CN104390772A - 一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置及测试方法，包括试验台架、加载设备、套筒式机构与测试设备；套筒式机构外筒通过转接工装固定于试验台架上；机电式加载装置通过钢丝绳、拉力传感器与套筒式机构内筒连接，向套筒式机构施加轴向载荷。套筒式机构内筒前端通过节配重施加横向载荷。拉力传感器测量加载装置施加的水平拉力；配重前端安装低频加速度传感器，测量配重的摆动加速度以及其引起的附加拉力；拉绳位移传感器测量内筒水平滑动位移，并在外筒不同位置处粘贴应变片监测内筒滑动过程中外筒的变形情况。本发明优点为：使用便捷、操作方便、性能稳定可靠，测量精度高、适用范围广等特点。

Description

一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及静态和滑动摩擦力测量领域，具体的说是一种套筒式机构在横向载荷作用下的静态和动变摩擦力的测试装置和测试方法。

背景技术

静态和滑动摩擦力广泛存在于汽车、航空、航天等工业领域的机械连接中，是在静动力学理论研究、数值仿真分析中获得精确结果的重要因素，同时也是影响试验结果的重要因子。由于摩擦产生机理还未完全明确，较难从理论上分析获得大型机构的摩擦力，因此试验是获得静、动摩擦力的常用方法之一。套筒式机构是一种常用的作动装置，在使用过程中不可避免的存在横向载荷作用，因此针对套筒式机构设计一种在横向载荷作用下操作方便、性能稳定可靠、适用范围广的摩擦力测试装置具重要的工程价值和广阔的应用前景。目前为止，摩擦力测试装置有弹簧测力计-滑动板式简易装置、测试发动机气/油缸活塞与缸壁之间摩擦力的复杂装置等，然而国内目前还未出现针对大型套筒式结构在横向载荷作用下静态、动变摩擦力的测试装置，且对于套筒式机构上述简易装置和复杂装置存在如下一些弊端：

(1)简易测试装置难以保证匀速运动状态；

(2)简易测试装置难以保证内外筒之间不发生相对转动，也难以保证拉力方向、内外筒轴线处于同一水平线上

(3)对于套筒式机构，上述测试装置难以测试其在横向载荷作用下内外筒之间的摩擦力；

(4)对于套筒式机构，上述测试装置难以测试得到静、动摩擦力随内外筒相对位移的变化规律。

因此可以看出，这些方法均不适用于测试套筒式机构在横向载荷作用下的静、动摩擦力，开发一种新型套筒式机构静态、动变摩擦力的测量系统是非常必要的

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置和测试方法，为理论分析和工程应用提供可靠的测试数据和技术支持。

本发明一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，包括试验台架、加载设备、套筒式机构与测试设备。

所述试验台架前部设置有加载设备、中部安装有身部支撑组件、后部安装有末端连接组件。套筒式机构为具有内套筒与外套筒嵌套安装的双层结构套筒；外套筒身部通过身部支撑组件支撑；外套筒末端与末端连接组件相连，通过末端连接组件支撑。

所述加载设备包括机电式加载装置、钢丝绳、配重与转接头。其中，机电式加载装置包括低速电机、阶梯轴、联轴器、一对轴承及轴承座；低速电机通过电机支撑座固定在底板A上；一对轴承通过轴承座安装在底板A上；阶梯轴与一对轴承配合安装，阶梯轴一端通过联轴器与低速电机的输出轴同轴相连；钢丝绳缠绕在阶梯轴上，一端与阶梯轴固定，另一端与测试设备中的拉力传感器相连；拉力传感器固定安装在转接头的前端面上，转接头后端与套筒式机构中内套筒端面固连；同时转接头上还通过连杆吊装有配重。

