CN105675723A - 系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够在不同接触状况下评价表面接触的检测技术，具体涉及一种基于系统二阶特征频率获取表面接触刚度的检测方法和检测装置；设计两个单自由度单元子系统耦合组成二自由度振动系统，分别测试并获得两个单自由度单元子系统的刚度k₁、ω₀₁和k₂、ω₀₂，即可根据二自由度振动系统固有模态频率ω求取接触刚度值k，属于非破坏性检测技术方法；设计可调节装置，接触试样的接触压力可调，弹性系统参数可调，可组合不同表面的试样进行接触刚度检测；测试装置易于调节、易于定位、易于更换，有效保证了实验的可重复性。

Description

系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种可在不同接触状况下评价表面接触的检测技术，具体涉及一种基于系统二阶特征频率获取表面接触刚度的检测方法和检测装置。

背景技术

在工程应用领域，零部件之间相互接触，如导轨、机械手、齿轮啮合面、组合转子等，其接触状况直接影响到整个机械的工作可靠性、使用性能、长时间工作稳定性、承载能力等等，而零件表面的接触状况在很大程度上与表面实际接触状况的评估有关。宏观上平滑的接触表面在微观上却是由许多微凹凸表面构成，试验表明，宏观上的零件表面接触实际上是这些微凹凸表面的一部分相互接触，并且这些微凹凸接触的多少和各点接触面积的大小会随着载荷压力的变化而改变，从而使零件接触状况的外在表现之一的表面接触刚度发生变化，导致机械的工作状况发生变化。接触刚度就是零件接触表面在外力作用下抵抗接触变形的能力，直接影响机械结构的机械性能，而机器的整体刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。因此，获得接触副表面接触刚度是十分必要的。

目前，人们展开了表面接触刚度的广泛研究，但表面接触刚度的检测手段还十分有限。如何通过装置较准确地检测接触副表面接触刚度仍然是现阶段迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在模仿接触副实际工作状况下的表面接触刚度检测方法，设计相应的检测装置，解决现有技术检测接触副表面接触刚度困难的问题，实现任意两种不同材料、不同初始压力、不同接触面形状条件下接触副的表面接触刚度检测。

本发明采用的检测方法是，设计两个已知参数的单自由度单元子系统，其中构成被检测接触副的两个物体分别联接其中的一个单元子系统，然后模仿实际工作状况使两个物体表面接触，两个单自由度单元子系统耦合组成二自由度振动系统，接触表面即为被检测接触副，忽略阻尼的情况下，等效为接触刚度。设两个单自由度单元子系统的结构参数分别为质量m₁、刚度k₁和质量m₂、刚度k₂，则两单自由度单元子系统耦合成二自由度振动系统，设接触面接触刚度为k，其微分方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{\stackrel{\·\·}{y}}_1+k_1{y}_1+k(y_1-y_2)=0\\ m_2{\stackrel{\·\·}{y}}_2+k_2{y}_2+k(y_2-y_1)=0\end{array}\right.$

由该方程决定的接触刚度k与系统固有模态频率ω关系为

$k=\frac{{\mathrm{\ω}}^4-{\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}_{02}^2{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}_{02}^2}{({\mathrm{\ω}}_{01}^2/k_1+{\mathrm{\ω}}_{02}^2/k_2){\mathrm{\ω}}^2-(1/k_2+1/k_1){\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}_{02}^2},$

其中，ω₀₁、ω₀₂分别代表两个单自由度单元子系统自身的固有频率，因此，对接触副进行接触刚度检测时，只要在耦合两个单自由度单元子系统成二自由度振动系统之前，分别测试并获得两个单自由度单元子系统的刚度k₁、ω₀₁和k₂、ω₀₂，即可根据二自由度振动系统固有模态频率ω求取接触刚度值k。

