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制作方法
【專利摘要】本實(shí)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，便于直觀演示緊螺栓聯(lián)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(shè)置海綿進(jìn)行軸向加載的實(shí)驗(yàn)分析，運(yùn)用替代與放大的方法，在滿足胡克定律的情況下，用彈性系數(shù)的海綿替代被連接件受壓，大彈性系數(shù)的橡膠代替螺桿，放大了原本螺栓受載荷后的微小變形，并將蝸桿傳動與兩組齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計成加載機(jī)構(gòu)，來達(dá)到施加載荷的目的。本裝置不僅成本低，體積小，而且便于攜帶，易于操作。教師可以直接在課堂操作，直觀演示緊螺栓聯(lián)接軸向加載整個過程，將抽象的知識具體化，從而達(dá)到教師更好教學(xué)和學(xué)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)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(shù)】
[0002] 螺栓聯(lián)接是緊固件聯(lián)接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，而緊螺栓聯(lián)接是最常見的，被 廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)中。如何很好的理解和掌握緊螺栓聯(lián)接軸向加載的整個動態(tài)過程 的這部分知識來更好設(shè)計螺栓和使用螺栓就具有很重大的意義。但是由于螺栓施加載荷后 的變形量很小，而且這部分的理論知識比較抽象，難以被學(xué)習(xí)者所理解?，F(xiàn)有的緊螺栓聯(lián)接 教學(xué)儀器尚無能夠直觀演示從施加預(yù)緊力到施加載荷的整個變化過程。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 本實(shí)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(shí)現(xiàn)直觀演示緊螺栓聯(lián)接軸向加載的過程。
[0004] 本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的方案為：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(cè)分別固設(shè)有立柱，所述立柱頂部固定連接 有一頂板，所述底板上方設(shè)置有固定在立柱上的連接板，所述連接板上方設(shè)置有套設(shè)在立 柱上并可沿立柱上下移動的上頂板，所述連接板與上頂板之間設(shè)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(shè)在外盒腔體內(nèi)并可沿外盒腔體上下移 動的內(nèi)盒腔體，內(nèi)、外盒腔體之間還布設(shè)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(jīng)螺母鎖緊，所述上頂板和螺母之間設(shè)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桿，所述橡膠兩端分別經(jīng)花鍵與螺栓頭和螺 桿頭部相連，所述橡膠上套設(shè)有與所述花鍵配合的套筒；還包括一加載機(jī)構(gòu)，所述加載機(jī)構(gòu) 包括套設(shè)在立柱上并可沿立柱上下移動的加載板，所述加載板中部設(shè)置有讓上、下被連接 件穿過的通孔，所述加載板的兩側(cè)分別設(shè)置有帶齒條的堅(jiān)桿，所述底板上還設(shè)置有蝸輪蝸 桿，所述渦輪的兩側(cè)均設(shè)置有與渦輪同軸連接的齒輪，所述齒輪分別與同側(cè)的齒條相咬合。
[0005] 進(jìn)一步的，所述橡膠的彈性系數(shù)大于所述海綿的彈性系數(shù)。
[0006] 進(jìn)一步的，所述連接板的兩側(cè)分別設(shè)置有帶滑槽的下滑槽板，該滑槽內(nèi)設(shè)置有在 滑槽內(nèi)上下移動的子母螺釘，所述堅(jiān)桿的下部與子母螺釘相連接。
[0007] 進(jìn)一步的，所述上、下被連接件之間貼設(shè)有第一壓力傳感器，所述墊板和上頂板之 間貼設(shè)有第二壓力傳感器，所述上頂板和加載板之間貼設(shè)有第三壓力傳感器，所述頂板上 分別設(shè)有對螺栓、上頂板和被連接件進(jìn)行測距的超聲波傳感器，所述底板上設(shè)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(cè)的下滑槽板上還設(shè)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(jìn)一步的，所述蝸桿的一端連接有轉(zhuǎn)動絲桿的手柄。
[0009] 本實(shí)用新型的設(shè)計構(gòu)想：為了使所設(shè)計的分析儀能夠直觀的演示緊螺栓聯(lián)接軸向 加載從未擰緊螺母到施加軸向載荷的整個動態(tài)過程，同時能夠直觀看出螺栓形變量并通過 數(shù)值顯示出施加載荷和預(yù)緊力的變化，為此采用等效替代與放大的方法，利用大彈性系數(shù) 的橡膠代替螺桿來放大螺栓的變形量，小彈性系數(shù)的海綿代替被連接件來降低被連聯(lián)接件 的剛度。考慮到老師教學(xué)過程中與同學(xué)互動更容易進(jìn)行，采用手動操作的方式，同時采用數(shù) 顯模塊，直觀顯示出彈性變形量、拉力以及壓力值的變化。