所述测试设备包括低拉力传感器、频加速度传感器、拉绳位移传感器、应变片、动态应变仪、数据采集仪与测试计算机。拉力传感器用来测量机电式加载装置对套筒式机构中内套筒施加的水平拉力。低频加速度传感器用来测量配重摆动所引起的加速度信号；拉绳位移传感器用来测量内套筒水平滑动的位移。套筒式机构的外套筒侧壁上，位于外套筒的前端、中部、与末端处，各在上下位置粘贴一片应变片，分别用于监测当套筒式机构中内套筒相对于外套筒滑动时，外套筒上下表面的变形。数据采集仪与拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器相连，用来采集拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器测得的拉力信号、加速度信号与位移信号，并传输到测试计算机进行存储，通过测试计算机进行计算处理，即可获得内套筒与外套筒间的静态和滑动摩擦阻力值。同时各应变片与动态应变仪连接，动态应变仪将各应变片的电压信号传输到数据采集仪和测试计算机进行采集存储，实现测量过程中套筒式机构的外套筒上下表面变形的实时监测。

基于一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置的测试方法，通过下述步骤实现：

步骤一：在地基上设置试验台架，并在试验台架上安装身部支撑组件与末端连接组件。

步骤二：将套筒式机构的外套筒左端通过身部支撑组件支撑固定；外套筒的末端通过末端连接组件连接支撑定位；使内套筒与外套筒的轴线水平；并在内套筒前端端部安装转接头。

步骤三：在试验台架上安装机电式加载装置，在转接头前端面安装拉力传感器，并通过钢丝绳将机电式加载装置与拉力传感器连接；使钢丝绳与套筒式机构轴线同轴，且在同一水平面上垂直于加载装置的轴线。

步骤四：在套筒式机构的外套筒侧壁上，位于外套筒的前端、中部、与末端处，各在上下位置粘贴一个应变片，上下表面均布粘贴六块应变片，并与动态应变仪连接；在转接头上吊装配重；同时安装低频加速度传感器、拉绳位移传感器。

步骤五：将拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器和动态应变仪连接于数据采集仪和测试计算机。

步骤六：开启套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，利用测试计算机记录存储测试数据，包括拉力传感器测得的套筒式机构中内套筒所受水平拉力信号；低频加速度传感器测得的配重摆动所引起的加速度信号；拉绳位移传感器测得的套筒式机构中内套筒水平滑动的位移信号。

步骤七：关闭套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，通过测试计算机对测试数据进行处理，获得各传感器的时间历程曲线、静摩擦力和滑动摩擦力随套筒式机构中内套筒位移的变化曲线。

步骤八：返回执行步骤6与7，保证试验数据的重复性。

本发明的优点在于：

1、本发明测试装置能测试得到套筒式机构在横向载荷作用下的静态摩擦力和滑动摩擦力随内外筒相对位移的变化规律，且易于调节横向载荷作用、拉伸位移，拉伸速度等；

2、本发明测试装置中外筒易于安装固定，内外筒之间不会发生绕轴相对转动；

3、本发明测试装置易于通过调整工装，以保证拉力方向与内外筒轴线同轴，且与加载装置的轴线在同一水平面内相互垂直；

4、本发明中机电式加载装置易于实现水平缓慢匀速加载，系统性能稳定可靠；

5、本发明测试装置具有结构简单、使用便捷、测试误差小、适用范围广等优点。

附图说明

图1为本发明套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置整体结构示意图；

图2为本发明套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置中身部支撑组件结构示意图；

图3为本发明套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置中末端连接组件结构示意图；

图4为本发明套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置中机电式加载装置结构示意图。

图中：

1-试验台架               2-身部支撑组件              3-末端连接组件

4-加载设备               5-套筒式机构                6-测试设备

101-固定台架             102-安装底板                103-侧向支撑座

201-斜支撑支座           202-斜支撑件                203-连接面

204-支撑面               205-安装面                  301-法兰盘底座

302-连接法兰盘           303-连接板                  401-机电式加载装置

402-钢丝绳               403-配重                    404-转接头

405-低速电机             406-阶梯轴                  407-联轴器

408-轴承                 409-轴承座                  501-内套筒

502-外套筒               601-拉力传感器              602-低频加速度传感器

603-拉绳位移传感器       604-应变片                  605-动态应变仪

606-数据采集仪           607-测试计算机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，包括试验台架、身部支撑组件2、末端连接组件3、加载设备4、套筒式机构5与测试设备6，如图1所示。

