CN102053061B - 大型结合面实验装置 - Google Patents

Abstract

大型结合面实验装置涉及一种大型结合面法向刚度与切向刚度检测装置及方法。由在机械框架中的法向加力装置(1)、法向电涡流传感器(2)、上试件(3)、加速度传感器(4)、切向加力装置(5)、下试件(6)、工作台(7)、切向电涡流感器(8)、切向力传感器(9)以及计算结合面特性的上位机组成。该装置利用Kelvin-Voight模型，测量出周期外力载荷及该载荷下结合面的变形，做出其周期过程的迟滞曲线，得出结合面刚度与阻尼特性。本发明能测量大型固定结合面的静态与动态法向刚度与阻尼测试装置，能够实现正载、偏载、及冲击载荷的加载时的结合面特性。

Description

大型结合面实验装置

技术领域

大型结合面实验装置涉及测量测试装置，尤其涉及一种大型结合面法向刚度与切向刚度检测装置及方法。

背景技术

机械部件中存在大量的结合面，结合面体现出的弹簧与阻尼特性是机械部件刚度与阻尼的特性的重要组成部分，犹其是对于机床来说，结合部产生阻尼占整个机床阻尼的90％左右，并且结合部的刚度及可靠性相对于机床刚度来说也是一个薄弱环节，机床总刚度的60％-80％是由结合面接触刚度决定的。因此，对于结合部的研究是非常有必要的，可以很大程度地提高产机械产品的性能。

结合部，通常是由两个平面通过不同方式的预紧连接在一起，通过结合面的相互作用而体现其特性的。因此，对于结合面的研究没有固定物理模型可以追溯，只能通过实验研究结合面的静动态特性。然而，对于结合面种类繁多，形式各异，进行实验所需的装置也缺乏通用性，各种特性难以在一台装置上测量。

传统的结合面测量装置如图1所示，试验方法如下：

首先测量试件的外形尺寸，结合面的粗糙度、接触面积、平面度公差并记录，根据该接触面积选择预紧载荷和激振方式及频率。然后将所选的预紧载荷和激振方式及频率输入上位机控制器，上位机控制系统生成相应的电频信号，该信号经功率放大模块放大后，再由激振器转换为相应的激振力信号。激振器作用于结合面试件上，其作用力通过力传感器并经过信号放大器及A/D采样进入上位机控制系统，结合面试件的系统响应加速度与位移信号则通过加速度传感器与电涡流传感器并经过信号放大器及A/D采样进入上位机控制系统。通过上位机分析系统可以得到试件系统的频响曲线，并辨识出结合部的刚度与阻尼。

由于该装置只能从一个方向加载并且只适用于单位面积法的小面积试件，这就限制了装置的使用范围，只能在科研院校使用。由于结合面的多样性，不同结合面的特性千差万别，需要一种更全面测量结合面特性的装置，尤其需要一种能够测量大结合面的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够测量接触面积接近0.01m²的大型固定结合面的测量装置，实现大型结合面的不同工况下的刚度阻尼特性的测量，并提出对于大型结合面刚度与阻尼特性的测量和辨识方法。

为了实现上述目的，本发明采用的如下技术方案：

设计一种大型结合面实验装置，由在机械框架中的法向加力装置1、法向电涡流传感器2、上试件3、加速度传感器4、切向加力装置5、下试件6、工作台7、切向电涡流感器8、切向力传感器9以及计算结合面特性的上位机组成。其中，工作台7设置在机械框架的下部，工作台7的台面为设有均匀的T形槽的工作面；下试件6放置在工作台7上，下试件6的底面设有可拆卸定位凸台，定位凸台嵌入工作台7的T形槽内；法向加力装置1位于下试件6上方，并与上试件3连接；在法向加力装置1与下试件6之间设置四个法向电涡流传感器2，四个法向电涡流传感器2均匀设置在下试件6边缘；在下试件6侧向的中心位置，沿T形槽方向设置切向加力装置5，切向加力装置5固定在工作台7上；在切向加力装置5与下试件6侧面之间设置切向力传感器9；对应切向加力装置5的下试件6的另一侧，设置切向电涡流感器8；在下试件6的顶面上设置加速度传感器4；各传感器接到上位机，同时上位机通过功率放大器和安装在激振器驱动法向加力装置1。