[0010] 將螺桿分成四部分，上下部分為花鍵的結(jié)構(gòu)，中間利用橡膠連接起來，橡膠外邊采 用內(nèi)部設(shè)計成與花鍵相配合的套筒，夠使螺母在擰緊過程中螺桿的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和拉應(yīng)力的分 開，從而保證橡膠螺桿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，且這樣制作出來的螺栓更為美觀。采用這樣的等效替代與放大 的方法來設(shè)計螺栓結(jié)構(gòu)，既要保證螺栓原本的結(jié)構(gòu)，又能使其在加載過程中將原有的微小 的變形量進(jìn)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，由于被連接件在螺栓預(yù)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。采用海綿替代被連接件受壓，將被連接件設(shè)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(shè)在外盒腔體內(nèi)并可沿外盒腔體上下移動的內(nèi)盒腔 體，內(nèi)、外盒腔體之間還布設(shè)有海綿，可以較好的降低被連接件的剛度。
[0012] 本實(shí)用新型的公式推導(dǎo)：
[0013] 用大彈性系數(shù)的橡膠替代螺栓，小彈性系數(shù)海綿替代被連接件，兩者都在滿足胡 克定律的范圍內(nèi)。設(shè)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(tài)1 :螺母未擰緊狀態(tài)，此時橡膠和海綿都處在自由狀態(tài)；
[0015] 狀態(tài)2 :螺母預(yù)緊狀態(tài)，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由于螺母向下擰緊，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(yù)緊力F tl;
[0016] 狀態(tài)3 :施加拉伸載荷F后的狀態(tài)，這時橡膠B在狀態(tài)2的基礎(chǔ)上被繼續(xù)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 (殘余預(yù)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(lián)接螺母在狀態(tài)3時的受力平衡條件為：F2=F+ F1 (I);
[0018] 因?yàn)樵跔顟B(tài)2到狀態(tài)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(lián)立得出結(jié)論：
[0021] F1= F0- [Cffl/( Cb+ Cffl)] XF ；
[0022] F2= F〇+[Cb/( Cb+ Cm)]XF；
[0023] 最后得出結(jié)論與課本中的結(jié)論一樣，證明所建立的模型可行。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果：本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，易于操 作，通過利用大彈性系數(shù)的橡膠代替螺桿來放大螺栓的變形量，小彈性系數(shù)海綿代替被連 接件來降低被連接件的剛度；采用等效替代與放大的方法，使得本實(shí)用新型能夠直觀的演 示緊螺栓聯(lián)接軸向加載從未擰緊螺母到施加軸向載荷的整個動態(tài)過程，同時能夠直觀看出 螺栓形變量并通過數(shù)值顯示出施加載荷和預(yù)緊力的變化；有效的幫助學(xué)生更好的理解課本 理論。
[0025] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型專利進(jìn)一步說明。
[0027] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例螺栓的構(gòu)造示意圖；
[0029] 圖3為圖2中A-A剖視圖；
[0030] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中加載機(jī)構(gòu)的構(gòu)造示意圖。
[0031 ] 圖中標(biāo)號說明：
[0032] I-螺桿；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(jiān)板； 17-蝸桿；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(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0034] 實(shí)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(cè)分別固設(shè)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(shè)置有固定在立柱8上的連接板10,所述連接板10上方設(shè)置有套設(shè)在立柱 8上并可沿立柱8上下移動的上頂板11，所述連接板10與上頂板11之間設(shè)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(shè)在外盒腔體 內(nèi)并可沿外盒腔體上下移動的內(nèi)盒腔體，內(nèi)、外盒腔體之間還布設(shè)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(jīng)螺母2鎖緊，所述上 頂板11和螺母2之間設(shè)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 的螺桿1，所述橡膠兩端分別經(jīng)花鍵與螺栓頭6和螺桿1頭部相連，所述橡膠5上套設(shè)有與 所述花鍵配合的套筒4 ;還包括一加載機(jī)構(gòu)，所述加載機(jī)構(gòu)包括套設(shè)在立柱8上并可沿立柱 8上下移動的加載板15,所述加載板15中部設(shè)置有讓上、下被連接件穿過的通孔，所述加載 板的兩側(cè)分別設(shè)置有帶齒條20的堅(jiān)桿16,所述底板7上還設(shè)置有蝸輪18蝸桿17,所述渦 輪18的兩側(cè)均設(shè)置有與渦輪18同軸連接的齒輪19,所述齒輪19分別與同側(cè)的齒條20相 咬合。
