CN106768745B - 机械结合面法向刚度测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械结合面法向刚度测试装置与方法，测试装置中框型台架为矩形结构；直线导轨设置于框型台架上；第一试件和第二试件滑动安装在直线导轨上；左边框、右边框上设有供对应第一螺栓、第二螺栓穿过的螺纹孔；第一螺栓与左边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过左边框连接第一连接轴的左端；第二螺栓与右边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过右边框连接第二连接轴的右端；第一试件的左端上设有连接第一连接轴的第一力传感器，第二试件的右端上设有连接诶第二连接轴的第二力传感器；第一力传感器和第二力传感器的输出端通过信号采集系统连接计算机。本装置结构简单、装卸方便，易于重复试验，这样可以更好的分析机械结合面的法向刚度。

Description

机械结合面法向刚度测试装置与方法

技术领域

本发明属于机械设计与制造领域，特别涉及一种机械结合面法向刚度测试装置与方法。

背景技术

机械结合面作为机械系统中一种固有的结构形式，由于它在外加载荷的作用下表现出既有弹性又有阻尼的复杂动力学特性，对机械系统整体的动态性能产生显著的影响。而机械结合面由于存在着接触刚度和接触阻尼，导致影响结合面动态特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：结合面材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面预紧力的大小、结合面的动载荷性质和大小、结合面间的相对运动等因素。

这么众多的影响因素，再加之它们的影响规律又多为非线性，而且因素间又相互影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。

为了系统地研究和探明机械结合面的法向载荷对其法向刚度的影响，需要一套完整的测试装置与方法，然现有技术中还没有比较成熟的测试装置与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械结合面法向刚度测试装置与方法，以解决上述技术问题。本发明设计固定结合面试件，通过调节螺栓的位置、改变结合面的受力状态；利用多组基础实验数据和模型，测量机械结合面的法向刚度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

机械结合面法向刚度测试装置，包括：第一螺栓、第一连接轴、第一力传感器、第一试件、第二螺栓、第二连接轴、第二力传感器、第二试件、直线导轨、框型台架、信号采集系统和计算机；框型台架为矩形结构，包括左边框、右边框、上边框和下边框；直线导轨设置于框型台架上；第一试件和第二试件滑动安装在直线导轨上；左边框、右边框上设有供对应第一螺栓、第二螺栓穿过的螺纹孔；第一螺栓与左边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过左边框连接第一连接轴的左端；第二螺栓与右边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过右边框连接第二连接轴的右端；第一试件的左端上设有连接第一连接轴的第一力传感器，第二试件的右端上设有连接第二连接轴的第二力传感器；第一力传感器和第二力传感器的输出端通过信号采集系统连接计算机。

进一步的，还包括第一止推轴承、第一轴承座、第二止推轴承和第二轴承座；第一连接轴通过第一止推轴承安装在第一轴承座上，第二连接轴通过第二止推轴承安装在第二轴承座上；第一轴承座和第二轴承座滑动安装在在直线导轨上。

进一步的，第一试件的左端设有凹槽，第一力传感器安装于第一试件左端的凹槽内；第二试件的右端设有凹槽，第二力传感器安装于第二试件右端的凹槽内。

进一步的，直线导轨包括平行设置的上导轨和下导轨，上导轨固定在上框架上，下导轨固定在下框架上。

进一步的，第一试件与第二试件接触。

进一步的，第一连接轴与第一止推轴承之间过盈配合；第二连接轴与第二止推轴承之间过盈配合。

进一步的，第一连接轴的左端设有内螺纹孔，第一螺栓的端部通过第一连接轴左端的内螺纹孔与第一连接轴螺纹连接；第二连接轴的右端设有内螺纹孔，第二螺栓的端部通过第二连接轴右端的内螺纹孔与第二连接轴螺纹连接。

进一步的，第一螺栓、第一连接轴、第一力传感器、第一试件、第二螺栓、第二连接轴、第二力传感器和第二试件的轴心均位于同一直线上。

进一步的，左边框和右边框平行设置，上边框和下边框平行设置，左边框的上端与上边框左端垂直连接，左边框的下端与下边框左端垂直连接，右边框的上端与上边框右端垂直连接，右边框的下端与下边框右端垂直连接。

