CN106248486B - 一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法 - Google Patents

一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，包括以下步骤：S1.试验准备：准备试验材料材料：硬金属块A、硬金属块B、软金属块C、推力计和激光测距传感器；S2.试验过程：推力计推动硬金属块B，使软金属块C受硬金属块A和硬金属块B挤压变形，记录推力计的压力值以及硬金属块A和硬金属块B距离变化值；S3.重复试验：重复步骤S2以获取m组碰撞力数据和变形量数据，记各第i组碰撞力数据为FN i，第i组总变形量为δi，1≤i≤m；S4.碰撞指数计算：将各组数据带入函数计算获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识，本发明试验过程简单，测试出的碰撞指数与具体接触碰撞的材料种类相关联，获得的碰撞指数更精确且更符合实际应用。

Description

一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种确定金属材料接触碰撞指数的试验装置。
背景技术
在机构运动分析中，两构件通过点接触或线接触而构成的高副属于基本运动副之一。为了精确计算高副中两个构件之间在相对滑动导致的磨损，往往需要获得两构件之间接触中发生的碰撞力及其材料接触变形信息，而碰撞力与材料接触变形的关系为幂指数(即接触碰撞指数)关系，当然，两种不同金属材料构成的构件在接触碰撞过程中，碰撞力与材料接触变形的关系也为幂指数关系，而接触碰撞的金属材料不同，该幂指数也不同。
一旦能够精确获得该幂指数，则可以获得高副中两金属材料之间碰撞力与材料接触变形的精确关系，从而有利于计算高副中两金属材料之间的磨损寿命。
目前接触碰撞中幂指数的计算值是通过理论推导出来，但是在理论推导中没有考虑金属材料特性异同这一关键因素，实际上，不同材料接触碰撞，其对应的幂指数是不一样的，如图1所示为两种金属材料(材料1与材料2)的碰撞示意图，材料1和材料2在接触碰撞中沿着公切线方向相对滑动，其相对滑动速度为V1，FN和FN'为大小相等方向相反的法向碰撞力，该碰撞力和变形量的关系是FN＝Kδn (1)，其中，K为刚度系数，δ为变形量，n为接触变形的幂指数，也即接触碰撞的变形指数，实际碰撞力，不同材料接触碰撞时K和n都不同，因此，理论推导结果与实际情况不相符，难以应用，导致目前业界还未给出不同接触碰撞的金属材料对应的碰撞指数的确定方法。
有鉴于此，本发明人研制出一种可快速有效地确定金属材料接触碰撞指数的试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，其适用于测量硬度差别较大的两种金属材料接触碰撞的变形指数，该变形指数与具体接触碰撞的材料种类相关联，获得的变形指数更精确且更符合实际应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，包括以下步骤：
S1.试验准备
准备用于试验的材料：硬金属块A、硬金属块B、软金属块C、推力计和激光测距传感器，其中硬金属块A和B为相同金属材料，将软金属块C夹置于硬金属块A和B之间，硬金属块A相对于硬金属块B突出，将激光测距传感器安装在推力计上，且其激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分；
S2.试验过程
用推力计推动硬金属块B，使软金属块C受硬金属块A和硬金属块B挤压变形，记录此时推力计的压力值FN，通过激光测距传感器获取硬金属块A和硬金属块B距离变化值δ，该压力值FN为碰撞力值，该距离变化值δ为碰撞过程软金属块C的总变形量，
S3.重复试验
重复步骤S2以获取m组碰撞力数据和变形量数据，记各第i组碰撞力数据为FN i，第i组总变形量为δi，其中1≤i≤m；
S4.碰撞指数计算
将各组数据带入函数：
计算获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识，式中，Δ表示硬金属块B挤压软金属块C之前的一段空行程。