本发明所采取的技术方案是，检测装置包括底座、上单自由度弹性机构、下单自由度弹性机构、接触试样对准机构、初始参数测试机构、振动信息采集装置等，其中，所述下单自由度弹性机构固定在底座上，所述上单自由度弹性机构位于下弹性机构的正上方、固定在立柱上且相对于下单自由度弹性机构可做平行的横向移动，上单自由度弹性机构与下单自由度弹性机构通过对接触试样施加正向压力构成试样接触副；所述正向压力由上单自由度弹性机构的可升降支撑柱提供；所述振动信息采集装置采集耦合系统的振动信息以检测接触副表面接触刚度。

所述的上单自由度弹性机构和下单自由度弹性机构的弹性参数是可调的，上、下单自由度弹性机构的弹性梁中间开有导槽，通过上梁紧固滑座和下梁紧固滑座可改变接触试样在梁上的位置，从而改变上、下单自由度弹性机构的结构参数，从而改变系统特征频率，获得适合的测试参数。

所述的上单自由度弹性机构由T型块、可动支撑柱、上弹性梁、上导槽、试样一、试样一固定座、上梁紧固滑座等组成，其中，可动支撑柱包括带有外螺纹的上、下柱和带有内螺纹的套筒，可动支撑柱沿底座T形导槽移动，上弹性梁一端固定在可动支撑柱上，上弹性梁另一端通过上梁紧固滑座与试样固定座固定连接，试样一固定在试样固定座上。

所述的下单自由度弹性机构由固定支撑柱、下弹性梁、下导槽、试样二、试样二固定座、下梁紧固滑座等组成；其中，固定支撑柱固定在底座上，下弹性梁一端固定在固定支撑柱上，下弹性梁另一端通过下梁紧固滑座与试样固定座固定连接，试样二固定在试样固定座上。

所述的接触试样对准机构即为在上弹性梁、下弹性梁及底座的导槽旁，平行设置三个等刻度线标尺，通过下单自由度弹性机构的可动支撑柱移动距离为试样一移动读数与试样二移动读数之差来实现接触试样的水平对准。

所述的初始参数测试机构包括百分表、表架、位移传感器、静位移测试台、测力传感器、接触力测试台、支座测力座等组成，由百分表测量接触力作用下的静位移量，由测力传感器测量初始接触压力，从而检测上、下单自由度弹性机构的弹性参数，在特征频率获取表面接触刚度的测试过程中，初始参数测试机构脱离，不参与作用。

所述的振动信息采集装置由非接触式位移传感器及表架组成，检测和采集接触试样附近的系统振动位移信号。

本发明装置的优点在于：

(1)上单自由度弹性机构、下单自由度弹性机构及底座的导槽式可移动设计，接触试样的接触压力可调，另外还有刻度标尺式设计，使得测试装置易于调节、易于定位、易于更换，有效保证了实验的可重复性。

(2)采用竖直连接杆方式固定接触试样，使得接触副是在法向方向上振动，系统振动模型简单，保证检测结果的可靠性。

(3)使用的是位移传感器，为非接触式测量，尽量减少了传感器自身所带来的对整个振动系统的影响，提高检测精度。

(4)下单自由度弹性机构的固定柱用法兰式固定在底座上，上单自由度弹性机构的可动支撑柱在移动后用螺栓固定，最大限度减少其振动对测量的影响。

附图说明

图1表面接触刚度检测装置结构图

1.底座11.T型导槽12.刻度一2.上弹性机构21.T型块

22.可动支撑柱221.下柱222.套筒223.上柱23.上弹性梁

231.上导槽232.刻度二24.试样一25.试样一固定座26.上梁紧固滑座

27.静位移测试台3.下弹性机构31.固定支撑柱32.下弹性梁321.下导槽

322.刻度三33.试样二34.试样二固定座35.下梁紧固滑座36.接触力测试台

41.百分表42.表架43.位移传感器44.测力传感器45.测力座

具体实施方式

下面结合工作原理和结构附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明的表面接触刚度检测装置，包括底座(1)、上弹性机构(2)、下弹性机构(3)、接触试样对准机构(图中未标注)、初始条件测试机构(图中未标注)、振动信息采集机构(图中未标注)和计算机(图中未显示)等组成。