进一步的，止推轴承采用脂润滑的润滑方式，且止推轴承内圈通过套筒定位，外圈通过轴承端盖定位。

机械结合面法向刚度测试方法，基于机械结合面法向刚度测试装置，包括以下步骤：

设定结合面的法向载荷为唯一变量，通过第一螺栓和第二螺栓依次向结合面施加若干组法向载荷，进行机械结合面法向刚度的测试试验，实验过程中通过第一力传感器和第二力传感器测试实验数据，实验数据通过信号采集系统传输给计算机。

机械结合面法向刚度建模方法，应用机械结合面法向刚度测试方法测试若干组第一连接件和第二连接件的刚性光滑平面接触时的结合面的法向载荷，并利用所测试的结合面的法向载荷进行建模，具体过程如下：

根据Hertz接触理论，假设两刚性平面之间是两个曲面弹性体之间的接触，先对单个微凸体进行分析：

a＝πr² (3)

式中：δ_m表示法向变形量；r表示接触半径；a为单个微凸体的接触面积；W表示法向载荷；R_m表示等效曲率半径，取

m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的四阶谱矩；E表示复合弹性模量，/>

E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示第一连接件和第二连接件的弹性模量和泊松比；由(1)、(2)、(3)可得单个微凸体的法向刚度为：

基于MB分形模型，引入微接触点大小分布域扩展因子φ，得到了微接触截面积为a的接触点大小的分布函数为：

式中：φ表示域扩展因子，a_L表示微凸体最大接触面积，通过式(6)表示：

其中，D和G分别表示为分形维数和分形粗糙度参数，通过如下方法获得：利用结构函数法将表面轮廓曲线视为一个时间序列，则具有分形特征的时间序列能使其采样数据的结构函数满足：

f(τ)＝αG^2(D-1)τ^4-2D (7)

式中：系数

τ表示粗糙表面测量仪器的最小采样间距，Γ表示gamma函数，γ表示谱密度的尺度参数，γ＝1.5；

对式(7)取对数，并简化为：

y＝βx+b (8)

式中，y＝lgf(τ)，β＝4-2D，b＝lgα+2(D-1)lgG；

从而可求得：

根据统计学的方法得出整个结合面的法向刚度为：

在计算法向刚度的时候引入塑性指数ψ：

式中：H表示第一连接件和第二连接件中的软材料硬度，K表示硬度系数，其值与软材料的泊松比有关K＝0.454+0.41v，R表示微凸体顶端的曲率半径，σ_s表示微凸体高度的均方差值，

m₀、m₂、m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的零阶、二阶、四阶谱矩；

最终得到的整个结合面的法向刚度为：

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)从实验装置可看出，整个实验过程中只有一个变量即法向载荷，利用力传感器直接测量获得，然后利用机械结合面法向刚度的建模方法，能够准确的得出结合面法向载荷对其法向刚度的影响。

(2)为了便于对影响结合面法向刚度的各基本影响因素进行研究，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)本实验装置采用两边对称布置力传感器的方法，最终的实验数据取两个力传感器读数的平均值，减小了测量误差。

(4)本实验装置上下布置有直线导轨，第一试件、第二试件、轴承座可以直接从直线导轨两侧滑入，装配比较容易，而且可以保证它们之间的同轴度。

(5)本实验装置中连接轴通过止推轴承安装在轴承座上，止推轴承既可以将加载过程中的径向力转化为轴向力，又可以保证螺栓、连接轴、第一试件、第二试件之间的同轴。

(6)本发明的建模方法具体的研究了法向载荷对结合面法向刚度的影响，并综合分析了结合面的受力过程，理论依据充实，推导过程严密，与实际过程很好的拟合，是一种全新的建模方法。

附图说明

图1是本发明测试机械结合面法向刚度的装置原理图。

图2是本试验装置第一试件、第二试件的示意图，其中图2(a)为正视图，图2(b)为左视图。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对本发明的机械结合面法向刚度测试装置作进一步详细说明。

如图1至图2所示，一种机械结合面法向刚度测试装置，包括：螺栓1、连接轴2、止推轴承3、轴承座4、力传感器5、第一试件6、第二试件7、直线导轨8、框型台架9、信号采集系统和计算机。

