CN105277149A - 结合面真实接触面积测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合面真实接触面积测量装置与测量方法，包括超声探头、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、电涡流传感器、钢球、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机；螺栓放入轴心处内置应变片，测试应力应变关系，螺栓与钢球接触，通过力矩扳手拧紧螺栓可使力传递给下试件，从而使得上试件与下试件相互接触；通过超声探头、超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡可获得上下试件接触时的真实接触面积；螺栓的预紧力的获得是通过应变片与电桥相连，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；电涡流传感器用于检测在不同预紧力下结合面的变形量。本实验装置结构简单、装卸方便，易于重复试验。

Description

结合面真实接触面积测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及结合面理论研究领域中真实接触面积测量技术领域，尤其涉及一种结合面真实接触面积测量装置与测量方法。

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，相互接触的表面称之为结合面。大量结合面的存在，使得机械系统的连续性被破坏，极大程度地影响了整机静动态特性。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％，结合面的接触阻尼占机床全部阻尼的90％以上，结合面引起的变形量约占机床总变形量的40％～60％。因此，开展结合面微观接触机理与动态特性研究是机械系统由单件分析走向整机分析的关键，是整机性能预测的基础。

由于结合面真实接触面积仅仅是名义接触面积很小一部分，且实际接触面积的大小对整体性能起着决定性的影响。而目前对真实接触面积的研究主要处于理论研究阶段，多数研究是通过建立表面接触模型，然后进行数值计算分析，在实验研究方面则相对较少。为了准确获得结合面微观接触静动态特性，系统地研究和探明结合面微观接触机理，需要一套完整的测试结合面真实接触面积的装置与方法，而目前还没有相关测试结合面真实接触面积的实验装置与测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种测试结合面真实接触面积的测量装置和测量方法。该测量装置通过力矩扳手拧紧螺栓从而获得所需的预紧力，通过力的传递将两试件紧密结合，利用超声波在没有真正接触的区域，超声波将在接触面上发生反射，在有实质性接触的区域，超声波将从接触面透射过去这一原理，获得结合面真实接触面积。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

结合面真实接触面积测量装置，包括：超声探头、上试件、支架、下试件、电涡流传感器、钢球、基座、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机；超声探头放置上试件上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件与支架紧固在一起；下试件设置于上试件与基座之间，基座与下试件之间安装有中心钢球，基座上设有针对中心钢球的中心螺纹孔，中心螺纹孔中安装有螺栓；螺栓与中心钢球接触，中心钢球与下试件接触，上试件与下试件相互接触；电涡流传感器与下试件相连，用于测试结合面的变形量；电涡流传感器的输出端通过信号采集系统连接计算机；通过超声探头通过超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡连接计算机，用于检测不同预紧力下结合面的声阻抗和穿透力相关数据，并将所得数据传送给计算机。

进一步的，所述螺栓为10.9S级高强度扭剪型螺栓；螺杆轴心处内置应变片，通过电桥和动态应变仪能够测量螺栓预紧力的大小；应变片通过动态应变仪和信号采集系统连接计算机。

进一步的，下试件与基座之间布置五个钢球，五个钢球的布置方式为：一个布置在与基座的中心处，用于传递力，另外四个均布在基座垂直轴线上，用于支撑下试件和调整下试件的同轴度。

进一步的，电涡流传感器对称布置下试件的两侧。

进一步的，上试件与支架之间的连接是过盈配合。

进一步的，通过力矩扳手调节螺栓的预紧力，能够获得不同预紧力下结合面的变形，从而能够获得结合面力与位移之间的关系，根据力与位移之间的关系获得结合面的接触刚度。

进一步的，上试件和下试件采用相同或者不同材料进行配对；两接触面的加工方式相同或不同；结合面加润滑油或不加任何润滑油。

结合面真实接触面积测量方法，基于结合面真实接触面积测量装置，当螺栓预紧力确定后，上试件和下试件相互接触，根据超声探头获得声阻抗和穿透力，通过公式运算计算出结合面真实接触面；具体包括以下步骤：

