CN102519718B - 一种热载荷下回转体结合面接触参数的检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热载荷下回转体结合面接触参数的检测方法与系统，测量系统由四个模块组成，分别是：热加载模块、温度检测模块、工件移动平台、超声检测模块。本发明方法可实现对回转体在热载荷下结合面接触参数的检测，且不会对被测工件造成损害，不会影响接触转台。加热片灵活的布置在工件的各个部分，能够模拟多种实际的热载荷工况。检测精度与准确度高。

Description

一种热载荷下回转体结合面接触参数的检测方法与系统

技术领域

本发明涉及一种结合面接触特性检测领域，特别涉及一种热载荷下回转体结合面接触参数的检测方法。

背景技术

回转体配合工件(如圆柱、圆锥配合面)在机械加工、生产、装配中有着大量的应用，而其应用领域中大多会有热载荷的产生，回转体结合面在热载荷作用下的接触参数(接触面积、接触压力分布、接触刚度)对机械系统整体性能有较大影响。例如高速旋转的轴承与轴或轴套的结合面特性会受到热载荷的严重影响；机床工作时，机床刀柄与刀具的结合面同样受到热载荷影响，导致其接触刚度变化进而影响加工精度；再如汽车发动机气缸与活塞环配合面等。因此，实现热载荷下回转体配合面接触性能的直接、准确、快速的检测对回转体结合面合理设计、制造与装配具有重要指导意义。

目前，尚无有效的直接测量热载荷下回转体配合面接触性能的有效方法。现在的方法是，对工件进行热加载后冷却至室温，对其进行拉脱力实验，对其轴向施以一定拉伸速率的拉力。通过拉脱力与残余接触应力的函数关系求得残余接触应力，以此来评价其接触特性的变化。(热载荷对双金属复合管结合强度的影响，陈海云等，2006年)但该方法对对冷至室温的配合工件进行检测已经不能反映热载荷下结合面接触的状态，且检测过程会损坏工件。而结合面特性检测中常用的超声波方法，无法实现热载荷下接触特性的检测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种热载荷下回转体结合面接触特性的测量系统及检测方法。

一种热载荷下回转体结合面接触特性测量系统。测量系统由四个模块组成，分别是：热加载模块、温度检测模块、工件移动平台、超声检测模块。其中，热加载模块与工件移动平台连接，将热量以不同的形式加载到工件上；温度检测模块也与工件移动平台连接，检测热加载过程中工件的温度变化；超声波检测模块与工件移动平台连接，检测热加载过程中工件结合面处的超声回波信号。

热加载模块，包括防水加热片与稳压电源；

温度检测模块，包括防水热电阻与温度巡检仪；

工件移动平台，包括三个方向上的移动平台；

超声波检测模块包括超声波脉冲发射接收器、水浸式聚焦超声波探头和高性能示波器。

一种热载荷下回转体结合面接触特性检测方法。

1、制作两个相同的轴套和一个轴，并将其中一个轴与轴套装配好，结合面处使用密封蜡密封，将另外一个轴套两端用密封胶密封，防止进水。

2、防水加热片布置：根据被测工件的传热方式，在装配体上放置防水加热片，由外向内传热时紧贴配合工件的外表面布置与外表面形状相同的防水加热片，由轴线向外传热时在配合工件内轴两端面布置防水加热片，由轴一端向另一端及外表面传热时在轴的一端布置圆形防水加热片。

3、热电阻布置：在工件两端、外圆表面布置热电阻并与温度巡检仪相连以获得热加载时工件的实际温度，在靠近工件的水中布置热电阻用于检测水的温度T₀。

4、启动热加载模块对装配体进行加热，并观测由热电阻获得的工件实际温度，待其达到指定温度且不随时间变化时，利用超声探头扫描结合面，得到结合面处超声波回波信号幅值矩阵H_i。