所述试验台架包括固定台架101与安装底板102。其中，固定台架101为3个，采用立式刚性固定台架101。令3个固定台架101分别为前固定台架101、中固定台架101与后固定台架101，则3个固定台架101由前至后并排刚性固定于地基之上。前固定台架101、中固定台架101与后固定台架101上表面分别各安装有一块安装底板102，令分别为安装底板102A、安装底板102B与安装底板102C，并保证安装底板102A、安装底板102B与安装底板102C上表面呈水平设置。安装底板102A上采用刚性连接方式安装加载设备4中的机电式加载装置401；安装底板102A与前固定台间还通过侧向支撑座103相连，通过侧向支撑座103来加强安装底板102A的弯曲刚度，以保证机电式加载装置401的固支边界条件。安装底板102B与安装底板102C上分别安装有身部支撑组件2与末端连接组件3，分别用来对套筒是机构中外套筒502身部与外套筒502末端进行定位及支撑，实现套筒式机构5的安装。所述的套筒式机构5为具有内套筒501与外套筒502嵌套安装的双层结构套筒，如：飞机起落架的缓冲器、液压阻尼器等。

本发明中身部支撑组件2采用两套斜支撑结构，左右对称安装在安装底板102B上，如图2所示。其中，每套斜支撑结构分别由斜支撑支座201与斜支撑件202构成。斜支撑支座201底面固定于安装底板102B上，斜支撑支座201的内侧面作为连接斜支撑件202的连接面203，为向后倾斜的斜面。斜支撑件202具有一个支撑面204与一个安装面205；且支撑面204为弧面，安装面205为向前倾斜的斜面。上述结构斜支撑件202通过自身的安装面205与斜支撑支座201的内侧面贴合固定；固定后保证两套斜支撑结构中斜支撑件202中支撑面204相对，且两套斜支撑结构中支撑面204的弧度所对应圆的轴线与水平面平行，直径等于套筒式机构5中外套筒502的外径，通过将套筒式机构5中外套筒502身部配合设置在两套斜支撑组件中斜支撑件202的支撑面204间，通过螺栓固定，实现套筒式机构5中外套筒502身部的支撑与定位。通过上述结构斜支撑结构可保证身部支撑组件2的刚度；斜支撑支座201与斜支撑件202间采用斜面相接的方式，实现采用一套工装即可抵消水平力和垂直力的作用。上述两套斜支撑结构在安装底板102B上的间距可调，以此适应不同外径外套筒502的套筒式机构5安装。

所述末端连接组件3采用法兰连接结构，包括法兰盘底座301与连接法兰盘302，如图3所示。其中，连接法兰盘302向后倾斜设置，底面与法兰盘底座301顶部设计斜面配合固定。连接法兰盘302内侧面上安装有两块相互平行垂直于水平面的连接板303由此通过在套筒式机构5中外套筒502末端端面上设计安装板，将安装板插入两块连接板303间，通过螺栓固定，实现套筒式机构5中外套筒502末端的支撑与定位，进而实现套筒式机构5的整体支撑与定位。通过上述结构末端连接组件3，可确保试验对象不会发生绕轴线的转动和沿轴向上的滑动；连接法兰盘302倾斜设置，与连接法兰盘302间采用斜面相接的方式，同样实现了采用一套工装即可抵消水平力和垂直力的作用，且上述结构中，需通过调整工装，以保证套筒式机构5的内套筒501与外套套筒的轴线与水平面平行。

