CN102323047B - 一种测试结合面切向动态特性装置 - Google Patents

Abstract

一种测试结合面切向动态特性装置，属于机械设计与制造领域。将力锤通过信号线与测试系统相连接，结合面试件由左试件、右试件及上下金属薄片组成。杆试件通过两应变螺栓栓接在上下薄片上，金属杆试件与金属薄片接触部位形成两对切向结合面。应变螺栓通过电桥连接到动态应变仪，动态应变仪与测试系统相连接，另外连接到PC上。在左右试件的两端对称布置加速度传感器，传感器与测试系统相连接，测试系统将处理后的数据至PC，计算机根据加速度与力信号获取被测试件的频响函数，根据频响函数辨识出左、右试件之间结合面切向动态特性参数。本发明解决了结合面处动态特性难以测试的问题，将结合面切向动态特性从实验装置系统的动态特性中分离出来。

Description

一种测试结合面切向动态特性装置

技术领域

本发明是一种测试结合面切向动态特性的装置，属于机械设计与制造领域。

背景技术

机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，零部件之间相互结合的表面称为“结合面”。结合面的存在，使得机械结构变得不再连续，造成机械结构振动的复杂性。结合面不仅能储存能量，也能消耗能量，即表现出接触刚度和接触阻尼。接触刚度和接触阻尼对结构动态性能影响很大，作用机理非常复杂。影响结合面动态特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

（1）结合面上的比压大小；

（2）压力分布的均匀性；

（3）结合面的材料；

（4）结合面的面积；

（5）结合面的加工方法（常用方法：车、铣、刨、磨、刮等）；

（6）结合面的动载荷性质（切向力、扭矩、弯矩）和大小；

（7）接触表面的几何形状误差和微观不平度；

（8）结合面间的润滑油性质等。

由于影响因素众多，每个因素的影响程度和规律又无法以理论解析的方法直接确定，因此只能以实验为基础来确定它们的数值。

为了系统地研究和探明结合面切向动态特性与其基本影响因素之间的关系，并掌握结合面动态基础特性参数，需要一套完整的测试结合面切向动态特性的装置与方法，而目前还没有有关测试结合面切向动态特性的装置。

发明内容

本发明的目的是设计一套通过力锤激振，使用测试系统获得加速度信号，并进行模态分析，得到单位面积结合面动态特性的测试结合面切向动态特性的装置与方法，利用该装置可获得各种结合条件（即各种不同的基本影响因素）下结合面切向的动态特性参数（切向刚度与阻尼），获取整体结构的固有特性（模态振型、固有频率、阻尼比、频响函数等），利用频响函数辨识出结合面的等效动力学参数。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种测试结合面切向动态特性装置及方法，包括力锤、左试件2、右试件5、金属薄片Ⅰ4、金属薄片Ⅱ6、加速度传感器Ⅰ1、加速度传感器Ⅱ7、动态应变仪、应变螺栓3、电桥、测试系统和PC机；其特征在于：左试件2、右试件5轴线相对放置在同一直线上，金属薄片Ⅰ4放置于左试件2、右试件5接触处的一侧长宽面前，金属薄片Ⅱ6放置于左试件2、右试件5接触处的另一侧长宽面，左试件2、右试件5在接触处附近径向各开有一螺栓孔，金属薄片Ⅰ4和金属薄片Ⅱ6的左螺栓孔与左试件2的螺栓孔对齐，金属薄片Ⅰ4和金属薄片Ⅱ6的右螺栓孔与右试件5的螺栓孔对齐；两个应变螺栓3将左试件2、右试件5、金属薄片Ⅰ4、金属薄片Ⅱ6栓接，左试件2、右试件5与金属薄片Ⅰ4、金属薄片Ⅱ6接触部位形成两对切向结合面；应变螺栓3是将电阻式应变片嵌入高强螺栓螺杆中的螺栓；应变螺栓3的应变片的外延长导线与电桥连接，电桥通过输出插头与动态应变仪的输入接口相连接，将应变片的电阻值变化转变为电压值变化，动态应变仪的输出端连接到测试系统的信号采集通道，测试系统通过网线与PC连接，动态应变仪与PC相连；力锤、左试件2、右试件5呈直线配置；加速度传感器1放置在左试件2、右试件5的端部；力锤与测试系统的力信号采集通道连接；力锤垂直激励左试件2端部，获取加速度信号和激励力信号，将各信号通过信号线传送给测试系统，经过测试系统的处理后传送至PC机。

