一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，基板上側(cè)固連有連接板，連接板上方設(shè)有加載板，加載板上方設(shè)有頂板；所述頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下對(duì)稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對(duì)外件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括螺栓組件，所述螺栓組件包括套管、位于套管上端的螺紋軸體和位于套管下端的螺栓頭部，所述套管內(nèi)腔設(shè)有連接螺紋軸體和螺栓頭部的彈簧。同時(shí)本發(fā)明還涉及一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀的操作方法。該分析儀不僅成本低，體積小，便于攜帶，而且便于操作。
【專利說(shuō)明】 一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀及其操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀及其操作方法，屬于教學(xué)用具領(lǐng)域。

【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(jiàn)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的這部分知識(shí)來(lái)更好設(shè)計(jì)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，且這部分的理論知識(shí)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(wú)能夠直觀演示從施加預(yù)緊力到施加載荷的整個(gè)變化過(guò)程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種成本低，體積小，便于攜帶，而且操作方便的螺栓軸向拉伸載荷分析儀及其操作方法。
[0004]本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，所述基板上側(cè)固連有連接板，所述連接板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動(dòng)的加載板，加載板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動(dòng)的頂板；所述頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下對(duì)稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，所述內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對(duì)外件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述加載板上開(kāi)設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過(guò)的中孔，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括螺栓組件，所述螺栓組件包括套管、位于套管上端的螺紋軸體和位于套管下端的螺栓頭部，所述套管內(nèi)腔設(shè)有連接螺紋軸體和螺栓頭部的彈簧；所述套管和螺紋軸體依次穿過(guò)連接板、上、下被聯(lián)接件、加載板和頂板后由與螺紋軸體旋接配合的螺母鎖緊；所述加載板前、后側(cè)下方分別固連有向下延伸的推桿，所述推桿下部開(kāi)設(shè)有豎向?qū)Р?，所述基板前、后?cè)分別設(shè)有穿過(guò)對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上導(dǎo)槽的子母螺釘；所述推桿下端側(cè)部設(shè)有齒條，所述基板上前、后側(cè)分別設(shè)有與對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上齒條相配合的齒輪，基板上還設(shè)有與所述齒輪同軸的渦輪以及與所述渦輪相配合的蝸桿。
[0005]進(jìn)一步的，所述螺紋軸體上還套設(shè)有位于螺母下方的墊圈；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器；所述導(dǎo)桿上端連接有固定板，所述固定板上設(shè)有激光測(cè)距傳感器。
[0006]進(jìn)一步的，所述基板內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器和激光測(cè)距傳感器電連接的電路板，基板前側(cè)設(shè)置有液晶顯示屏。
[0007]進(jìn)一步的，所述套管內(nèi)腔設(shè)有花鍵槽，所述螺紋軸體與所述螺栓頭部設(shè)有伸入套管內(nèi)腔并與花鍵槽相配合的花鍵軸。
[0008]同時(shí)，發(fā)明還提供一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀的操作方法，采用如上所述的一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，并按以下步驟進(jìn)行:(1)反向旋轉(zhuǎn)蝸桿，將加載板調(diào)至最低位置，調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，測(cè)出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，螺栓組件初始長(zhǎng)度；