[0035] 本實(shí)施例中，所述橡膠5的彈性系數(shù)大于所述海綿14的彈性系數(shù)。
[0036] 本實(shí)施例中，所述連接板10的兩側(cè)分別設(shè)置有帶滑槽的下滑槽板21，該滑槽內(nèi)設(shè) 置有在滑槽內(nèi)上下移動的子母螺釘22,所述堅(jiān)桿16的下部與子母螺釘22相連接。
[0037] 本實(shí)施例中，所述上、下被連接件12之間貼設(shè)有第一壓力傳感器23,所述墊板3和 上頂板11之間貼設(shè)有第二壓力傳感器24,所述上頂板11和加載板15之間貼設(shè)有第三壓力 傳感器25,所述頂板9上分別設(shè)有對螺栓、上頂板11和被連接件進(jìn)行測距的超聲波傳感器 26, 所述底板7上設(shè)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(cè)的下滑槽板21上還設(shè)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(shí)施例中，所述蝸桿17的一端連接有轉(zhuǎn)動絲桿的手柄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(jìn)行：
[0040] (1)接通電源，啟動開關(guān)；
[0041] (2)調(diào)整螺母，使螺栓處于未擰緊狀態(tài)，加載機(jī)構(gòu)調(diào)至最低位置，調(diào)整好超聲波傳 感器位置；
[0042] (3)測出并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(yù)緊到一定程度，測出并記錄螺栓總載荷F1，螺栓預(yù)緊力 Ftl，被連接件的厚度L1，螺栓總長L2;
[0044] (5)旋轉(zhuǎn)手柄，使加載機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動對螺栓進(jìn)行軸向加載，觀察顯示屏的數(shù)據(jù)變 化，施加到一定載荷后，停止加載，將測出并記錄螺栓總載荷F 1，螺栓預(yù)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(guān)閉電源，卸載螺栓，返回加載機(jī)構(gòu)，結(jié)束操作。
[0046]
【權(quán)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，其特征在于：包括一底 板，所述底板的兩側(cè)分別固設(shè)有立柱，所述立柱頂部固定連接有一頂板，所述底板上方設(shè)置 有固定在立柱上的連接板，所述連接板上方設(shè)置有套設(shè)在立柱上并可沿立柱上下移動的上 頂板，所述連接板與上頂板之間設(shè)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(shè)在外盒腔體內(nèi)并可沿外盒腔體上下移動的內(nèi)盒腔體，內(nèi)、外盒腔體之 間還布設(shè)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(jīng)螺母鎖緊，所述上頂板和螺母之間設(shè)置有一墊板，所述螺栓包括一呈圓柱形橡膠、螺栓頭 和帶頭部的螺桿，所述橡膠兩端分別經(jīng)花鍵與螺栓頭和螺桿頭部相連，所述橡膠上套設(shè)有 與所述花鍵配合的套筒；還包括一加載機(jī)構(gòu)，所述加載機(jī)構(gòu)包括套設(shè)在立柱上并可沿立柱 上下移動的加載板，所述加載板中部設(shè)置有讓上、下被連接件穿過的通孔，所述加載板的兩 側(cè)分別設(shè)置有帶齒條的豎桿，所述底板上還設(shè)置有蝸輪蝸桿，潤輪的兩側(cè)均設(shè)置有與潤輪 同軸連接的齒輪，所述齒輪分別與同側(cè)的齒條相咬合。
2. 根據(jù)權(quán)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 特征在于；所述橡膠的彈性系數(shù)大于所述海綿的彈性系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)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，其特征 在于：所述連接板的兩側(cè)分別設(shè)置有帶滑槽的下滑槽板，該滑槽內(nèi)設(shè)置有在滑槽內(nèi)上下移 動的子母螺釘，所述豎桿的下部與子母螺釘相連接。
4. 根據(jù)權(quán)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 特征在于；所述上、下被連接件之間貼設(shè)有第一壓力傳感器，所述墊板和上頂板之間貼設(shè)有 第二壓力傳感器，所述上頂板和加載板之間貼設(shè)有第H壓力傳感器，所述頂板上分別設(shè)有 對螺栓、上頂板和被連接件進(jìn)行測距的超聲波傳感器，所述底板上設(shè)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(cè)的下滑槽板上還設(shè)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(jù)權(quán)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 特征在于；所述蝸桿的一端連接有轉(zhuǎn)動絲桿的手柄。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年11月22日
【發(fā)明者】張翔, 羅龍和, 鐘壽洋 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)