5、在密封好的单个轴套上布置加热片及热电阻，对轴套加热使水的温度达到T₀，利用超声波探头扫描轴套上结合面，回波信号幅值矩阵H₀。并利用下式计算反射率：

$R=\frac{H_i}{H_0}$

6、接触刚度计算，利用下式及反射率矩阵R可计算结合面接触刚度：

$\left|R\right|=\frac{1}{\sqrt{1+(2K/\mathrm{\ωz})}}$

7、根据射率-压力曲线及反射率矩阵R得到结合面上的压力分布。

与现有技术相比，本发明的突出特点有：本方法可实现对回转体在热载荷下结合面接触参数的检测，且不会对被测工件造成损害，不会影响接触转台。加热片灵活的布置在工件的各个部分，能够模拟多种实际的热载荷工况。检测精度与准确度高。

附图说明

图1是两端受热下回转体内导热示意图；

图2是外表面受热下回转体导热示意图；

图3是测量装置的示意图；

图4是各个模块之间的关系示意图；

图中1为被测的轴，2为被测的轴套，3、4为布置加热片的端面处，5为布置加热片的外圆表面，6为工件，7为水槽，8为工件移动平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测方法作进一步详细说明。

实施例1，两端受热下回转体结合面接触特性检测

1、对被测试的圆柱结合面，制作两个完全相同的轴套(尺寸、材料、表面形貌、热处理方式相同)、一个轴，使用丙酮对工件进行清理，将轴与一个轴套组装成装配体。用密封蜡对装配体结合面处进行密封，用密封胶对轴套两端进行密封。

2、在装配体轴的端面布置防水加热片与热电阻，轴套表面、距工件外表面10mm处布置热电阻。将待测装配体工件安装在有旋转自由度的工件固定轴上，并确保工件与旋转电机轴同轴。

3、实验前对水槽进行清理，在水槽中注入蒸馏水高度没过回转体配合面最上端5mm左右。并调整探头及工件相互位置进行对焦，确保超声波焦点位于结合面上。

4、对装配体进行加热到指定值，待热电阻测得的温度不再变化时，开始扫描结合面，此时水中温度为T₀。超声波探头从初始位置进行一条母线的扫描，完成后通过工件的自动旋转自由度控制回转体工件旋转单位角度，进行第二条母线的扫描，以此重复操作过程，直至完成整个圆柱回转体配合面的扫描。保存结合面处超声回波信号，同样对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取频率f₀处幅值，构建矩阵H_i。

5、将未装配的轴套作为检测对象，利用密封胶密封，保证内腔封闭不透水，夹具轴线与轴套轴线共线。在轴套的端面布置防水加热片与热电阻，轴套表面、距工件外表面10mm处布置热电阻。

6、对轴套进行加热，待热电阻测得水中的温度为T₀且不再变化时，利用水浸式聚焦超声波探头扫描轴套内表面的一条母线，扫描时应保证超声波焦点位于轴套配合表面的母线上，保存母线上每个点的超声波回波信号，对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取幅频特性中幅值较大者，此时频率为f₀，组成参考信号列向量H₀。

7、扫描数据处理。利用矩阵H_i的每个列向量与H₀相比，得到反射率矩阵R：

$R=\frac{H_i}{H_0}$

8、利用反射率矩阵R、超声波频率f₀、被测试件的声阻抗z，根据反射率与接触刚度计算公式计算结合面接触刚度：

$\left|R\right|=\frac{1}{\sqrt{1+(2K/\mathrm{\ωz})}}$

9、利用反射率矩阵R及公知的反射率-压力曲线计算结合面接触压力分布。

实施例2，圆柱结合面由外向内导热时接触特性检测

1、对被测试的圆柱结合面，制作两个完全相同的轴套(尺寸、材料、表面形貌、热处理方式相同)、一个轴，使用丙酮对工件进行清理，将轴与一个轴套组装成装配体。用密封蜡对装配体结合面处进行密封，用密封胶对轴套两端进行密封。

2、在装配体轴套的外表面布置防水加热片与热电阻，轴套表面、距工件外表面10mm处布置热电阻。将待测装配体工件安装在有旋转自由度的工件固定轴上，并确保工件与旋转电机轴同轴。