(2)緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到預(yù)定載荷，測(cè)出螺栓組件的總載荷、螺栓組件的預(yù)緊力、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及螺栓組件長(zhǎng)度；(3)反向旋轉(zhuǎn)蝸桿，使加載板向上運(yùn)動(dòng)對(duì)螺栓組件進(jìn)行軸向加載，施加到預(yù)定載荷后，停止加載，測(cè)出的螺栓組件總載荷、螺栓組件殘余預(yù)緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及螺栓組件長(zhǎng)度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)蝸桿卸載，操作完成。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:該螺栓軸向拉伸載荷分析儀不僅成本低，體積小，便于攜帶，而且便于操作；教師可以直接在課堂操作，能夠動(dòng)態(tài)演示從施加預(yù)緊力到施加載荷的整個(gè)變化過(guò)程，直觀演示緊螺栓聯(lián)接軸向加載整個(gè)過(guò)程，將抽象的知識(shí)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(shí)的目的。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)造示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中螺栓組件構(gòu)造示意圖；
圖3是圖2中A-A剖面圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中渦輪安裝示意圖；
圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1_螺紋軸體、2-螺母、3-墊圈、4-套管、5-彈簧、6-螺栓頭部、7-激光測(cè)距傳感器、8-固定板、9-花鍵軸、10-導(dǎo)桿、11-稱重傳感器、12-頂板、13-加載板、14-連接板、15-基板、16-加載手柄、17-蝸桿、18-潤(rùn)輪、19-齒輪、20-齒條、21-導(dǎo)槽、22-電路板、23-液晶顯示屏、24-推桿、25-內(nèi)件、26-外件、27-海綿墊。

【具體實(shí)施方式】
[0011]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下將通過(guò)具體實(shí)施例和相關(guān)附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0012]如圖f 4所示，一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，包括基板15和豎設(shè)于基板15兩側(cè)的導(dǎo)桿10，所述基板15上側(cè)固連有連接板14，所述連接板14上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿10上、下滑動(dòng)的加載板13，加載板13上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿10上、下滑動(dòng)的頂板12 ;所述頂板12與連接板14之間夾設(shè)有上、下對(duì)稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件26和內(nèi)件25，所述內(nèi)件25套于所述外件26內(nèi)腔并可相對(duì)外件26往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述加載板13上開(kāi)設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過(guò)的中孔，上被聯(lián)接件的內(nèi)件固連于頂板12下側(cè)，下被聯(lián)接件的內(nèi)件固連于連接板14上側(cè)，內(nèi)、外件(25、26)之間還夾設(shè)有海綿墊27。采用海綿墊27替代被聯(lián)接件受壓，可以較好的降低被聯(lián)接件的剛度。
[0013]還包括螺栓組件，所述螺栓組件包括套管4、位于套管4上端的螺紋軸體I和位于套管4下端的螺栓頭部6，所述套管4內(nèi)腔設(shè)有連接螺紋軸體I和螺栓頭部6的彈簧5 ;所述套管4和螺紋軸體I依次穿過(guò)連接板14、上、下被聯(lián)接件、加載板13和頂板12后由與螺紋軸體旋接配合的螺母2鎖緊，利用大勁度系數(shù)的彈簧5作為螺桿的承載件，這樣既保證螺栓原本的結(jié)構(gòu)，又能使其在加載過(guò)程中將原有的微小的變形量進(jìn)行放大，并能夠被觀察出來(lái)，起到較好的演示效果。
[0014]在本實(shí)施例中，所述螺紋軸體I上還套設(shè)有位于螺母2下方的墊圈3 ;所述墊圈3和頂板12之間、頂板12與加載板13之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器11 ；所述導(dǎo)桿10上端連接有固定板8，所述固定板8上設(shè)有激光測(cè)距傳感器7。
[0015]在本實(shí)施例中，所述激光測(cè)距傳感器7為兩個(gè)，其中一個(gè)位于所述螺紋軸體I的正上方，用以采集彈簧5變形量，另一個(gè)位于旁側(cè)，用以采集海綿墊27的變形量。