所述左试件2为长方体。

加速度传感器Ⅰ1通过磁片固定在左试件2的左端，加速度传感器Ⅱ7通过磁片固定在右试件5的右端。

所述左试件2、右试件5、金属薄片4的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

所述左试件2、右试件5、金属薄片4间加30号机械油。

所述力锤采用型号为PCB—086C03的模态力锤；所述加速度传感器采用型号为PCB—333B30的加速度传感器；动态应变仪采用BZ2668动态应变仪。

本发明可以取得如下有益效果：

从实验装置（图1）可看出，测试出来的特性参数仅仅是左、右试件与金属薄片之间的结合面部分特性，减少了测量的物理量的个数，而且采用的是直接测量法；

为了便于对影响结合面动态特性的各基本影响因素进行研究，本实验装置保证试件易于更换、易于定位；

由于仅仅是测试左、右试件与金属薄片之间结合面的切向动态特性，所以能够保证结合面动态特性从实验装置系统的动态特性中较容易分离出来。

附图说明

图1是本发明测试结合面切向动态特性的结构图。

图2是图2所示实施例中左试件的主视图。（左、右试件相同）

图3是图2所示实施例中前金属薄片的主视图。（前、后金属薄片相同）

图中：1、加速度传感器，2、左试件，3、应变螺栓，4、金属薄片，5、右试件。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对测试切向合面动态特性装置作进一步的详细说明。

如图1—4所示，左试件2、右试件5与前后两个金属薄片4通过应变螺栓3栓接，应变螺栓3的预紧力转变为螺栓内置应变片电阻值的变化，应变螺栓3通过外延长导线连接到电桥，电桥通过传输线与动态应变仪相连接，将应变片的电阻值变化转变为电压值变化，动态应变仪的输出端通过输出信号线连接到测试系统的信号采集通道。左试件2、右试件5与金属薄片4以平面接触，应保证左、右试件与金属薄片螺栓孔的同轴度，同时保证左试件2与右试件5的端面不发生接触。试件安装好以后用吊绳自由悬挂在人字梯上。

加速度传感器1分别用磁片吸附在左、右试件的端部，力锤在左试件2的端部做垂直激励。力锤激励信号、加速度传感器的输出信号通过信号线传输到测试系统，数据经过测试系统的处理后输出送至PC机。

使用时，通过动态应变仪来测量结合面上应变螺栓3预紧力的大小。在用力锤激励左试件2端部时，应使力锤垂直激励端部表面，通过力锤中的力传感器来获取激励力的大小，通过试件端部吸附的加速度传感器1来获取测试件的加速度信号。获取不同激励信号下的响应后，运用频响函数辨识法即可获取结合面动态特性参数。调整试件结合面上应变螺栓3的预紧力大小可多次改变结合面的面压值，即通过不同面压来研究结合面切向刚度受面压的影响。

利用本装置可以做以下几类实验：

（1）在一定的结合条件下（即结合面的面积、粗糙度、加工方式、结合面的材料、结合面之间的介质等一定的情况下），改变结合面的面压（即通过改变螺栓预紧力来改变结合面的面压），力锤的激励力的幅值保持稳定，来探究结合面面压的改变对结合面切向刚度的影响。

（2）在一定的结合条件下（即结合面的面积、粗糙度、加工方式、结合面之间的介质等不变的情况下），保持结合面的面压不变（即对结合面上的应变螺栓施加恒定的预紧力），改变力锤的激励力的幅值，来探究不同激振力对结合面切向刚度的影响。

（3）保持结合面的面压不变（即对结合面上的应变螺栓施加恒定的预紧力），改变结合条件（例如改变结合面的粗糙度，而结合面的面积、加工方式、结合面的材料、结合面之间的介质等不变），保持力锤的激振力幅值不变，来探究不同结合条件对结合面切向刚度的影响。

实验时，左试件2、右试件5和金属薄片4可以更换不同类型，可以是如Q235-Q235、HT250-HT250、QT600-QT600等不同材料，可以是精铣-精铣、磨-磨等不同表面粗糙度。还可以在左试件2、右试件5和金属薄片4之间加介质，如30号机械油。

对结合面切向的动态特性参数进行识别。将试件中切向结合面部分分别简化为一组弹簧、阻尼系统，共四组弹簧、阻尼系统。对试件及结合面部分进行动力学建模，由于本发明中参数识别仅用到试件轴向一阶固有频率与阻尼比，在此固有频率下，试件做轴向对称拉压振动，且中间点为节点。因此，根据此对称特性，仅对整体试件左半部分进行动力学建模，建模过程：将左试件2简化为均质弹性杆a，右试件5简化为均质弹性杆b，弹性杆的长度L、横截面积A、弹性模量E、单位长度质量μ与杆件相符；将前后薄片及应变螺栓简化为集中质量块，集中质量块质量m为这两部分质量之和；将左部分前后两组并联弹簧、阻尼系统简化为一组弹簧、阻尼系统，弹簧系数K、阻尼系数C为上下两组弹簧系数、阻尼系数之和；将试件中间节点部分简化为固支联接。

于是，对栓接结合部动态特性参数的识别转化为对弹簧刚度K，阻尼系数C的识别。识别过程如下：

对于均匀拉压杆a，杆b的轴向自由运动牛顿方程分别为：

$\mathrm{EA}\frac{{\∂}^{2}U(x,t)}{{\∂x}^2}=\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^{2}U(x,t)}{{\∂t}^2}---\left(1\right)$