所述激振器采用线圈式加载头。

所述法向加力装置1带有丝杠式手动预调节器。

所述切向加力装置5为手轮式手动调节器。

上述大型结合面实验装置测量结合面刚度阻尼特性的方法如下：

1)根据分类制造上试件3和下试件6，其中分类包括试件的表面粗糙度，平面波纹度，几何尺寸及材料；

2)安装下试件6，使下试件6的定位凸台嵌入T型槽，除偏载实验外，下试件6的中心要与法向的法向加力装置1中心重合；

3)调节法向加力装置1，移动上试件3位置，使上试件3与下试件6接触；

4)进行加载实验，测量相应的传感器数值，

实验中，法向加力装置1实现可控的静态加力p₀加载与以动载频率ω的动态力加载，并且能够按照加载力曲线加载；切向的切向加力装置5通过手轮手动加载切向力p₀；法向变形通过前后左右四个电涡流传感器2测量；切向变形通过切向电涡流感器8测量；加速度响应由加速度传感器4测量；

加载过程中按测量要求的不同，有不同测量方法：

a)测量法向静刚度，通过法向加力装置1给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量；

b)测量法向动刚度，先通过上位机选预紧力p₀，然后通过上位机控制的法向加力装置1进行动载频率ω的加载，得到动态刚度数值；

c)测切向刚度，调节切向加力装置5，通过切向力传感器9与下试件6侧面接触，法向加载p₀时，切向加力装置5给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量；

5)取出数据，计算得到结合面刚度阻尼特性结果，

a)测量法向静刚度，通过测量出结合面在施加p_nom的正压力时的变形量u，得出对应正压力的刚度值，

b)测量法向和切向动刚度，对试件加载在P±ΔP范围内的动态正弦力，并测出对应加载周期内的试件变形量u，通过Konrad Konowalski提出的压力与位移的非线性四次函数模型：

p_nom＝C₀+C₁u+C₂u²+C₃u³+C₄u⁴

拟合出相应的C₁，C₂，C₃，C₄，从而得到结合面刚度特性函数：

$k_n^d=\frac{\∂p_n}{\∂u}=C_1+2C_{2}u+3C_3{u}^2+4C_4{u}^3$

c)对于动态阻尼参特性，利用Kelvin-Voight模型，通过分析实验时得到的加载周期内得到的加载与卸载之间的迟滞耗能曲线，计算出其阻尼特性，

阻尼：

其中，ψ是模型耗能系数，其中E_d为迟滞损耗能，E_pd为加载应变能，E_pu为卸载应变能，ω是动态加载力的频率，

是动态刚度。

本发明的有益效果：(1)既能测量小结合面，又能测量大结合面的刚度与阻尼特性；(2)测出法向刚度与阻尼特性与切向刚度是来源于同一试件，因此可以从测量数据中探寻两种刚度之间的相互关系；(3)由于下试件是安装在工作台上的，下试件位置决定了压力中心的位置，因此可以实现偏离中心载荷的加载，并能分别从四个法向电涡流传感器得出偏载时各方向的刚度变化；(4)结合面试件结构简单易于安装和测试。

附图说明

图1传统结合面试验装置图

图2Kelvin-Voight模型图

图3本发明中大型结合面实验装置的实施例示意图

图4图3中的A-A视图

图中：1，法向加力装置；2，法向电涡流传感器；3，上试件；4，加速度传感器；5，切向加力装置；6，下试件；7，工作台；8，切向电涡流感器；9，切向力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的一实施例作具体描述。

参照图3所示，本实施例的大型结合面实验装置主要由在机械框架中的法向加力装置1、法向电涡流传感器2、上试件3、加速度传感器4、切向加力装置5、下试件6、工作台7、切向电涡流感器8、切向力传感器组成9。工作台7设置在机械框架的下部，工作台7的台面为设有均匀的T形槽的工作面；下试件6为正方形的柱体，下试件6放置在工作台7上，下试件6的底面设有定位凸台，定位凸台嵌入工作台7的T形槽内；法向加力装置1位于下试件6上方，并与上试件3连接，法向加力装置1设有丝杠式手动预调节器，通过调节丝杠，法向加力装置1可以上下移动，从而精细调节上试件3与下试件6接触，本实施例中上试件3与下试件6以平面接触；同时在法向加力装置1与下试件6之间设置四个法向电涡流传感器2，四个法向电涡流传感器2均匀设置在下试件6四边缘；在下试件6侧向的中心位置，沿T形槽方向设置切向加力装置5，切向加力装置5固定在工作台7上；在切向加力装置5与下试件6侧面之间设置切向力传感器9；对应切向加力装置5的下试件6的另一侧，设置切向电涡流感器8；在下试件6的顶面上设置加速度传感器4。

各传感器的信号送到计算机，通过测试程序得到结合面刚度与阻尼特性的测量结果。

法向加力装置1的加载由计算机控制，法向加力装置1中有采用线圈式激振器，该激振器由计算机通过功率放大器驱动。一方面，激振器通过一定的驱动功率实现预紧力的加载；另一方面，激振器通过变化的驱动功率实现动载。