由于测量装置对称布置，所以为阐述方便，本发明专利只叙述左侧装置作用原理，右侧装置原理相同。螺栓1与连接轴2左侧相连，连接轴2通过止推轴承3安装在轴承座4上，连接轴右侧与力传感器5连接，力传感器5置于第一试件6中，框型台架9上布置有上下对称的直线导轨8，轴承座4与第一试件从直线导轨8左端滑入，安装好后拧动两侧的螺栓1使第一试件、第二试件接触，力传感器5外接信号采集系统，将结合面所受到的法向载荷传送给计算机。

测试时首先将连接轴2通过止推轴承3安装在轴承座4上，然后将连接轴两侧分别与螺栓、力传感器相连，连接好后拧动两侧的螺栓使第一试件、第二试件接触，设定结合面的法向载荷为唯一变量，通过两侧的螺栓依次向结合面施加多组法向载荷，进行机械结合面法向刚度的试验，实验过程中提取实验数据，利用机械结合面法向刚度的建模方法，从中得出结合面所受法向载荷对其法向刚度的影响。

一种获取机械结合面法向刚度的建模方法，应用权利机械结合面法向刚度的测试装置，测量一个刚性光滑平面与另一刚性光滑平面接触时结合面的法向刚度，具体过程如下：

根据Hertz接触理论，假设两刚性平面之间是两个曲面弹性体之间的接触，先对单个微凸体进行分析

a＝πr² (3)

式中：δ_m表示法向变形量；r表示接触半径；a为单个微凸体的接触面积；W表示法向载荷；R_m表示等效曲率半径，一般取

m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的四阶谱矩；E表示复合弹性模量，/>

E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示两连接材料的弹性模量和泊松比。由(1)、(2)、(3)可得单个微凸体的法向刚度为

基于MB分形模型，引入微接触点大小分布域扩展因子φ，得到了微接触截面积为a的接触点大小的分布函数为

式中：φ表示域扩展因子，a_L表示微凸体最大接触面积，可通过式(6)表示。

其中，D和G分别表示为分形维数和分形粗糙度参数，可通过如下方法获得。利用结构函数法将表面轮廓曲线视为一个时间序列，则具有分形特征的时间序列能使其采样数据的结构函数满足

f(τ)＝αG^2(D-1)τ^4-2D (7)

式中：系数

τ表示粗糙表面测量仪器的最小采样间距，Γ表示gamma函数，γ表示谱密度的尺度参数，通常取γ＝1.5较为合适。

对式(7)取对数，并简化为

y＝βx+b (8)

式中，y＝lgf(τ)，β＝4-2D，b＝lgα+2(D-1)lgG。

从而可求得

因此根据统计学的方法得出整个结合面的法向刚度为

由于结合面的接触需要经历弹性、弹塑性、塑性变形的三种变形机制。因此在计算法向刚度的时候引入塑性指数ψ

式中：H表示软材料硬度，K表示硬度系数，其值与软材料的泊松比有关K＝0.454+0.41v，R表示微凸体顶端的曲率半径，σ_s表示微凸体高度的均方差值，

m₀、m₂、m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的零阶、二阶、四阶谱矩。

最终得到的整个结合面的法向刚度为

Claims (10)

1.机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，包括：第一螺栓、第一连接轴、第一力传感器、第一试件(6)、第二螺栓、第二连接轴、第二力传感器、第二试件(7)、直线导轨(8)、框型台架(9)、信号采集系统和计算机；

框型台架为矩形结构，包括左边框、右边框、上边框和下边框；

直线导轨设置于框型台架上；

第一试件和第二试件滑动安装在直线导轨上；

左边框、右边框上设有供第一螺栓、第二螺栓穿过的螺纹孔；第一螺栓与左边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过左边框连接第一连接轴的左端；第二螺栓与右边框的螺纹孔螺纹连接，端部穿过右边框连接第二连接轴的右端；