[0016]在本實(shí)施例中，所述基板15內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器11和激光測(cè)距傳感器7電連接的電路板22，基板15前側(cè)設(shè)置有液晶顯示屏23，利用單片機(jī)控制激光測(cè)距傳感器7與稱重傳感器11，測(cè)出不同狀態(tài)下被聯(lián)接件的壓力值與壓縮量、螺栓的長(zhǎng)度以及拉力，并將采集到的信息傳送至液晶顯示屏上，直觀演示出螺母、預(yù)緊、施加載荷的整個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中螺桿載荷的變化。
[0017]在本實(shí)施例中，所述加載板13前、后側(cè)下方分別固連有向下延伸的推桿24，所述推桿24下部開(kāi)設(shè)有豎向?qū)Р?1，所述基板15前、后側(cè)分別設(shè)有穿過(guò)對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上導(dǎo)槽21的子母螺釘；所述推桿24下端側(cè)部設(shè)有齒條20，所述基板15前、后側(cè)設(shè)有與對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上齒條20相配合的齒輪19，基板15上還設(shè)有與所述齒輪19同軸的渦輪18以及與所述渦輪18相配合的蝸桿17，所述蝸桿17的端部設(shè)置有加載手柄16，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)加載手柄16，經(jīng)蝸桿17、渦輪18、齒輪19和齒條20，驅(qū)動(dòng)推桿24上、下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加載和卸載。
[0018]在本實(shí)施例中，所述套管4內(nèi)腔設(shè)有花鍵槽，所述螺紋軸體I與所述螺栓頭部6設(shè)有伸入套管4內(nèi)腔并與花鍵槽相配合的花鍵軸9。
[0019]本發(fā)明的工作原理:
為了使所設(shè)計(jì)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)能夠直觀看出螺栓形變量并通過(guò)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，利用大勁度系數(shù)的彈簧來(lái)放大螺栓的變形量，小勁度系數(shù)海綿代替被連接件來(lái)降低被連接件的剛度?？紤]到老師教學(xué)過(guò)程中與同學(xué)互動(dòng)更容易進(jìn)行，采用手動(dòng)操作的方式，同時(shí)采用數(shù)顯模塊，直觀顯示出變形量與拉、壓力值的變化
采用這樣的等效替代與放大的方法來(lái)設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)程中的變形量能夠觀察出來(lái)，起到較好的演示效果。
[0020]用大勁度系數(shù)彈簧替代螺栓，小勁度系數(shù)海綿墊替代被連接件，兩者都在滿足胡克定律的范圍內(nèi)。設(shè)彈簧為B，剛度為Cb，被聯(lián)接件為海綿墊M，剛度為Cm。
[0021]狀態(tài)1:螺母未擰緊狀態(tài)，此時(shí)彈簧和海綿墊都處在自由狀態(tài)；
狀態(tài)2:螺母預(yù)緊狀態(tài)，螺母在擰緊過(guò)程中對(duì)海綿墊M施加壓力，海綿墊M被壓縮長(zhǎng)度為Am;彈簧B由于螺母向下擰緊，受到向上的力而被拉伸，伸長(zhǎng)量為Ab;海綿墊M所受到的壓力和彈簧B受到的拉力大小均為預(yù)緊力F。；
狀態(tài)3:施加拉伸載荷F后的狀態(tài)，這時(shí)彈簧B在狀態(tài)2的基礎(chǔ)上被繼續(xù)拉長(zhǎng)，彈簧B的伸長(zhǎng)量為Λ λ，拉力增加到F2;而海綿墊M壓力減小到F1 (殘余預(yù)緊力)，其減小量為:Δ λ *Cm =F「F。；所要求的彈簧B受到的總拉力為:F2=Fq+A λ *Cb ；
此時(shí)，聯(lián)接螺母在狀態(tài)3時(shí)的受力平衡條件為=F2=F+ F1 (I)；
因?yàn)樵跔顟B(tài)2到狀態(tài)3中，彈簧B的伸長(zhǎng)量和海綿墊M的壓縮量相等，都為Λ λ，
Λ 入=(F2- F0)/Cb= (F0- F1)/Cffl (2)
聯(lián)立得出結(jié)論:
F1= F0- [Cffl/( Cb+ Cffl) ]*F；
F2= F0+[Cb/( Cb+ Cffl) ]*F；
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。
[0022]一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀的操作方法，采用如上所述的一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，并按以下步驟進(jìn)行:(I)調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，反向旋轉(zhuǎn)加載手柄，使加載板調(diào)至最低位置，測(cè)出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，螺栓組件初始長(zhǎng)度；(2)開(kāi)始緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到一定程度，測(cè)出螺栓組件的總載荷，螺栓組件的預(yù)緊力，上、下被聯(lián)接件的厚度，螺栓組件長(zhǎng)度；(3)正向旋轉(zhuǎn)加載手柄，使加載板向上運(yùn)動(dòng)對(duì)螺栓組件進(jìn)行軸向加載，施加到一定載荷后，停止加載，測(cè)出的螺栓組件總載荷，螺栓組件殘余預(yù)緊力，加載板的施加載荷，上、下被聯(lián)接件的總厚度和螺栓組件長(zhǎng)度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)加載手柄卸載，操作完成。