所述加载设备4包括机电式加载装置401、钢丝绳402、配重403与转接头404。其中，机电式加载装置401包括低速电机405、阶梯轴406、联轴器407、一对轴承408及轴承座409，如图4所示。低速电机405通过电机支撑座固定在安装底板102A上；一对轴承408通过轴承座409安装在安装底板102A上。阶梯轴406与一对轴承408配合安装，阶梯轴406一端通过联轴器407与低速电机405的输出轴同轴相连。钢丝绳402缠绕在阶梯轴406上，一端与阶梯轴406固定，另一端与测试设备6中的拉力传感器601相连；拉力传感器601固定安装在转接头404的前端面上，转接头404后端与套筒式机构5中内套筒501端面固连；同时转接头404上还通过连杆吊装有配重403。上述结构中，通过调整工装，需确保当使用机电式加载装置401拉动钢丝绳402时，拉力方向沿套筒式机构5的轴线方向，且使拉力方向与机电式加载装置401的轴线方向在同一水平面内相互垂直。由此，通过低速电机405驱动阶梯轴406转动，使钢丝绳402在阶梯轴406上缠绕，进而通过钢丝绳402带动拉力传感器601拉动套筒式机构5，对套筒式机构5施加水平拉力，进而通过低速电机405的旋转运动，使得套筒式机构5的内套筒501由钢丝绳402牵拉缓慢匀速水平前移。所述拉力传感器601测量水平拉力信号。同时，通过配重403对套筒式机构5施加横向载荷。

所述测试设备6包括低拉力传感器601、频加速度传感器、拉绳位移传感器603、应变片604、动态应变仪605、数据采集仪606与测试计算机607。拉力传感器601用来测量机电式加载装置401对套筒式机构5中内套筒501施加的水平拉力。低频加速度传感器602安装于配重403上，位于配重403质心所在水平面前端，用来测量配重403摆动所引起的加速度信号。拉绳位移传感器603刚性安装于安装底板102B上，位于钢丝绳402与套筒式机构5中内套筒501前端连接位置处，位移传感器的测量端与加载设备4中吊装配重403的连杆或转接头404相连，用来测量内套筒501水平滑动的位移。套筒式机构5的外套筒502侧壁上，位于外套筒502的前端、中部、与末端处，各在上下位置粘贴一片应变片604，分别用于监测当套筒式机构5中内套筒501相对于外套筒502滑动时，外套筒502上下表面的变形，以确保套筒式机构5不致破坏以及试验的安全性。数据采集仪606与拉力传感器601、低频加速度传感器602、拉绳位移传感器603相连，用来采集拉力传感器601、低频加速度传感器602、拉绳位移传感器603测得的拉力信号、加速度信号与位移信号，并传输到测试计算机607进行存储，通过测试计算机607进行计算处理，即可获得内套筒501与外套筒502间的静态和滑动摩擦阻力值。同时各应变片604与动态应变仪605连接，动态应变仪605将各应变片604的电压信号传输到数据采集仪606和测试计算机607进行采集存储，实现测量过程中套筒式机构5的外套筒502上下表面变形的实时监测。通过测量配重403的加速度和测量动态拉伸位移，通过调节配重403的大小，以及内套筒501的拉伸位移，可获得不同横向载荷工况下内套筒501与外套筒502间的静态摩擦力和滑动摩擦力随拉伸位移的变化趋势，为套筒式机构5的静动力学设计分析、工程应用提供可靠的数据和技术支持。

基于上述套筒式机构5静态和动变摩擦力的测试装置的测试方法，通过下述步骤实现：

步骤一：在地基上由前至后安装三个固定台架101，各固定台架101顶端分别安装一个安装底板102，保证三个安装底板102上表面水平；并在中部固定台架101与后部固定台架101顶端安装底板102上安装身部支撑组件与末端连接组件。

步骤二：将套筒式机构5的外套筒502左端通过身部支撑组件2安装在中部固定台架101的安装底板102上；外套筒502的末端通过末端连接组件3安装在后部固定台架101的安装底板102上；在内套筒501前端端部安装转接头404。调整工装，使内套筒501与外套筒502的轴线水平。

