CN102393330B - 一种测试结合面切向刚度特性的装置 - Google Patents

Abstract

一种测试结合面切向刚度特性的装置，属于机械设计与制造领域，由实验加载装置(1)和切向实验组件构成。上试件(7)和下试件(6)对接，其接口处留有缝隙，压板(3)和压板(11)分别放置于与试件对接面相垂直的两表面，通过两个高强度螺栓(9)和(10)连接固定，构成切向实验组件，且高强度螺栓(9)和(10)关于上、下试件接口缝隙对称；接口缝隙的两侧布有支架(8)，(5)以安装电涡流位移传感器(4)；测量加载力信号的力传感器(14)及测量结合面切向的位移变化量电涡流位移传感器(4)连接入信号采集系统。本发明具有机械加工简单、装卡方便、装置通用性强、参数容易控制等优点。

Description

一种测试结合面切向刚度特性的装置

技术领域

本发明公开了一种测试结合面切向刚度特性的装置，属于机械设计与制造领域。

背景技术

机床以及各类机械都是由各种零件按具体要求组合起来的，零组件、部件之间相互接触的表面被称为“结合面”。结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或系统不再具有连续性，进而导致了问题的复杂性。结合面存在着接触刚度和接触阻尼，许多研究表明，机床中结合面的接触刚度约占机床总刚度的60％～80％，而结合面处接触阻尼占机床总阻尼的90％以上，机床上出现振动问题有60％以上是源自结合面。因此结合部问题是研究机械系统的一个重要基础问题，而刚度特性实验研究与建模是机械动力学由单件分析走向整机分析所要解决的关键问题，也是确保机床整机特性预测模型是否正确的重要依据。

影响结合面刚度特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

(1)结合面材质(包括材料、硬度等)；

(2)结合面的加工方法(常用方法：车、铣、刨、磨、刮等)；

(3)结合面的加工质量(包括表面粗糙度、波纹度、平面度)；

(4)结合面的介质状况(包括干结合面、有油结合面)；

(5)结合面的法向面压(简称面压)；

(6)结合面间的相对位移性质(法向位移、切向位移、转角)；

(7)结合面的功能(固定结合面、运动结合面等)；

(8)结合面处的结构类型和尺寸大小等。

这么众多的影响因素，再加之它们的影响规律又多种多样，而且有些因素相互间又有影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。

发明内容

鉴于上述特点，并在总结前人研究的基础上，本装置的设计遵循以下设计原则。

1.保持结合部上各点预压力均匀分布，且能达到机械结构中实际结合部的面压范围，并易于控制和调整。

2.保持上下试件测试过程中同心，且几何轴心与集中载荷力在同一直线。

3.为了便于对影响结合部刚度特性的各基本影响因素进行研究，应保证试件易于更换、易于定位。

4.尽量减少测量的物理量的个数，尽量采用直接测量，减少间接测量。

5.保证能够将结合部刚度特性从实验装置系统的特性中分离出来。

跟据以上原则，本发明设计一套完整的测试结合面切向刚度特性的装置与方法，其根本目的就在于要通过实验来获得各种结合条件(即各种不同的基本影响因素)下结合面的切向刚度特性参数，并通过整理分析研究它们与各基本影响因素之间的关系。最终给机械结构CAE模型提供类似于零件材料常数的具有通用性的结合面刚度特性参数，并能方便地提供实际解析以供使用。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种测试结合面切向刚度特性的装置，它主要由带有力传感器14的实验加载装置1和切向实验组件构成；其特征在于，上试件7和下试件6对接，其接口处留有缝隙，压板3和压板11分别放置于与试件对接面相垂直的两表面，通过两个高强度螺栓9和10连接固定，构成切向实验组件，且高强度螺栓9和10关于上、下试件接口缝隙对称；接口缝隙的两侧布有支架8，5以安装电涡流位移传感器4；切向实验组件通过液压卡头2和12装卡到实验加载装置1上；当实验加载装置1进行加载，液压杆13回缩，测量加载力信号的力传感器14及测量结合面切向的位移变化量电涡流位移传感器4连接入信号采集系统。

上试件7和下试件6之间的缝隙为2mm。

高强度螺栓9、10沿轴向植入应变片，其输出端连一电桥，通过动态应变仪接入信号采集系统，最终得到法向面压值。

测量结合面处的轴向位移的电涡流位移传感器4布于实验组件的两侧，沿轴线对称。

本发明公开了一种测试结合面切向刚度特性的装置，具有机械加工简单、装卡方便、装置通用性强、参数容易控制等优点。解决了切向结合面刚度特性难以测试的难题，对推动机床等大型高精密机械结构的数字化样机的优化具有重要意义。