[0023]在本實(shí)施例操作方法中，螺栓組件的預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力由夾于上、下被聯(lián)接件之間的稱重傳感器測(cè)出；螺栓組件的總載荷由夾于墊圈3和頂板12之間的稱重傳感器測(cè)出，加載板的施加載荷由夾于頂板12與加載板13之間的稱重傳感器測(cè)出，上、下被聯(lián)接件的總厚度和螺栓組件長(zhǎng)度分別使用激光測(cè)距傳感器測(cè)出。
[0024]上列較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀,其特征在于:包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，所述基板上側(cè)固連有連接板，所述連接板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動(dòng)的加載板，加載板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動(dòng)的頂板；所述頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下對(duì)稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，所述內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對(duì)外件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述加載板上開(kāi)設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過(guò)的中孔，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括螺栓組件，所述螺栓組件包括套管、位于套管上端的螺紋軸體和位于套管下端的螺栓頭部，所述套管內(nèi)腔設(shè)有連接螺紋軸體和螺栓頭部的彈簧；所述套管和螺紋軸體依次穿過(guò)連接板、上、下被聯(lián)接件、加載板和頂板后由與螺紋軸體旋接配合的螺母鎖緊；所述加載板前、后側(cè)下方分別固連有向下延伸的推桿，所述推桿下部開(kāi)設(shè)有豎向?qū)Р郏龌迩?、后?cè)分別設(shè)有穿過(guò)對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上導(dǎo)槽的子母螺釘；所述推桿下端側(cè)部設(shè)有齒條，所述基板上前、后側(cè)分別設(shè)有與對(duì)應(yīng)側(cè)推桿上齒條相配合的齒輪，基板上還設(shè)有與所述齒輪同軸的渦輪以及與所述渦輪相配合的蝸桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺栓軸向拉伸載荷分析儀，其特征在于:所述螺紋軸體上還套設(shè)有位于螺母下方的墊圈；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器；所述導(dǎo)桿上端連接有固定板，所述固定板上設(shè)有激光測(cè)距傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺栓軸向拉伸載荷分析儀，其特征在于:所述基板內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器和激光測(cè)距傳感器電連接的電路板，基板前側(cè)設(shè)置有液晶顯示屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺栓軸向拉伸載荷分析儀，其特征在于:所述套管內(nèi)腔設(shè)有花鍵槽，所述螺紋軸體與所述螺栓頭部設(shè)有伸入套管內(nèi)腔并與花鍵槽相配合的花鍵軸。
5.一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀的操作方法，其特征在于:采用權(quán)利要求廣4中所述的任一種螺栓軸向拉伸載荷分析儀，并按以下布驟進(jìn)行:(1)反向旋轉(zhuǎn)蝸桿，將加載板調(diào)至最低位置，調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，測(cè)出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，螺栓組件初始長(zhǎng)度；(2)緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到預(yù)定載荷，測(cè)出螺栓組件的總載荷、螺栓組件的預(yù)緊力、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及螺栓組件長(zhǎng)度；(3)反向旋轉(zhuǎn)蝸桿，使加載板向上運(yùn)動(dòng)對(duì)螺栓組件進(jìn)行軸向加載，施加到預(yù)定載荷后，停止加載，測(cè)出的螺栓組件總載荷、螺栓組件殘余預(yù)緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及螺栓組件長(zhǎng)度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)蝸桿卸載，操作完成。
【文檔編號(hào)】G01N3/16GK104330313SQ201410672223
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)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(qǐng)人:福建農(nóng)林大學(xué)