第一试件的左端上设有连接第一连接轴的第一力传感器，第二试件的右端上设有连接第二连接轴的第二力传感器；

第一力传感器和第二力传感器的输出端通过信号采集系统连接计算机。

2.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，还包括第一止推轴承、第一轴承座、第二止推轴承和第二轴承座；第一连接轴通过第一止推轴承安装在第一轴承座上，第二连接轴通过第二止推轴承安装在第二轴承座上；第一轴承座和第二轴承座滑动安装在在直线导轨上。

3.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，第一试件的左端设有凹槽，第一力传感器安装于第一试件左端的凹槽内；第二试件的右端设有凹槽，第二力传感器安装于第二试件右端的凹槽内。

4.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，直线导轨(8)包括平行设置的上导轨和下导轨，上导轨固定在上框架上，下导轨固定在下框架上。

5.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，第一试件与第二试件接触。

6.根据权利要求2所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，第一连接轴与第一止推轴承之间过盈配合；第二连接轴与第二止推轴承之间过盈配合；第一止推轴承、第二止推轴承均采用脂润滑的润滑方式，内圈通过套筒定位，外圈通过轴承端盖定位。

7.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，第一连接轴的左端设有内螺纹孔，第一螺栓的端部通过第一连接轴左端的内螺纹孔与第一连接轴螺纹连接；第二连接轴的右端设有内螺纹孔，第二螺栓的端部通过第二连接轴右端的内螺纹孔与第二连接轴螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的机械结合面法向刚度测试装置，其特征在于，第一螺栓、第一连接轴、第一力传感器、第一试件、第二螺栓、第二连接轴、第二力传感器和第二试件的轴心均位于同一直线上。

9.机械结合面法向刚度测试方法，其特征在于，基于根据权利要求1至8中任一项所述的机械结合面法向刚度测试装置，包括以下步骤：

设定结合面的法向载荷为唯一变量，通过第一螺栓和第二螺栓依次向结合面施加若干组法向载荷，进行机械结合面法向刚度的测试试验，实验过程中通过第一力传感器和第二力传感器测试实验数据，实验数据通过信号采集系统传输给计算机。

10.机械结合面法向刚度建模方法，其特征在于，应用权利要求9所述的机械结合面法向刚度测试方法测试若干组第一连接件和第二连接件的刚性光滑平面接触时的结合面的法向载荷，并利用所测试的结合面的法向载荷进行建模，具体过程如下：

根据Hertz接触理论，假设两刚性平面之间是两个曲面弹性体之间的接触，先对单个微凸体进行分析：

a＝πr² (3)

式中：δ_m表示法向变形量；r表示接触半径；a为单个微凸体的接触面积；W表示法向载荷；R_m表示等效曲率半径，取

m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的四阶谱矩；E表示复合弹性模量，/>

E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示第一连接件和第二连接件的弹性模量和泊松比；由(1)、(2)、(3)可得单个微凸体的法向刚度为：

基于MB分形模型，引入微接触点大小分布域扩展因子φ，得到了微接触截面积为a的接触点大小的分布函数为：

式中：φ表示域扩展因子，a_L表示微凸体最大接触面积，通过式(6)表示：

其中，D和G分别表示为分形维数和分形粗糙度参数，通过如下方法获得：利用结构函数法将表面轮廓曲线视为一个时间序列，则具有分形特征的时间序列能使其采样数据的结构函数满足：

f(τ)＝αG^2(D-1)τ^4-2D (7)

式中：系数

τ表示粗糙表面测量仪器的最小采样间距，Γ表示gamma函数，γ表示谱密度的尺度参数，γ＝1.5；

对式(7)取对数，并简化为：

y＝βx+b (8)

式中，y＝lgf(τ)，β＝4-2D，b＝lgα+2(D-1)lgG；

从而可求得：

根据统计学的方法得出整个结合面的法向刚度为：

在计算法向刚度的时候引入塑性指数ψ：

式中：H表示第一连接件和第二连接件中软材料的硬度，K表示硬度系数，其值与软材料的泊松比有关，K＝0.454+0.41v，R表示微凸体顶端的曲率半径，σ_s表示微凸体高度的均方差值，

m₀、m₂、m₄是由对表面轮廓功率谱函数积分求得的零阶、二阶、四阶谱矩；

最终得到的整个结合面的法向刚度为：

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