步骤三：在前部固定台架101顶端安装底板102上安装机电式加载装置401，在转接头404前端面安装拉力传感器601，并通过钢丝绳402将机电式加载装置401与拉力传感器601连接；调整工装使钢丝绳402与套筒式机构5轴线同轴，且在同一水平面上垂直于加载装置的轴线。

步骤四：在套筒式机构5的外套筒502侧壁上，位于外套筒502的前端、中部、与末端处，各在上下位置粘贴一个应变片604，上下表面均布粘贴六块应变片604，并与动态应变仪605连接；在转接头404上吊装配重403，并在配重403质心所在水平面前端安装低频加速度传感器602；中部固定台架101的安装底板102上，位于钢丝绳402与套筒式机构5中内套筒501前端连接位置处，安装拉绳位移传感器603。

步骤五：将拉力传感器601、低频加速度传感器602、拉绳位移传感器603和动态应变仪605连接于数据采集仪606和测试计算机607，调试设备使得信号有效可靠；

步骤六：开启测试装置进行测试，利用测试计算机607记录存储测试数据，包括拉力传感器601测得的套筒式机构5中内套筒501所受水平拉力信号；低频加速度传感器602测得的配重403摆动所引起的加速度信号；拉绳位移传感器603测得的套筒式机构5中内套筒501水平滑动的位移信号。

步骤七：关闭测试装置，通过测试计算机607对测试数据进行处理，获得各传感器的时间历程曲线、静摩擦力和滑动摩擦力随套筒式机构5中内套筒501位移的变化曲线；

步骤八：返回重复执行步骤6与7，保证试验数据的重复性。

Claims (10)

1.一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：包括试验台架、加载设备、套筒式机构与测试设备；

所述试验台架前部设置有加载设备、中部安装有身部支撑组件、后部安装有末端连接组件；套筒式机构为具有内套筒与外套筒嵌套安装的双层结构套筒；外套筒身部通过身部支撑组件支撑；外套筒末端与末端连接组件相连，通过末端连接组件支撑；

所述加载设备包括机电式加载装置、钢丝绳、配重与转接头；其中，机电式加载装置包括低速电机、阶梯轴、联轴器、一对轴承及轴承座；低速电机通过电机支撑座固定在底板A上；一对轴承通过轴承座安装在底板A上；阶梯轴与一对轴承配合安装，阶梯轴一端通过联轴器与低速电机的输出轴同轴相连；钢丝绳缠绕在阶梯轴上，一端与阶梯轴固定，另一端与测试设备中的拉力传感器相连；拉力传感器固定安装在转接头的前端面上，转接头后端与套筒式机构中内套筒端面固连；同时转接头上还通过连杆吊装有配重；

所述测试设备包括低拉力传感器、频加速度传感器、拉绳位移传感器、应变片、动态应变仪、数据采集仪与测试计算机；拉力传感器用来测量机电式加载装置对套筒式机构中内套筒施加的水平拉力；低频加速度传感器用来测量配重摆动所引起的加速度信号；拉绳位移传感器用来测量内套筒水平滑动的位移；套筒式机构的外套筒侧壁上粘贴应变片，用于监测当套筒式机构中内套筒相对于外套筒滑动时，外套筒上下表面的变形；数据采集仪与拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器相连，用来采集拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器测得的拉力信号、加速度信号与位移信号，并传输到测试计算机进行存储，通过测试计算机进行计算处理，即可获得内套筒与外套筒间的静态和滑动摩擦阻力值；同时各应变片与动态应变仪连接，动态应变仪将各应变片的电压信号传输到数据采集仪和测试计算机进行采集存储，实现测量过程中套筒式机构的外套筒上下表面变形的实时监测。

2.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述试验台架包括3个固定台架与3块安装底板；其中，3个固定台架由前至后并排设置；3个固定台架顶面分别水平安装一块安装底板；加载设备、身部支撑组件与末端连接组件分别安装在立式刚性结构的前部固定台架、中部固定台架与后部固定台架顶端设置的安装底板上。