(a)通过超声探头测量上试件和下试件的声阻抗Z₁和Z₂，根据式(1)求反射系数：

$R=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}---\left(1\right)$

(b)通过超声探头测量接触区和非接触区的穿透力，根据(2)求得结合面处超声波的穿透力：

h＝h'+h”(2)

式中，h'表示非接触区超声波的反射穿透力，h”表示接触区超声波的反射穿透力；

(c)根据式(1)和式(2)，计算结合面的接触率：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{1-R}(1-\frac{h}{h_0})---\left(3\right)$

式中，h₀表示无结合面结构的反射穿透力；

(d)根据接触率和名义接触面积，求得真实接触面积：

A_r＝Aη(4)

式中，A表示名义接触面积。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)从实验装置可看出，测试出来的相关数据仅仅是上下试件结合面中所包含的相关信息，无需甄别、分离和提取其他因素摄入的信息，而且采用的是直接测量法。

(2)为了便于研究表面粗糙度、材料、介质等因素对结合面微观接触特性的影响，本实验装置结构简单、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。

(3)在下试件中设置两个电涡流传感器，既可保证装置的同轴度，又可检验上下试件接触时变形量是否相同，从而可验证模型正确性。

(4)通过将螺栓中植入应变片的方法，可以方便获取螺栓预紧力的大小，从而能够获得不同预紧力与结合面真实接触面积之间的关系。

附图说明

图1是本发明结合面真实接触面积测量装置的原理图。

图2是本测量装置上试件图。

图3是本测量装置下试件图。

图4是本测量装置基座俯视图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明一种结合面真实接触面积测量装置包括：超声探头1、上试件2、支架3、下试件4、电涡流传感器5、钢球6、基座7、螺栓8、应变片、电桥、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机。

超声探头1放置上试件2上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件2与支架3紧固在一起；下试件4设置于上试件2与基座7之间，基座7与下试件4之间安装有中心钢球6，基座7上设有针对中心钢球6的中心螺纹孔，中心螺纹孔中安装有螺栓8；通过力矩扳手给螺栓8施加预紧力，使得螺栓8与中心钢球6接触，中心钢球6与下试件4接触，最终使得上试件2与下试件4相互接触；电涡流传感器5与下试件4相连，通过预紧力的改变，可测试结合面的变形量；电涡流传感器5的输出端通过信号采集系统连接计算机；通过超声探头1、超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡，可检测不同预紧力下结合面的声阻抗和穿透力相关数据，并将所得数据传送给计算机。

螺栓8为10.9S级高强度扭剪型螺栓，可以重复使用而不改变其力学性能。另外，螺栓8的螺杆轴心处内置应变片，通过电桥和动态应变仪可测量螺栓8预紧力的大小。应变片通过动态应变仪和信号采集系统连接计算机。

请参阅图4所示，为保证同轴度，螺栓8的顶部需进行磨削加工，预紧力是通过中心钢球6传递给下试件4；下试件4与基座7之间布置五个钢球，五个钢球的布置是：一个布置在与基座7的中心处，用于传递力，另外四个均布在基座7垂直轴线上，用于支撑下试件4和调整下试件4的同轴度；采用钢球的目的是便于调节力和减少接触面积，使得波仅仅在结合面处传播。

电涡流传感器5对称布置下试件4的两侧，其目的是保证受力均衡，同时根据测量结合面的变形量进行比较，检验装置是否满足同轴度。

上试件2与支架3之间的连接是过盈配合，可近似为一个刚性体，从而可以保证测出的仅仅是结合面部分的变形量。

通过力矩扳手调节螺栓8的预紧力，可获得不同预紧力下结合面的变形，从而可获得结合面力与位移之间的关系，根据力与位移之间的关系可获得结合面的接触刚度。

上试件2和下试件4可选用不同材料进行配对，也可选用相同材料进行配对；两接触面的加工方式可相同，也可不同；结合面可加润滑油，也可不加任何润滑油。

测试时，首先根据力矩扳手预紧螺栓8使其与中心钢球6接触，钢球6将力传递给下试件4，使得上试件2与下试件4在所设定的预紧力下相互接触，通过电涡流传感器5所获得结合面的变形量，可知设备是否满足同轴度。在满足同轴度要求的情况下，采用超声探头1检测结合面的声阻抗和穿透力，利用所测得的参数计算结合面真实接触面积。通过力矩扳手调节螺栓预紧力的大小、设置不同表面粗糙度、不同材料的试件和结合面处的不同介质，可获得真实接触面积与相应因素之间的函数关系，为研究结合面微观力学行为提供重要基础数据。