上单自由度弹性机构由T型块(21)、可动支撑柱(22)、上弹性梁(23)、上导槽(231)、试样一(24)、试样一固定座(25)、上梁紧固滑座(26)等组成，其中，可动支撑柱(22)包括带有外螺纹的上柱(223)、下柱(221)和带有内螺纹的套筒(222)组成，可动支撑柱(22)可沿底座(1)的T形导槽(11)移动，上弹性梁(23)一端固定在可动支撑柱(22)上，另一端通过上梁紧固滑座(26)与试样固定座(25)固定连接，试样一(24)固定在试样一固定座(25)上。

下单自由度弹性机构由固定支撑柱(31)、下弹性梁(32)、下导槽(321)、试样二(33)、试样二固定座(34)、下梁紧固滑座(35)等组成；其中，固定支撑柱(31)固定在底座(1)上，下弹性梁(32)一端固定在固定支撑柱(31)上，另一端通过下梁紧固滑座(35)与试样固定座(34)固定连接，试样二(33)固定在试样固定座(34)上。

上弹性机构(2)位于下弹性机构(3)的正上方且可做平行于下弹性机构(3)的横向移动。

接触试样对准机构，是在上弹性梁(23)、下弹性梁(32)及底座(1)的导槽旁，分别设置平行的三个等刻度线标尺：刻度二(232)、刻度三(322)、刻度一(12)；接触试样的对准是通过以下方式进行：上单自由度弹性机构的可动支撑柱(22)在刻度一(12)的移动距离等于试样一(24)相联系的上梁紧固滑座(26)在刻度二(232)移动读数与试样二(33)相联系的下梁紧固滑座(35)在刻度三(322)移动读数之差，从而实现接触试样的水平对准。

初始参数测试机构包括百分表(41)、表架(42)、静位移测试台(27)、测力传感器(44)、接触力测试台(36)、测力座(45)等组成，由百分表(41)测量接触力作用下的静位移量，由测力传感器(44)测量初始接触压力，从而检测并获取上、下单自由度弹性机构的弹性参数，在特征频率获取表面接触刚度的测试过程中，初始参数测试机构脱离，不参与作用。

振动信息采集装置由非接触式位移传感器(43)及表架(42)组成，与计算机相连收集信息，检测和采集接触试样附近的系统振动位移信号。

本发明的试样接触副可以是球面-球面、球面-平面、平面-平面接触，如图1，此处采用接触试样为球面-平面接触，具体测量包括下列试验步骤：

1)移动试样一固定座(25)的位置并记录此时的读数x1；调节百分表(41)及测力传感器(44)的位置使其读数都为零；在静位移测试台(27)正上方施加一恒定力使得百分表(41)及测力传感器(44)的读数分别为s1与p1，可求得弹性系数k1；调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上，在试样一(24)垂直方向施加一激励，使得上弹性机构(2)振动，收集振动信息并获得其固有频率ω₀₁。

2)移动试样二固定座(34)的位置并记录此时的读数x2；调节百分表(41)及测力传感器(44)的位置使其读数都为零；在试样二(33)正上方施加一恒定力使得百分表(41)及测力传感器(44)的读数分别为s2与p2，可求得弹性系数k2；调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上，在试样二(33)垂直方向施加一激励，使得下弹性机构(3)振动，收集振动信息并获得其固有频率ω₀₂。

3)移动可动支撑柱(22)的位置使得此时的读数为x3，其中x3为x2与x1之差，若为正则右移，否则左移，实现上下接触试样的水平对准；调节可动支撑柱(22)的高度并保持不变，测得此时测力传感器(44)读数为P，即为两接触试样之间的压力；调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上；在试样一(24)正上方施加一激励，使得两弹性机构振动，收集振动信息，获得振动系统的一阶模态频率ω₁，或二阶模态频率ω₂。

4)根据接触刚度k与系统固有模态频率关系公式计算在此条件下的两接触试样接触刚度大小k。

Claims (8)