所述推力计的一端安装推针，步骤S2中用推力计的推针推动硬金属块B。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：试验方法简单易行，成本低，能够快速获取碰撞数据，从而确定任意硬度且差别较大的接触碰撞金属材料之间的碰撞幂指数，进而获得接触碰撞金属材料的碰撞力与接触变形的精确数学关系，为高副中两接触碰撞金属材料的磨损情况及其寿命评估提供必要条件。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是两种金属材料的碰撞示意图；
图2是本发明碰撞体系下待测金属材料的受载变形示意图。
具体实施方式
本发明揭示的一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，包括以下步骤：
S1.试验准备
准备用于试验的材料：硬金属块A、硬金属块B、软金属块C、推力计和激光测距传感器，其中硬金属块A和B为相同金属材料，将软金属块C夹置于硬金属块A和B之间，硬金属块A相对于硬金属块B突出，将激光测距传感器安装在推力计上，且其激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分；
S2.试验过程
用推力计推动硬金属块B，使软金属块C受硬金属块A和硬金属块B挤压变形，记录此时推力计的压力值FN，通过激光测距传感器获取硬金属块A和硬金属块B距离变化值δ，该压力值FN为碰撞力值，该距离变化值δ为碰撞过程软金属块C的总变形量；
S3.重复试验
重复步骤S2以获取m组碰撞力数据和变形量数据，记各第i组碰撞力数据为FN i，第i组总变形量为δi，其中1≤i≤m；
S4.计算碰撞指数
将各组数据带入函数：
计算获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识，式中，Δ表示硬金属块B挤压软金属块C之前的一段空行程。
所述推力计的一端安装推针，步骤S2中用推力计的推针推动硬金属块B。
如图2所示本发明所需要建立的碰撞体系下待测金属的受载变形示意图，硬金属块A、硬金属块B、软金属块C在碰撞上，实际有变形量δ1和δ2，δ总＝δ总＝δ1+δ2。
因此本发明用于计算碰撞指数的优化函数的推导过程如下：
由于硬金属块B挤压软金属块C之前还有一段空行程Δ(为一个常数)，因此接触时的变形为：
结合式(1)和式(2)可得式(3)，如下：
进一步得：
最后得：
通过公式5便可计算出空行程Δ和幂指数n的参数辨识。
以下为本发明的一个应用例：
下表1为5组碰撞的试验数据
对于表1中的试验数据，通过求解下述优化函数，从而获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识：
最后，可以计算出的空行程Δ和幂指数n分别为0.005mm和1.1。
以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.试验准备
准备用于试验的材料：硬金属块A、硬金属块B、软金属块C、推力计和激光测距传感器，其中硬金属块A和硬金属块B为相同金属材料，将软金属块C夹置于硬金属块A和硬金属块B之间，硬金属块A相对于硬金属块B突出，将激光测距传感器安装在推力计上，且激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分；
S2.试验过程
用推力计推动硬金属块B，使软金属块C受硬金属块A和硬金属块B挤压变形，记录此时推力计的压力值FN，通过激光测距传感器获取硬金属块A和硬金属块B距离变化值δ，FN和δ的关系为FN＝Kδn (1)，其中，K为刚度系数，n为接触变形的幂指数，也即接触碰撞的变形指数，该压力值FN为碰撞力值，该距离变化值δ为碰撞过程软金属块C的总变形量；
S3.重复试验
重复步骤S2以获取m组碰撞力数据和变形量数据，记各第i组碰撞力数据为FN i，第i组总变形量为δi，其中1≤i≤m；
由于硬金属块B挤压软金属块C之前还有一段空行程Δ，此处Δ为一个常数，因此接触时的变形为：
其中，εi为激光测量位移，结合式(1)和式(2)可得式(3)，如下：
进一步得：
S4.碰撞指数计算
将各组数据带入函数：
计算获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识，式中，Δ表示硬金属块B挤压软金属块C之前的一段空行程。
2.如权利要求1所述的一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验方法，其特征在于：所述推力计的一端安装推针，步骤S2中用推力计的推针推动硬金属块B。
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