3、实验前对水槽进行清理，在水槽中注入蒸馏水高度没过回转体配合面最上端5mm左右。并调整探头及工件相互位置进行对焦，确保超声波焦点位于结合面上。

4、对装配体进行加热到指定值，待热电阻测得的温度不再变化时，开始扫描结合面，此时水中温度为T₀。超声波探头从初始位置进行一条母线的扫描，完成后通过工件的自动旋转自由度控制回转体工件旋转单位角度，进行第二条母线的扫描，以此重复操作过程，直至完成整个圆柱回转体配合面的扫描。保存结合面处超声回波信号，同样对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取频率f₀处幅值，构建矩阵H_i。

5、将未装配的轴套作为检测对象，利用密封胶密封，保证内腔封闭不透水，夹具轴线与轴套轴线共线。在轴套的外表面布置防水加热片与热电阻，轴套表面、距工件外表面10mm处布置热电阻。

6、对轴套进行加热，待热电阻测得水中的温度为T₀且不再变化时，利用水浸式聚焦超声波探头扫描轴套内表面的一条母线，扫描时应保证超声波焦点位于轴套配合表面的母线上，保存母线上每个点的超声波回波信号，对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取幅频特性中幅值较大者，此时频率为f₀，组成参考信号列向量H₀。

7、扫描数据处理。利用矩阵H_i的每个列向量与H₀相比，得到反射率矩阵R：

$R=\frac{H_i}{H_0}---\left(2\right)$

8、利用反射率矩阵R、超声波频率f₀、被测试件的声阻抗z，根据反射率与接触刚度计算公式计算结合面接触刚度：

$\left|R\right|=\frac{1}{\sqrt{1+(2K/\mathrm{\ωz})}}$

9、利用反射率矩阵R及公知的反射率-压力曲线计算结合面接触压力分布。

Claims (6)

1.一种热载荷下回转体结合面接触参数的检测系统，由四个模块组成，分别是：热加载模块、温度检测模块、工件移动平台、超声波检测模块，其中，热加载模块与工件移动平台连接，将热量以不同的形式加载到工件上；温度检测模块也与工件移动平台连接，检测热加载过程中工件的温度变化；超声波检测模块与工件移动平台连接，检测热加载过程中工件结合面处的超声回波信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，热加载模块，包括防水加热片与稳压电源。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，温度检测模块，包括防水热电阻与温度巡检仪。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，工件移动平台，包括三个方向上的移动平台。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，超声波检测模块包括超声波脉冲发射接收器、水浸式聚焦超声波探头和高性能示波器。

6.一种热载荷下回转体结合面接触参数检测方法，其特征在于，

1）制作两个相同的轴套和一个轴，并将其中一个轴与轴套装配好，结合面处使用密封蜡密封，将另外一个轴套两端用密封胶密封，防止进水；

2）防水加热片布置：根据被测工件的传热方式，在装配体上放置防水加热片，当由外向内传热时，在紧贴配合工件的外表面布置与外表面形状相同的防水加热片，当由轴线向外传热时，在配合工件内轴两端面布置防水加热片，当由轴一端向另一端及外表面传热时，在轴的一端布置圆形防水加热片；

3）热电阻布置：在工件两端、外圆表面布置热电阻并与温度巡检仪相连以获得热加载时工件的实际温度，在靠近工件的水中布置热电阻用于检测水的温度T₀；

4）启动热加载模块对装配体进行加热，并观测由热电阻获得的工件实际温度，待其达到指定温度且不随时间变化时，利用超声探头扫描结合面，得到结合面处超声波回波信号幅值矩阵H_i；

5）在密封好的单个轴套上布置加热片及热电阻，对轴套加热使水的温度达到T₀，利用超声波探头扫描轴套上结合面，回波信号幅值矩阵H₀；并利用下式计算反射率：

$R=\frac{H_i}{H_0}$

6）接触刚度计算，利用下式及反射率矩阵R可计算结合面接触刚度：

$\left|R\right|=\frac{1}{\sqrt{1+(2K/\mathrm{\ωz})}}$

其中，K为结合面的刚度，ω为超声波的角速度，z为被测试件的声阻抗；

7）根据反射率-压力曲线及反射率矩阵R得到结合面上的压力分布。

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