CN103149002B - 一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法，上垫片和下垫片设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过支撑钢架，与上垫片接触；下垫片放置在支撑钢架的底部，与上垫片对应；所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫片，到达下垫片的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振器和支撑钢架固定在工作台上；所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上垫块、上试件、下试件、下垫块彼此的接触面处连接有磁性薄吸板，所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器；且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙，在上试件、下试件的外表面还设有加速度传感器，所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相连。

Description

一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法

技术领域

[0001] 本发明具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法。

背景技术

[0002] 制造业对设备加工水平的要求越来越高，如何提高机械装备的性能是一个重要课 题。导致机械装备加工性能复杂的一个因素就是其结构存在各种结合面，对机床而言，结合 面阻尼占整个机床阻尼的90%左右，而结合面接触刚度占机床总体刚度的60%_80%。所以， 弄清结合面对系统动力学行为的影响规律弥足重要，研宄结合面的法向动态特性参数即法 向接触刚度和阻尼，是提高制造装备性能的一个重要途径。

[0003] 现代机械设备分析多是采用有限元仿真分析，由于结合面的刚度、阻尼特性极其 复杂，目前主要通过实验方法识别，然后建立包含结合面拟合单元的有限元模型，再分析有 限元模型在各种工况下的动态特性，可大大提高分析效率。

[0004] 所以设计能有效识别结合面法向动态参数的测试装置是首要任务，是建立真实、 准确的有限元模型的基础。同时需要在测试装置上采集试件多个位置的位移、加速度等数 据，作为实际参照，修正有限元模型，使之尽量准确，方便后续分析。

发明内容

[0005] 针对以上问题，本发明提供一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法。

[0006] 本发明采用的技术方案如下：

[0007] -种结合面法向动态特性参数测试装置，包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流 传感器、磁性薄吸板、加速度传感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡 流位移传感器支架装配体，所述的上垫片和下垫片设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过 支撑钢架，与上垫片接触；下垫片放置在支撑钢架的底部，与上垫片对应；所述的力传感器 穿过支撑钢架的底部和下垫片，到达下垫片的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振 器和支撑钢架固定在工作台上；所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上试 件、下试件上设置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，所述的磁性薄吸板的上方或下方 设有涡流传感器；且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙，所述的涡流传感器、加速度传感器、 力传感器分别与信号处理装置相连。

[0008] 所述的涡流传感器由一个支架装配体固定，且涡流传感器通过螺栓与支架装配体 活动连接，所述的支架装配体固定于工作台上。

[0009] 所述的涡流传感器与位移信号放大器相连；所述的加速度传感器与电荷放大器相 连；所述的激振器与功率放大器相连，所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器 分别与动态信号分析仪相连，所述的动态信号分析仪与计算机相连。

[0010] 所述的工作台为刚性工作台，所述的预紧装置为预紧螺栓。

[0011] 在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料。 [0012] 所述的结合面法向动态特性参数测试装置的使用方法，包括以下步骤：

[0013] (1)首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件和下试件；

[0014] (2)由下至上安装测试装置，先完成激振器在刚性工作台上的安装与固定，然后安 装支撑钢架，在支撑钢架内由下至上地依次安放下垫块、下试件、上试件及上垫块；

[0015] (3)在上试件、下试件多个位置布置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，以测得 上下试件多个位置处的位移、加速度信号。

[0016] (4)将涡流传感器安装在支架装配体上，且使涡流传感器与磁性薄吸板的上方，调 节涡流传感器上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板间距，以便更好测量；

[0017] (5)通过激振器激励，同时记录各个传感器的相应信号；

[0018] (6)对各传感器信号进行后处理，得到法向动态特性参数值。

[0019] 所述的传感器信号后处理过程如下：

[0020] (1)由信号系统输出简谐信号，通过放大器进行功率放大，然后由激振器对下试件 施加简谐载荷f(t);

[0021] (2)建立测试装置中试件及结合面的动力学模型；将结合面等效为弹簧阻尼单元， 其中m x为下试件质量，K1为结合面的等效刚度，（^为结合面等效阻尼，δ ^t)为结合面处 位移(其4

,即取两个结合面处所测位移值的平均值，L1 (t)为吸附在下 试件表征结合面位移的磁性吸板位移量；δ # (t)为吸附在下试件表征结合面位移的磁性 吸板位移量)，f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力，fj(t)为等效到结合面处的 简谐力，下试件与结合面共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统；