3.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述套筒式机构的内套筒与外套筒的轴线与水平面平行。

4.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述机电式加载装置拉动钢丝绳时，拉力方向沿套筒式机构的轴线方向，且使拉力方向与机电式加载装置的轴线方向在同一水平面内相互垂直。

5.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述低频加速度传感器安装于配重上，位于配重质心所在水平面前端。

6.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述应变片位于外套筒的前端、中部、与末端上下位置处。

7.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述身部支撑组件采用两套斜支撑结构，左右对称设置；其中，每套斜支撑结构分别由斜支撑支座与斜支撑件构成；斜支撑支座底面固定于试验台架上，斜支撑支座的内侧面作为连接斜支撑件的连接面，为向后倾斜的斜面；斜支撑件具有一个支撑面与一个安装面；且支撑面为弧面，安装面为向前倾斜的斜面；上述结构斜支撑件通过自身的安装面与斜支撑支座的内侧面贴合固定；固定后保证两套斜支撑结构中斜支撑件中支撑面相对，且两套斜支撑结构中支撑面的弧度所对应圆的轴线与水平面平行，直径等于套筒式机构中外套筒的外径，通过将套筒式机构中外套筒身部配合设置在两套斜支撑组件中斜支撑件的支撑面间，通过螺栓固定，实现套筒式机构中外套筒身部的支撑与定位。

8.如权利要求4所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述两套斜支撑结构在试验台架上的间距可调。

9.如权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，其特征在于：所述末端连接组件采用法兰连接结构，包括法兰盘底座与连接法兰盘；其中，连接法兰盘向后倾斜设置，底面与法兰盘底座顶部设计斜面配合固定；连接法兰盘内侧面上安装有两块相互平行垂直于水平面的连接板由此通过在套筒式机构中外套筒末端端面上设计安装板，将安装板插入两块连接板间，通过螺栓固定，实现套筒式机构中外套筒末端的支撑与定位，进而实现套筒式机构的整体支撑与定位。通过上述结构末端连接组件，可确保试验对象不会发生绕轴线的转动和沿轴向上的滑动。

10.基于权利要求1所述一种套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置的测试方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

步骤一：在地基上设置试验台架，并在试验台架上安装身部支撑组件与末端连接组件；

步骤二：将套筒式机构的外套筒左端通过身部支撑组件支撑固定；外套筒的末端通过末端连接组件连接支撑定位；使内套筒与外套筒的轴线水平；并在内套筒前端端部安装转接头；

步骤三：在试验台架上安装机电式加载装置，在转接头前端面安装拉力传感器，并通过钢丝绳将机电式加载装置与拉力传感器连接；使钢丝绳与套筒式机构轴线同轴，且在同一水平面上垂直于加载装置的轴线；

步骤四：在套筒式机构的外套筒侧壁上，位于外套筒的前端、中部、与末端处，各在上下位置粘贴一个应变片，上下表面均布粘贴六块应变片，并与动态应变仪连接；在转接头上吊装配重；同时安装低频加速度传感器、拉绳位移传感器；

步骤五：将拉力传感器、低频加速度传感器、拉绳位移传感器和动态应变仪连接于数据采集仪和测试计算机；

步骤六：开启套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，利用测试计算机记录存储测试数据，包括拉力传感器测得的套筒式机构中内套筒所受水平拉力信号；低频加速度传感器测得的配重摆动所引起的加速度信号；拉绳位移传感器测得的套筒式机构中内套筒水平滑动的位移信号；

步骤七：关闭套筒式机构静态和动变摩擦力的测试装置，通过测试计算机对测试数据进行处理，获得各传感器的时间历程曲线、静摩擦力和滑动摩擦力随套筒式机构中内套筒位移的变化曲线；

步骤八：返回执行步骤6与7，保证试验数据的重复性。