本装置中测试大型结合面的基本原理在于：

测量静态刚度时：通过测量出结合面在施加p_nom的正压力时的变形量u，得出对应正压力的刚度值：

测量动态刚度与阻尼时：对试件加载在P±ΔP范围内的动态正弦力，并测出对应加载周期内的试件变形量u，通过Konrad Konowalski提出的压力与位移的非线性四次函数模型：

p_nom＝C₀+C₁u+C₂u²+C₃u³+C₄u⁴

可以拟合出相应的C₁，C₂，C₃，C₄，从而得到结合面刚度特性函数：

$k_n^d=\frac{\∂p_n}{\∂u}=C_1+2C_{2}u+3C_3{u}^2+4C_4{u}^3$

而对于动态阻尼参特性则利用Kelvin-Voight模型(图2)，通过分析实验时得到的加载周期内得到的加载与卸载之间的迟滞耗能曲线，计算出其阻尼特性。图中p_a为加载的动载幅度，p₀为预紧力，δ₀为预紧力p₀时结合面的位移，E_d为迟滞损耗能，E_pd为加载应变能，E_pu为卸载应变能。结合面动态特征方程为：p(t)＝k_dδ(t)+hv(t)其中v(t)为结合面相对速度。结合实验得到的迟滞曲线，进行消元，则可以求出结合面阻尼特性。

阻尼：其中，ψ是模型耗能系数，(E_d为迟滞损耗能，E_pd为加载应变能，E_pu为卸载应变能)，ω是动态加载力的频率；

是动态刚度。

装置中各部件的功能如下：法向加力装置1，主要实现加载试件的法向力，既能实现静力加载，又能实现动态加载，即以实现P±ΔP动态加载力，其中ΔP是以一定规律周期变化的。切向加力装置5，主要实现切向力的加载，测量在一定的外载预紧力的作用下切向刚度特性。法向电涡流传感器2和切向电涡流感器8，用来测量结合面的变形量的。加速度传感器4，用于测量动力作用下时结合面的动态响应。上试件3和下试件6的结合面是定制的，根据几何参数(如表面粗糙度，平面波纹度，几何尺寸及材料)的不同制成几组，用来测量不同几何参数结合面刚度与阻尼特性的影响。

本实施例测量结合面刚度与阻尼特性的方法按以下步骤进行：

1.找合适位置的T型槽安装下试件6，除偏载实验外，下试件6的中心要与法向的法向加力装置1中心重合。

2.通过丝杠式手动预调节器调节法向加力装置1，移动上试件3位置，使上试件3与下试件6接触。

3.进行加载实验，测量相应的传感器数值。法向加力装置1能实现静态加力加载与动态力加载，并且加载力曲线可控，在实验中可充当外部激励与预紧力的作用。切向的切向加力装置5通过手轮手动加载切向力。法向变形通过前后左右四个法向电涡流传感器2测量，切向变形通过切向电涡流感器8测量；其加速度响应由加速度传感器4测量(高频)，加速度传感器与四个法向电涡流传感器2之间相互互补修正，并通过四个法向电涡流传感器2的平均值消除测量不准确及变形不均匀带来的影响。

加载过程中可以按测量要求的不同，有不同测量方法：

1)测量法向静刚度，通过法向加力装置1给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量。

2)测量法向动刚度，先通过上位机选预紧力p₀及动载频率ω，然后通过上位机控制的法向加力装置1进行加载，得到动态刚度数值。

3)测切向刚度，调节切向加力装置5，通过切向力传感器9与下试件6侧面接触，法向加载p₀时，切向加力装置5给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量。

4.取出数据，计算得到结合面刚度阻尼特性结果，

1)测量法向静刚度，通过测量出结合面在施加p_nom的正压力时的变形量u，得出对应正压力的刚度值，

2)测量法向和切向动刚度，对试件加载在P±ΔP范围内的动态正弦力，并测出对应加载周期内的试件变形量u，通过Konrad Konowalski提出的压力与位移的非线性四次函数模型：

p_nom＝C₀+C₁u+C₂u²+C₃u³+C₄u⁴

拟合出相应的C₁，C₂，C₃，C₄，从而得到结合面刚度特性函数：

$k_n^d=\frac{\∂p_n}{\∂u}=C_1+2C_{2}u+3C_3{u}^2+4C_4{u}^3$

3)对于动态阻尼参特性，利用Kelvin-Voight模型，通过分析实验时得到的加载周期内得到的加载与卸载之间的迟滞耗能曲线，计算出其阻尼特性，

阻尼：其中，ψ是模型耗能系数，

(E_d为迟滞损耗能，E_pd为加载应变能，E_pu为卸载应变能)，ω是动态加载力的频率，

是动态刚度。

Claims (5)