[0022] 系统的运动微分方程为：

[0023] ( 1 ；

[0024]

[0025] (2)

[0026] 且近似为 fj (t) = FmCos ω t (3)

[0027] 其中：mxS下试件质量；a为下试件加速度；CjS结合面阻尼；K jS结合面刚度； S j(t)为结合面处位移；#/〇为结合面处速度，由位移求导而得；f(t)为激振器所施加在 下试件上的简谐激振力，f」(t)为等效到结合面处的简谐力。Fm为结合面处所受激振力幅 值；ω为激振力的频率；由于激励为简谐函数，故稳态响应即结合面处位移也是简谐函数， 且具有相同的ω，故有

[0028] ^ (4)

[0029] 式（4)中δ π为结合面位移幅值，ρ为相位差；ω为激振力的频率；

[0030] 将式（4)带入式（2)、（3)整理可得，

[0031] (5)

[0032] (6)

[0033] 艮P :

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] 由于f(t)、δ# α均可通过传感器测得，即在式（6)、（7)、（8)中Fn^ δ m已知， 但f*未知。故Kj和C j的求解过程中，-的求解是重点；本发明运用KelvinVoight模型应变 能有关结论：

[0038]

(10)

[0039] 带入式（9)，得

[0042]

(12)

[0040] (11)

[0041] 式（11)中Φ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数，其计算式为

[0043] 式（12)中E|为一个加、卸载循环中的耗能，E&为加载过程中的应变能，E#u为卸载 过程中的应变能，这三个参数通过实验获得，在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程， 根据结合面处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据，可以得到加卸载过程中的 应变能图，如图8所示。根据图8中所示各物理量含义，E|.为一个加、卸载循环中的耗能， 为加载过程中的应变能，E;为卸载过程中的应变能；Ftl为预紧后的作用力；δ #为施加 预紧作用力后的结合面初始位移量；FmS激振器施加的简谐激振力的幅值；△ δ j为结合 面在简谐激振力作用下的位移差；横轴为结合面接触位移，纵轴为结合面上的接触压力，再 经过数学计算，（数学计算方法属于现有技术），求得Φ值，带入式（11)即可求得V值，再 带入式（7)、（8)，即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。

[0044] 在本发明中，分别测量上下试件多个部位的位移、加速度值，为后续有限元模型的 准确建立提供实验对照数据。

[0045] 图中δ^Κδ' 2(t)分别为上下试件不同部位的位移测量值， as为上试件的加速度测量值。通过记录上下试件多个部位的参数值，为后续仿真分析过程 中修正模型提供了实验数据对照。

[0046] 本发明的有益效果是；（1)测量装置简单易行，测量方法新颖有效；（2)既可以测 接触体的实际法向动态参数，又可以根据测量接触面积而转化为单位面积上的法向动态参 数。（3)为后续仿真分析中修正有限元模型提供多个位置实验数据支撑。

附图说明

[0047] 图1装置整体主视图；

[0048] 图2装置整体侧视图；

[0049] 图3上下试件及结合面的结构图；

[0050] 图4上下试件及结合面的动力学模型示意图；

[0051] 图5多个涡流位移传感器布置示意图；

[0052] 图6测试系统示意图；

[0053] 图7粗糙结合面受力、位移示意图；

[0054] 图8Kelvin_Voight模型应变能示意图。

[0055] 图中：1.预紧螺栓、2支撑钢架、3上垫块、4涡流传感器、5磁性薄吸板、6加速度传 感器、7力传感器、8激振器、9减振橡胶材料、10刚性工作台、11下垫块、12下试件、13上试 件、14支架装配体、15结合面。