结合面真实接触面积测量方法：

(1)通过超声探头1测量上试件2和下试件4的声阻抗Z₁和Z₂，根据式(1)求反射系数R：

$R=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}---\left(1\right)$

(2)通过超声探头1测量接触区和非接触区的穿透力，根据(2)求得结合面处超声波的穿透力h：

h＝h'+h”(2)

式中，h'表示非接触区超声波的反射穿透力，h”表示接触区超声波的反射穿透力；

(3)根据式(1)和式(2)，计算结合面的接触率η：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{1-R}(1-\frac{h}{h_0})---\left(3\right)$

式中，h₀表示无结合面结构的反射穿透力；

(4)根据接触率和名义接触面积，求得真实接触面积A_r：

A_r＝Aη(4)

式中，A表示名义接触面积。

Claims (8)

1.结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，包括：超声探头(1)、上试件(2)、支架(3)、下试件(4)、电涡流传感器(5)、钢球(6)、基座(7)、螺栓(8)、应变片、电桥、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机；超声探头(1)放置上试件(2)上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件(2)与支架(3)紧固在一起；下试件(4)设置于上试件(2)与基座(7)之间，基座(7)与下试件(4)之间安装有中心钢球(6)，基座(7)上设有针对中心钢球(6)的中心螺纹孔，中心螺纹孔中安装有螺栓(8)；螺栓与中心钢球(6)接触，中心钢球(6)与下试件(4)接触，上试件(2)与下试件(4)相互接触；电涡流传感器(5)与下试件(4)相连，用于测试结合面的变形量；电涡流传感器(5)的输出端通过信号采集系统连接计算机；超声探头(1)通过超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡连接计算机，用于检测不同预紧力下结合面的声阻抗和穿透力相关数据，并将所得数据传送给计算机。

2.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，所述螺栓(8)为10.9S级高强度扭剪型螺栓；螺杆轴心处内置应变片，通过电桥和动态应变仪能够测量螺栓预紧力的大小；应变片通过动态应变仪和信号采集系统连接计算机。

3.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，下试件(4)与基座(7)之间布置五个钢球，五个钢球的布置方式为：一个布置在与基座的中心处，用于传递力，另外四个均布在基座垂直轴线上，用于支撑下试件和调整下试件的同轴度。

4.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，电涡流传感器(5)对称布置下试件(4)的两侧。

5.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，上试件(2)与支架(3)之间的连接是过盈配合。

6.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，通过力矩扳手调节螺栓(8)的预紧力，能够获得不同预紧力下结合面的变形，从而能够获得结合面力与位移之间的关系，根据力与位移之间的关系获得结合面的接触刚度。

7.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，上试件(2)和下试件(4)采用相同或者不同材料进行配对；两接触面的加工方式相同或不同；结合面加润滑油或不加任何润滑油。

8.结合面真实接触面积测量方法，其特征在于，基于权利要求1只7中任一项所述的结合面真实接触面积测量装置，当螺栓(8)预紧力确定后，上试件(2)和下试件(4)相互接触，根据超声探头(1)获得声阻抗和穿透力，通过公式运算计算出结合面真实接触面；具体包括以下步骤：

(a)通过超声探头(1)测量上试件(2)和下试件(4)的声阻抗Z₁和Z₂，根据式(1)求反射系数：

$R=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}---\left(1\right)$

(b)通过超声探头(1)测量接触区和非接触区的穿透力，根据(2)求得结合面处超声波的穿透力：

h＝h'+h”(2)

式中，h'表示非接触区超声波的反射穿透力，h”表示接触区超声波的反射穿透力；

(c)根据式(1)和式(2)，计算结合面的接触率：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{1-R}(1-\frac{h}{h_0})---\left(3\right)$

式中，h₀表示无结合面结构的反射穿透力；

(d)根据接触率和名义接触面积，求得真实接触面积：

A_r＝Aη(4)

式中，A表示名义接触面积。