1.系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置，其特征在于所述获取表面接触刚度的方法是，设计两个可检测其参数的单自由度单元子系统，其中构成被检测接触副的两个物体分别联接其中的一个单元子系统，然后模仿实际工作状况使两个物体表面接触，从而使两个单自由度单元子系统耦合组成二自由度振动系统，接触表面即为被检测接触副，忽略阻尼的情况下，等效为接触刚度；接触面接触刚度k由下式决定：

$k=\frac{{\mathrm{\ω}}^4-{\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}_{02}^2{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}_{02}^2}{({\mathrm{\ω}}_{01}^2/k_1+{\mathrm{\ω}}_{03}^2/k_2){\mathrm{\ω}}^2-(1/k_2+1/k_1){\mathrm{\ω}}_{01}^2{\mathrm{\ω}}_{02}^2}$

其中，k₁、k₂分别是两个单自由度单元子系统的刚度，ω为两单自由度单元子系统耦合成二自由度振动系统的系统特征频率，ω₀₁、ω₀₂分别代表两个单自由度单元子系统自身的固有频率。

2.根据权利要求1所述系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置，其特征在于所述检测装置包括底座、上单自由度弹性机构、下单自由度弹性机构、接触试样对准机构、初始参数测试机构、振动信息采集装置等，其中，所述下单自由度弹性机构固定在底座上，所述上单自由度弹性机构位于下弹性机构的正上方、固定在立柱上且相对于下单自由度弹性机构可做平行的横向移动，上单自由度弹性机构与下单自由度弹性机构通过对接触试样施加正向压力构成试样接触副；所述正向压力由上单自由度弹性机构的可升降支撑柱提供；所述振动信息采集装置采集耦合系统的振动信息以检测接触副表面接触刚度。

3.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的检测装置，其特征在于上单自由度弹性机构由T型块、可动支撑柱、上弹性梁、上导槽、试样一、试样一固定座、上梁紧固滑座等组成；下单自由度弹性机构由固定支撑柱、下弹性梁、下导槽、试样二、试样二固定座、下梁紧固滑座等组成；上、下单自由度弹性机构的参数可调：上弹性梁和下弹性梁中间分别开有导槽，通过上梁紧固滑座和下梁紧固滑座可改变接触试样在梁上的位置，从而改变上、下单自由度弹性机构的结构参数，从而改变系统特征频率，获得适合的测试参数。

4.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的检测装置，其特征在于由下柱、套筒、上柱组成的上单自由度弹性机构的可动支撑柱可沿底座的T形导槽调节位置并固定，以获得适合的检测位置，由试样一和试样二组成的接触副，其接触压力可通过调节下柱、套筒、上柱之间位置而改变。

5.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置，其特征在于更换试样和试样固定座可以进行不同的试样接触副接触刚度检测，试样接触副表面可以是球面-球面、球面-平面、平面-平面接触。

6.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的检测装置，其特征在于设计有由刻度一、刻度二、刻度三等组成的接触试样对准机构：上弹性梁和下弹性梁相对应的导槽旁设置刻度标尺，底座T形导槽旁也设置刻度标尺，当通过改变接触试样在梁上的位置以调整上、下单自由度弹性机构的结构参数时，通过刻度标尺可以保持原接触副的接触位置和状态，即上或下接触试样相对弹性梁的位置改变等于支撑柱沿底座T形导槽移动的距离。

7.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的检测装置，其特征为设置有初始参数测试机构，包括百分表、表架、位移传感器、静位移测试台、测力传感器、接触力测试台、支座测力座等组成，由百分表测量接触力作用下的静位移量，由测力传感器测量初始接触压力，从而检测上、下单自由度弹性机构的弹性参数，在特征频率获取表面接触刚度的测试过程中，初始参数测试机构脱离，不参与作用。

8.根据权利要求2所述系统特征频率获取表面接触刚度的检测装置，其特征为所述振动信息采集装置由非接触式位移传感器及表架组成，检测和采集接触试样附近的系统振动位移信号。