花鍵與螺栓頭和螺 桿頭部相連，所述橡膠上套設有與所述花鍵配合的套筒；還包括一加載機構，所述加載機構 包括套設在立柱上並可沿立柱上下移動的加載板，所述加載板中部設置有讓上、下被連接 件穿過的通孔，所述加載板的兩側分別設置有帶齒條的堅杆，所述底板上還設置有蝸輪蝸 杆，所述渦輪的兩側均設置有與渦輪同軸連接的齒輪，所述齒輪分別與同側的齒條相咬合。
[0005] 進一步的，所述橡膠的彈性係數大於所述海綿的彈性係數。
[0006] 進一步的，所述連接板的兩側分別設置有帶滑槽的下滑槽板，該滑槽內設置有在 滑槽內上下移動的子母螺釘，所述堅杆的下部與子母螺釘相連接。
[0007] 進一步的，所述上、下被連接件之間貼設有第一壓力傳感器，所述墊板和上頂板之 間貼設有第二壓力傳感器，所述上頂板和加載板之間貼設有第三壓力傳感器，所述頂板上 分別設有對螺栓、上頂板和被連接件進行測距的超聲波傳感器，所述底板上設置有連接第 一、第二、第三壓力傳感器和超聲波傳感器的控制電路板，所述一側的下滑槽板上還設置有 顯示壓力和距離的液晶顯示屏，所述控制電路板的輸出端與所述液晶顯示屏的輸入端電連 接。
[0008] 進一步的，所述蝸杆的一端連接有轉動絲杆的手柄。
[0009] 本實用新型的設計構想：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，利用大彈性係數 的橡膠代替螺杆來放大螺栓的變形量，小彈性係數的海綿代替被連接件來降低被連聯接件 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，直觀顯示出彈性變形量、拉力以及壓力值的變化。
[0010] 將螺杆分成四部分，上下部分為花鍵的結構，中間利用橡膠連接起來，橡膠外邊採 用內部設計成與花鍵相配合的套筒，夠使螺母在擰緊過程中螺杆的扭轉應力和拉應力的分 開，從而保證橡膠螺杆在中心線位置不偏離，同時整個框架外圍用四根立柱與直線軸承配 合來保持橡膠變形量一致，且這樣製作出來的螺栓更為美觀。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。
[0011] 同時，由於被連接件在螺栓預緊過程中的變形量不易被觀察出來，因此需要降低 被連接件的剛度。採用海綿替代被連接件受壓，將被連接件設計成上下對稱的兩部分，所 述上、下被連接件均包括外盒腔體和套設在外盒腔體內並可沿外盒腔體上下移動的內盒腔 體，內、外盒腔體之間還布設有海綿，可以較好的降低被連接件的剛度。
[0012] 本實用新型的公式推導：
[0013] 用大彈性係數的橡膠替代螺栓，小彈性係數海綿替代被連接件，兩者都在滿足胡 克定律的範圍內。設螺栓為橡膠B，剛度為Cb，被連接件為海綿M，剛度為C m。
[0014] 狀態1 :螺母未擰緊狀態，此時橡膠和海綿都處在自由狀態；
[0015] 狀態2 :螺母預緊狀態，螺母在擰緊過程中對海綿M施加壓力，海綿M被壓縮長度 為Am;橡膠B由於螺母向下擰緊，受到向上的力而被拉伸，伸長量為Ab;海綿M所受到的 壓力和橡膠B受到的拉力大小均為預緊力F tl;
[0016] 狀態3 :施加拉伸載荷F後的狀態，這時橡膠B在狀態2的基礎上被繼續拉長，橡 膠B的伸長量為Λ λ，拉力增加到F2;而海綿M壓力減小到F1 (殘餘預緊力），其減小量為： Δ λ XCm =F1- Ftl;所要求的螺栓受到的總拉力為：F2=FQ+A λ XCb;
[0017] 此時，聯接螺母在狀態3時的受力平衡條件為：F2=F+ F1 (I);
[0018] 因為在狀態2到狀態3中，橡膠B的伸長量和海綿M的壓縮量相等，都為Λ λ，
[0019] Δ λ= (F2- F0)/Cb= (F0- F1)/Cm (2)
[0020] 聯立得出結論：
[0021] F1= F0- [Cffl/( Cb+ Cffl)] XF ；
[0022] F2= F〇+[Cb/( Cb+ Cm)]XF；