具体实施方式

[0056] 下面结合附图对本发明进行详细说明：

[0057] 该装置由以下部分组成：预紧螺栓1、支撑钢架2、上垫块3、涡流传感器4、磁性薄 吸板5、加速度传感器6、力传感器7、激振器8、减振橡胶材料9、刚性工作台10、下垫块11、 下试件12、上试件13、涡流位移传感器支架装配体14。其中预紧螺栓通过与支撑钢架2连 接对上垫块3施加作用力，为上试件13和下试件12接触提供预紧力。上试件13位于上垫 块3的正下方，下试件12的正上方，加速度传感器6靠磁力吸附在下试件12表面。下试件 12放在下垫块11正上方，然后下垫块11放在支撑钢架2上。激振器8通过激振杆和下垫 块11对下试件12施加作用力，由力传感器7测得相应激振力。激振器8与支撑钢架2通 过减振橡胶材料9,采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。涡流位移传感器支架装配 体14支撑各涡流位移传感器完成对各相配磁性薄吸板的位移测量，其中结合面15处磁性 薄吸板位移表示结合面15位移，用来计算法向动态特性参数，其他部位磁性薄吸板表示相 应部位的位移，在后续仿真研宄中作为实验对照修正有限元模型。涡流位移传感器支架装 配体14同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。激振力由动 态信号分析仪输出，通过功率放大器经激振器8施加到下试件11上，其大小通过力传感器7 测得。激振器8同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。装 置整体装配后的主视图、侧视图分别如图1、图2所示。

[0058] 上述测试装置测量动态特性参数的方法如下：

[0059] 所述的结合面15法向动态特性参数测试装置的使用方法，包括以下步骤：

[0060] (1)首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件13和下试件12 ;

[0061] (2)由下至上安装测试装置，先完成激振器8在刚性工作台10上的安装与固定， 然后安装支撑钢架2,在支撑钢架2内由下至上地依次安放下垫块11、下试件12、上试件13 及上垫块3 ;

[0062] (3)在上试件13、下试件12多个位置布置多个磁性薄吸板5与多个加速度传感器 6,以测得上试件13、下试件12多个位置处的位移、加速度信号。

[0063] (3)将涡流传感器4安装在支架装配体14上，且使涡流传感器4与磁性薄吸板5 的上方，调节涡流传感器4上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板5间距，以便更好测量；

[0064] (3)通过激振器8激励，同时记录各个传感器的相应信号；

[0065] (4)对各传感器信号进行后处理，得到法向动态特性参数值。

[0066] 传感器信号的计算过程如下：

[0067] (1)由信号系统输出简谐信号，通过放大器进行功率放大，然后由激振器8对下试 件12施加简谐载荷f(t);

[0068] (2)建立测试装置中试件及结合面15的动力学模型图表示如图3图4所示；将结 合面15等效为弹簧阻尼单元，其中m xS下试件12质量，K ,_为结合面15的等效刚度，C」为 结合面15等效阻尼，δ ^t)为结合面15处位移(其中

！卩取两个结合面 15处所测位移值的平均值)，f(t)为激振器8所施加在下试件12上的简谐激振力，A(t)为 等效到结合面15处的简谐力，下试件12与结合面15共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹 簧系统；

[0069] 系统的运动微分方程为：

[0070]

[0071]

[0072]

[0073] 且近似为 fj= F m cos ω t (3)

[0074] 式（3)中FmS结合面15处所受激振力幅值；由于激励为简谐函数，故稳态响应即 结合面15处位移也是简谐函数，且具有相同的ω，故有

[0075]

[0076] 式（4)中SmS结合面15位移幅值，f»为相位差；将式（4)带入式（2)、（3)整理可 得，

[0077]

[0078]

[0079] 艮P :

[0080]

[0081]

[0082]

[0083] 由于f(t)、δ」与α均可通过传感器测得，即在式（6)、（7)、（8)中FA δ m已知， 但V未知。故Kj和Cj的求解过程中，f?的求解是重点；本发明运用Kelvin-Voight模型应变 能有关结论：

[0084]

(10)

[0085] 带入式（9)，得

[0086]

(11)

[0087] 式（11)中Φ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数，其计算式为

[0088]

(12)

[0089] 式（12)中Ε|为一个加、卸载循环中的耗能，Efi为加载过程中的应变能，E|Q为卸载 过程中的应变能，这三个参数通过实验获得，在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程， 根据结合面15处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据，可以得到加卸载过程 中的应变能图，如图8所示，根据图8中所示各物理量含义，E|为一个加、卸载循环中的耗 能，Ep n1为加载过程中的应变能，为卸载过程中的应变能；F(i为预紧后的作用力；δ #为施 加预紧作用力后的结合面15初始位移量；FmS激振器8施加的简谐激振力的幅值；△ δ j 为结合面15在简谐激振力作用下的位移差；横轴为结合面15接触位移，纵轴为结合面15 上的接触压力，再经过数学计算求得Φ值，带入式（11)即可求得Φ值，再带入式（7)、（8)， 即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。