附图说明

图1是本发明测试结合面切向刚度特性的实验装置图。

图2是本发明测试结合面切向刚度特性的切向实验组件的主视图。

图3是本发明测试结合面切向刚度特性的切向实验组件的俯视图。

图4是安装两个电涡流位移传感器的上支架主视图。

图5是安装两个电涡流位移传感器的上支架俯视图。

图6是安装两个电涡流位移传感器的下支架主视图。

图7是安装两个电涡流位移传感器的下支架俯视图。

图8是切向实验组件的上试件。

图9是切向实验组件的下试件。

图10是切向实验组件的压板。

图11是本发明测试结合面切向刚度特性的原理图。

图中：1、实验加载装置，2、液压卡头，3、压板，4、电涡流位移传感器，5、支架，6、下试件，7、上试件，8、支架，9、高强度螺栓，10、高强度螺栓，11、压板，12、液压卡头，13、液压杆，14、力传感器。

具体实施方式

下面结合工作原理和结构附图对本发明进一步详细说明。

图1为测试结合面切向刚度特性的实验装置图，它主要由带有力传感器14的实验加载装置1和切向实验组件构成；其特征在于，上试件7和下试件6对接，其接口处留有缝隙，压板3和压板11分别放置于与试件对接面相垂直的两表面，通过两个高强度螺栓9和10连接固定，构成切向实验组件，且高强度螺栓9和10关于上、下试件接口缝隙对称；接口缝隙的两侧布有支架8，5以安装电涡流位移传感器4；切向实验组件通过液压卡头2和12装卡到实验加载装置1上；当实验加载装置1进行加载，测量加载力信号的力传感器14及测量结合面切向的位移变化量电涡流位移传感器4连接入信号采集系统。

图2为测试结合面切向刚度特性的切向实验组件的主视图，由上试件7、下试件6、压板11、压板3和两个高强度螺栓9和10组成。通过调节螺栓的预紧力来改变其法向面压。高强度螺栓9和10沿轴向植入应变片，其输出端连一电桥，通过动态应变仪和信号采集系统，最终可以得到准确的法向面压值。

图3为切向实验组件的俯视图，由图可以明确的看到，压板与试件是同宽的。

图4～图7为安装电涡流位移传感器的支架图，这种结构即不会干涉到所测的结合面特性，又可以精确定位。

图8～图10分别为上、下试件和压板，当两个试件圆孔端对接，接口处留2mm的间隙，同侧螺纹孔孔间距应与压板长度相等。

图11测试结合面切向刚度特性的原理图，当实验加载装置对带有电涡流位移传感器的切向实验组件缓慢的加载一个匀速变化的切向拉力，可得到相应的切向位移。由力传感器14及电涡流位移传感器4经过信号采集系统处理可获得切向拉力-切向位移的曲线图，然后对其求导即可得切向刚度-切向拉力或切向刚度-切向位移的曲线图。

影响结合面切向刚度的因素很多(结合面的面积、粗糙度、结合面之间的介质、法向面压大小等)，可以在保持其它条件不变的情况下，改变某一因素，来探讨和研究其与结合面切向刚度之间的关系。

Claims (4)

1.一种测试结合面切向刚度特性的装置，它主要由带有力传感器（14）的实验加载装置（1）和切向实验组件构成；其特征在于，上试件（7）和下试件（6）对接，其接口处留有缝隙，第一压板（3）和第二压板（11）分别放置于与上试件和下试件对接面相垂直的两表面，通过两个高强度螺栓（9，10）连接固定，构成切向实验组件，且高强度螺栓（9，10）关于上、下试件接口缝隙对称；接口缝隙的两侧布有支架（8，5）以安装电涡流位移传感器（4）；切向实验组件通过液压卡头（2，12）装卡到实验加载装置（1）上；当实验加载装置（1）进行加载，测量加载力信号的力传感器（14）及测量结合面切向的位移变化量电涡流位移传感器（4）连接入信号采集系统。

2.根据权利要求1所述的一种测试结合面切向刚度特性的装置，其特征在于：上试件（7）和下试件（6）之间的缝隙为2mm。

3.根据权利要求1所述的一种测试结合面切向刚度特性的装置，其特征在于：高强度螺栓（9、10）沿轴向植入应变片，其输出端连一电桥，通过动态应变仪接入信号采集系统，最终得到法向面压值。

4.根据权利要求1所述的一种测试结合面切向刚度特性的装置，其特征在于，测量结合面处的切向位移的电涡流位移传感器（4）布于切向实验组件的两侧，沿轴线对称。

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