[0023] 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。
[0024] 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：本實用新型結構簡單，易於操 作，通過利用大彈性係數的橡膠代替螺杆來放大螺栓的變形量，小彈性係數海綿代替被連 接件來降低被連接件的剛度；採用等效替代與放大的方法，使得本實用新型能夠直觀的演 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；有效的幫助學生更好的理解課本 理論。
[0025] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步詳細的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 下面結合附圖對本實用新型專利進一步說明。
[0027] 圖1為本實用新型實施例的結構示意圖；
[0028] 圖2為本實用新型實施例螺栓的構造示意圖；
[0029] 圖3為圖2中A-A剖視圖；
[0030] 圖4為本實用新型實施例中加載機構的構造示意圖。
[0031 ] 圖中標號說明：
[0032] I-螺杆；2_螺母；3_墊板；4_套筒；5_橡膠；6_螺栓頭；7_底板；8_立柱；9_頂板； 10-連接板；11-上頂板；12-下被連接件；13-上被連接件；14-海綿；15-加載板；16-堅板； 17-蝸杆；18-蝸輪；19-齒輪；20-齒條；21-下滑槽板；22-子母螺釘；23-第一壓力傳感 器；24-第二壓力傳感器；25-第三壓力傳感器；26-超聲波傳感器；27-控制電路板；28-液 晶顯不屏；29-手柄。

【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0034] 實施例一：如圖1?4所示，一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示 儀，包括一底板7,所述底板的兩側分別固設有立柱8,所述立柱8頂部固定連接有一頂板9， 所述底板7上方設置有固定在立柱8上的連接板10,所述連接板10上方設置有套設在立柱 8上並可沿立柱8上下移動的上頂板11，所述連接板10與上頂板11之間設置有對稱安裝 的上被連接件13、下被連接件12,所述上、下被連接件均包括外盒腔體和套設在外盒腔體 內並可沿外盒腔體上下移動的內盒腔體，內、外盒腔體之間還布設有海綿14 ;還包括螺栓， 所述螺栓從下至上依次貫穿連接板10、上、下被連接件12、上頂板11經螺母2鎖緊，所述上 頂板11和螺母2之間設置有一墊板3,所述螺栓包括一呈圓柱形橡膠5、螺栓頭6和帶頭部 的螺杆1，所述橡膠兩端分別經花鍵與螺栓頭6和螺杆1頭部相連，所述橡膠5上套設有與 所述花鍵配合的套筒4 ;還包括一加載機構，所述加載機構包括套設在立柱8上並可沿立柱 8上下移動的加載板15,所述加載板15中部設置有讓上、下被連接件穿過的通孔，所述加載 板的兩側分別設置有帶齒條20的堅杆16,所述底板7上還設置有蝸輪18蝸杆17,所述渦 輪18的兩側均設置有與渦輪18同軸連接的齒輪19,所述齒輪19分別與同側的齒條20相 咬合。
[0035] 本實施例中，所述橡膠5的彈性係數大於所述海綿14的彈性係數。
[0036] 本實施例中，所述連接板10的兩側分別設置有帶滑槽的下滑槽板21，該滑槽內設 置有在滑槽內上下移動的子母螺釘22,所述堅杆16的下部與子母螺釘22相連接。
[0037] 本實施例中，所述上、下被連接件12之間貼設有第一壓力傳感器23,所述墊板3和 上頂板11之間貼設有第二壓力傳感器24,所述上頂板11和加載板15之間貼設有第三壓力 傳感器25,所述頂板9上分別設有對螺栓、上頂板11和被連接件進行測距的超聲波傳感器 26, 所述底板7上設置有連接第一、第二、第三壓力傳感器和超聲波傳感器26的控制電路板 27, 所述一側的下滑槽板21上還設置有顯示壓力和距離的液晶顯示屏28,所述控制電路板 27的輸出端與所述液晶顯示屏28的輸入端電連接。