[0090] 在本发明中，分别测量上试件13和下试件12多个部位的位移、加速度值，为后续 有限元模型的准确建立提供实验对照数据。

[0091] 图中δΑ)、δ ' i(t)、δ2α)、δ ' 2(t)分别为上试件13和下试件12不同部位 的位移测量值，as为上试件的加速度测量值。通过记录上试件13和下试件12多个部位的 参数值，为后续仿真分析过程中修正模型提供了实验数据对照。

Claims (5)

1. 一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，其特征是，所述结合面法向动 态特性参数测试装置包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流传感器、磁性薄吸板、加速度传 感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡流位移传感器支架装配体，所 述的上垫块和下垫块设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过支撑钢架，与上垫块接触；下垫 块放置在支撑钢架的底部，与上垫块对应；所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫块， 到达下垫块的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振器和支撑钢架固定在工作台上； 所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上试件、下试件上设置多个磁性薄吸板 与多个加速度传感器，所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器；且涡流传感器与 磁性薄吸板有间隙，所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相 连； 所述的结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，包括以下步骤： (1) 首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件和下试件； (2) 由下至上安装测试装置，先完成激振器在刚性工作台上的安装与固定，然后安装支 撑钢架，在支撑钢架内由下至上地依次安放下垫块、下试件、上试件及上垫块； (3) 在上试件、下试件多个位置布置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，以测得上下 试件多个位置处的位移、加速度信号； (4) 将涡流传感器安装在支架装配体上，且使涡流传感器安装在磁性薄吸板的上方，调 节涡流传感器上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板间距，以便更好测量； (5) 通过激振器激励，同时记录各个传感器的相应信号； (6) 对各传感器信号进行后处理，得到法向动态特性参数值； 其特征在于：所述的传感器信号后处理过程如下： (1) 由信号系统输出简谐信号，通过放大器进行功率放大，然后由激振器对下试件施加 简谐载荷f(t); (2) 建立测试装置中试件及结合面的动力学模型；将结合面等效为弹簧阻尼单元，其 中叫为下试件质量，为结合面的等效刚度，（^为结合面等效阻尼，为结合面处位 移，其中5/t) 即取两个结合面处所测位移值的平均值，Sn(t)为吸附在下试 件表征结合面位移的磁性吸板位移量；\_2(t)为吸附在上试件表征结合面位移的磁性吸 板位移量；f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力，fj(t)为等效到结合面处的简谐 力，下试件与结合面共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统； 系统的运动微分方程为：

且近似为fj(t) =Fmcos«t(3) 其中：mxS下试件质量；a为下试件加速度；q为结合面阻尼；为结合面刚度； 为结合面处位移； <(>)为结合面处速度，由位移求导而得；f(t)为激振器所施加在下试件 上的简谐激振力，f」(t)为等效到结合面处的简谐力；Fm为结合面处所受激振力幅值；《为 激振力的频率；由于激励为简谐函数，故稳态响应即结合面处位移也是简谐函数，且具有相 同的《，故有

(4) 式（4)中八为结合面位移幅值，f?为相位差；《为激振力的频率； 将式⑷带入式（2)、（3)整理可得， 即：

由于f(t)、8』与a均可测，即在式（6)、（7)、（8)中Fm与Sm已知，但，未知；故\和Cj的求解过程中，-的求解是重点；运用Kelvin-Voight模型应变能有关结论，

式（11)中屯为Kelvin-Voight模型中的耗能系数，其计算式为

式（12)中E|为一个加、卸载循环中的耗能，为加载过程中的应变能，E;为卸载过 程中的应变能。

2. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，其特征在 于：所述的涡流传感器由一个支架装配体固定，且涡流传感器通过螺栓与支架装配体活动 连接，所述的支架装配体固定于工作台上。

3. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，其特征在 于：所述的涡流传感器与位移信号放大器相连；所述的加速度传感器与电荷放大器相连； 所述的激振器与功率放大器相连，所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器分 别与动态信号分析仪相连，所述的动态信号分析仪与计算机相连。

4. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，其特征在 于：所述的工作台为刚性工作台，所述的预紧装置为预紧螺栓。

5. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法，其特征在 于：在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料层。