其中U(x,t)为杆a上坐标x位置在t时刻的振动位移，μ为杆件单位长度质量。EA为杆件的拉压刚度，其中E为弹性模量，A为杆件横截面积。

我们将杆振动位移U(x,t)进行位移量与时间量的变量分离得：

U(x,t)=U(x)e^λt    （2）

将方程（2）代入方程（1）得到：

$\frac{d^{2}U\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}-{\mathrm{\β}}^{2}U\left(x\right)=0---\left(3\right)$

其中： ${\mathrm{\β}}^2=\frac{\mathrm{\μ}{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{EA}}---\left(4\right)$

对方程（3）求其通解。然后根据试验中试件两端自由、中间栓接的边界协调条件得到关于a₁,a₂的矩阵方程，即：

Aa=0    （5）

其中:

a=[a₁,a₂]^T

对于未知数为a的矩阵方程（5），方程有有解的条件是：A=0，于是得到关于λ的特征方程如下：

mβλ²cosh(βL)-βcλcosh(βL)-βKcosh(βL)

-β²EAsinh(βL)=0               （6）

其中由式（4）知： ${\mathrm{\β}}^2=\frac{\mathrm{\μ}{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{EA}}$

对于特征值λ，我们知道自由状态下其值为：

$\mathrm{\λ}=-\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n\±j\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}{\mathrm{\ω}}_n---\left(7\right)$

式（7）中固有频率ω_n与阻尼比ξ，通过上文介绍的试件轴向振动实验获得，因此式（6）仅含未知数K、C。将式（6）进行实部与虚部的整理，并根据等式成立的条件令实部、虚部分别为零，最终获得关于K、C的方程组。利用计算软件对方程组进行解析求解，最终获得未知数K、C的精确解，即该切向栓接结合面的刚度、阻尼值。

Claims (6)

1.一种测试结合面切向动态特性装置，包括力锤、左试件（2）、右试件（5）、金属薄片Ⅰ（4）、金属薄片Ⅱ（6）、加速度传感器Ⅰ（1）、加速度传感器Ⅱ（7）、动态应变仪、应变螺栓（3）、电桥、测试系统和PC机；其特征在于：左试件（2）、右试件（5）轴线相对放置在同一直线上，金属薄片Ⅰ（4）放置于左试件（2）、右试件（5）接触处的一侧长宽面前，金属薄片Ⅱ（6）放置于左试件（2）、右试件（5）接触处的另一侧长宽面前，左试件（2）、右试件（5）在接触处附近径向各开有一螺栓孔，金属薄片Ⅰ（4）和金属薄片（6）Ⅱ的左螺栓孔与左试件（2）的螺栓孔对齐，金属薄片Ⅰ（4）和金属薄片（6）Ⅱ的右螺栓孔与右试件（5）的螺栓孔对齐；两个应变螺栓（3）将左试件（2）、右试件（5）、金属薄片Ⅰ（4）、金属薄片（6）Ⅱ栓接，左试件（2）、右试件（5）与金属薄片（4）、金属薄片（6）Ⅱ接触部位形成两对切向结合面；应变螺栓（3）是将电阻式应变片嵌入高强螺栓螺杆中的螺栓；应变螺栓（3）的应变片的外延长导线与电桥连接，电桥通过输出插头与动态应变仪的输入接口相连接，将应变片的电阻值变化转变为电压值变化，动态应变仪的输出端连接到测试系统的信号采集通道，测试系统通过网线与PC连接，动态应变仪与PC相连；力锤、左试件（2）、右试件（5）呈直线配置；加速度传感器（1）放置在左试件（2）、右试件（5）的端部；力锤与测试系统的力信号采集通道连接；力锤垂直激励左试件（2）端部，获取加速度信号和激励力信号，将各信号通过信号线传送给测试系统，经过测试系统的处理后传送至PC机。

2.根据权利要求1所述的一种测试结合面切向动态特性装置，其特征在于：所述左试件（2）为长方体。

3.根据权利要求1或2所述的一种测试结合面切向动态特性装置，其特征在于：加速度传感器Ⅰ（1）通过磁片固定在左试件（2）的左端，加速度传感器Ⅱ（7）通过磁片固定在右试件（5）的右端。

4.根据权利要求1或2所述的一种测试结合面切向动态特性装置，其特征在于：所述左试件（2）、右试件（5）、金属薄片（4）的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

5.根据权利要求1或2所述的一种测试结合面切向动态特性装置，其特征在于：所述左试件（2）、右试件（5）、金属薄片（4）间加30号机械油。

6.根据权利要求1或2所述的一种测试结合面切向动态特性装置，其特征在于：所述力锤采用型号为PCB—086C03的模态力锤；所述加速度传感器采用型号为PCB—333B30的加速度传感器；动态应变仪采用BZ2668动态应变仪。

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