[0038] 本實施例中，所述蝸杆17的一端連接有轉動絲杆的手柄29。
[0039] -種如上述的海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，使用方法，按 以下步驟進行：
[0040] (1)接通電源，啟動開關；
[0041] (2)調整螺母，使螺栓處於未擰緊狀態，加載機構調至最低位置，調整好超聲波傳 感器位置；
[0042] (3)測出並記錄初始被連接件的初始厚度LJP螺栓初始總長L 2;
[0043] (4)開始緩慢擰緊螺栓，預緊到一定程度，測出並記錄螺栓總載荷F1，螺栓預緊力 Ftl，被連接件的厚度L1，螺栓總長L2;
[0044] (5)旋轉手柄，使加載機構向上運動對螺栓進行軸向加載，觀察顯示屏的數據變 化，施加到一定載荷後，停止加載，將測出並記錄螺栓總載荷F 1，螺栓預緊力Ftl，施加載荷 F。，被連接件的厚度L1和螺栓總長L 2;
[0045] (6)關閉電源，卸載螺栓，返回加載機構，結束操作。
[0046]

【權利要求】
1. 一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，其特徵在於：包括一底 板，所述底板的兩側分別固設有立柱，所述立柱頂部固定連接有一頂板，所述底板上方設置 有固定在立柱上的連接板，所述連接板上方設置有套設在立柱上並可沿立柱上下移動的上 頂板，所述連接板與上頂板之間設置有對稱安裝的上、下被連接件，所述上、下被連接件均 包括外盒腔體和套設在外盒腔體內並可沿外盒腔體上下移動的內盒腔體，內、外盒腔體之 間還布設有海綿；還包括螺栓，所述螺栓從下至上依次貫穿連接板、上、下被連接件、上頂板 經螺母鎖緊，所述上頂板和螺母之間設置有一墊板，所述螺栓包括一呈圓柱形橡膠、螺栓頭 和帶頭部的螺杆，所述橡膠兩端分別經花鍵與螺栓頭和螺桿頭部相連，所述橡膠上套設有 與所述花鍵配合的套筒；還包括一加載機構，所述加載機構包括套設在立柱上並可沿立柱 上下移動的加載板，所述加載板中部設置有讓上、下被連接件穿過的通孔，所述加載板的兩 側分別設置有帶齒條的豎杆，所述底板上還設置有蝸輪蝸杆，潤輪的兩側均設置有與潤輪 同軸連接的齒輪，所述齒輪分別與同側的齒條相咬合。
2. 根據權利要求1所述的一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，其 特徵在於；所述橡膠的彈性係數大於所述海綿的彈性係數。
3. 根據權利要求1所述的海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，其特徵 在於：所述連接板的兩側分別設置有帶滑槽的下滑槽板，該滑槽內設置有在滑槽內上下移 動的子母螺釘，所述豎杆的下部與子母螺釘相連接。
4. 根據權利要求3所述的一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，其 特徵在於；所述上、下被連接件之間貼設有第一壓力傳感器，所述墊板和上頂板之間貼設有 第二壓力傳感器，所述上頂板和加載板之間貼設有第H壓力傳感器，所述頂板上分別設有 對螺栓、上頂板和被連接件進行測距的超聲波傳感器，所述底板上設置有連接第一、第二、 第H壓力傳感器和超聲波傳感器的控制電路板，所述一側的下滑槽板上還設置有顯示壓力 和距離的液晶顯示屏，所述控制電路板的輸出端與所述液晶顯示屏的輸入端電連接。
5. 根據權利要求1所述的一種海綿代替被連接件的螺栓受軸向拉伸的載荷演示儀，其 特徵在於；所述蝸杆的一端連接有轉動絲杆的手柄。
【文檔編號】G09B25/02GK204229741SQ201420705115
【公開日】2015年3月25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, 羅龍和, 鍾壽洋 申請人:福建農林大學