1.大型结合面实验装置，由在机械框架中的法向加力装置(1)、法向电涡流传感器(2)、上试件(3)、加速度传感器(4)、切向加力装置(5)、下试件(6)、工作台(7)、切向电涡流传感器(8)、切向力传感器(9)以及计算结合面特性的上位机组成，其特征在于：工作台(7)设置在机械框架的下部，工作台(7)的台面为设有均匀的T形槽的工作面；下试件(6)放置在工作台(7)上，下试件(6)的底面设有可拆卸定位凸台，定位凸台嵌入工作台(7)的T形槽内；法向加力装置(1)位于下试件(6)上方，并与上试件(3)连接；在法向加力装置(1)与下试件(6)之间设置四个法向电涡流传感器(2)，四个法向电涡流传感器(2)均匀设置在下试件(6)边缘；在下试件(6)侧向的中心位置，沿T形槽方向设置切向加力装置(5)，切向加力装置(5)固定在工作台(7)上；在切向加力装置(5)与下试件(6)侧面之间设置切向力传感器(9)；对应切向加力装置(5)的下试件(6)的另一侧，设置切向电涡流传感器(8)；在下试件(6)的顶面上设置加速度传感器(4)；各传感器接到上位机，同时上位机通过功率放大器和安装激振器驱动法向加力装置(1)。

2.如权利要求1所述的大型结合面实验装置，其特征在于：所述激振器采用线圈式加载头。

3.如权利要求1所述的大型结合面实验装置，其特征在于：所述法向加力装置(1)带有丝杠式手动预调节器。

4.如权利要求1所述的大型结合面实验装置，其特征在于：所述切向加力装置(5)为手轮式手动调节器。

5.大型结合面实验装置测量结合面刚度阻尼特性的方法，采用权利要求1所述的大型结合面实验装置，其特征在于：

1)根据分类制造上试件(3)和下试件(6)，其中分类包括试件的表面粗糙度，平面波纹度，几何尺寸及材料；

2)安装下试件(6)，使下试件(6)的定位凸台嵌入T型槽，除偏载实验外，下试件(6)的中心要与法向的法向加力装置(1)中心重合；

3)调节法向加力装置(1)，移动上试件(3)位置，使上试件(3)与下试件(6)接触；

4)进行加载实验，测量相应的传感器数值，

实验中，法向加力装置(1)实现可控的静态加力p₀加载与以动载频率ω的动态力加载，并且能够按照加载力曲线加载；切向的切向加力装置(5)通过手轮手动加载切向力p₀；法向变形通过前后左右四个电涡流传感器(2)测量；切向变形通过切向电涡流传感器(8)测量；加速度响应由加速度传感器(4)测量；

加载过程中按测量要求的不同，有不同测量方法：

a)测量法向静刚度，通过法向加力装置(1)给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量；

b)测量法向动刚度，先通过上位机选预紧力p₀，然后通过上位机控制的法向加力装置(1)进行动载频率ω的加载，得到动态刚度数值；

c)测切向刚度，调节切向加力装置(5)，通过切向力传感器(9)与下试件(6)侧面接触，法向加载p₀时，切向加力装置(5)给出的一系列分离的加载力，得到一系列特定载荷下的变形量；

5)取出数据，计算得到结合面刚度阻尼特性结果，

a)测量法向静刚度，通过测量出结合面在施加p_n的正压力时的变形量u，得出对应正压力的刚度值，

b)测量法向动刚度时，对试件加载P±ΔP范围内的法向动态正弦力；测量切向动刚度时，对试件加载P±ΔP范围内的切向动态正弦力，并测出对应加载周期内的试件变形量u，通过Konrad Konowalski提出的压力与位移的非线性四次函数模型：

p_n＝C₀+C₁u+C₂u²+C₃u³+C₄u⁴

拟合出相应的C₁，C₂，C₃，C₄，从而得到结合面刚度特性函数：

$k_n^d=\frac{{\∂p}_n}{\∂u}=C_1+{2C}_{2}u+{3C}_3{u}^2+{4C}_4{u}^3$

c)对于动态阻尼参数特性，利用Kelvin-Voight模型，通过分析实验时得到的加载周期内得到的加载与卸载之间的迟滞耗能曲线，计算出其阻尼特性，阻尼：

其中，ψ是模型耗能系数，

其中E_d为迟滞损耗能，E_pd为加载应变能，E_pu为卸载应变能，ω是动态加载力的频率，是动态刚度。

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