CN112161765B - 一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置 - Google Patents

一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械试验设备技术领域，提供了一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置。本发明提出一种试验机结构能够测试循环载荷下的接触界面切向刚度，该设计使用一个压电致动器以施加确定大小的横向载荷，通过控制压电致动器的输入电压来控制产生的横向载荷，通过弹簧的回弹力以输入等大反向的横向载荷。区别于此前存在的只能测试静态接触下的切向刚度，本发明可以提供一个幅值确定的循环载荷，而且可以通过力传感器以反馈接触界面的动态切向力，激光位移传感器反馈接触界面的动态位移，以确定接触界面的动态切向刚度。除此之外，可以满足不同尺寸的试验件测试。

Description

一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试 装置
技术领域
本发明属于机械试验设备技术领域，涉及一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置。
背景技术
接触界面在机械结构中大量存在，从而使机械结构或者系统不再具有连续性。在外载的作用下，连接接触界面滑移会引起局部刚度非线性变化并对并对结构响应产生重要的影响，进而影响整体结构的动力学特性。因此，接触界面的连接问题是研究机械系统的一个重要的基础问题，而刚度特性实验研究与建模是机械动力学由单间分析走向系统分析所要解决的关键问题，也是确保整个机械系统特性预测模型是否正确的重要依据。
1882年Hertz对具有二次曲面的弹性球体在无摩擦接触时的应力分布进行分析，后来学者们对于摩擦的研究大部分是建立在该球体接触模型的基础上。但通过实验对球体切刚度进行研究文献较少，2015年，Maegawa提出了一种基于光学法的切向刚度的简易测量方法，可以用于在视接触区域内对真实接触区域的空间分布进行现场观察，但该方法只能用于静态接触的分析。通过实验，对黏滑过程中接触界面刚度的动态变化进行分析，仍是当前的研究热点和难点。
发明内容
本发明为了解决上述问题，发明了一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置。
本发明的技术方案：
一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置，包括上部的致动部分和下部的响应部分，上部的致动部分包括顶紧螺栓1、顶紧螺母2、连接螺栓4、直线轴承5、活动横板6、活动试件14、压电致动器15、适配器 16和钢珠17，下部的响应部分包括弹簧7、立柱8、底板9、力传感器10和固定试件11，致动部分和响应部分分别同时装配，最后进行总装，提高装配效率；
后支柱3和立柱8通过内六角螺栓固定在底板9上；后支柱3为倒“L”型，其上方开有U形槽，用于放置顶紧螺栓1和压电致动器15，顶紧螺母2焊接在后支柱3上，通过调整顶紧螺栓1来调节活动横板6的初始位置；
钢珠17夹在底部加工有圆形凹槽的顶紧螺栓1和适配器16之间，以防止掉落；压电致动器15的两端分别与适配器16和活动横板6通过螺纹连接；当拧紧顶紧螺栓1时，如果压电致动器15受到非轴向载荷，钢珠17会受力移动至适配器16一端的凹弧面的最底部，使压电致动器15只承受轴向载荷；
活动横板6两端分别与直线轴承5通过其法兰面上的螺钉连接，活动横板6 中间部位开有一个螺纹孔和两个通孔，分别用于压电致动器15和活动试件14 的连接；
立柱8分为上下两部分，上部分直径较小且表面加工精度高，用于与安装弹簧7并与直线轴承5配合，下部分直径较大，用做支撑；
固定试件11底部端面加工有螺纹孔，固定试件11、力传感器10和底板9 通过M12内六角螺栓12连接在一起；
在底板9的上下端面分别加工两个深度不同的槽，两槽相对；将力传感器 10放在上端面的槽内，便于定位，下端面的槽在安装固定试件11时，留够足够的扳手活动空间。
根据试验要求，可更换不同规格的夹紧螺栓13用以连接活动试件14和固定试件11。
由于本装置测试的是微动滑移条件下的切向刚度，故固定试件11的微小位移也会对测试结果造成比较大的影响。为了便于测量试件的切向位移，特地分别在活动试件14和固定试件11的合适位置焊接上被测量柱22-1和被测量柱 22-2，通过前侧激光位移传感器20-2发出的第二 激光柱21- 2 和后侧激光位移传感器20-1发出的第一 激光柱21-1 分别测得固定试件11和活动试件14在切向外载作用下的微小滑移，二者作差可获得固定试件11和活动试件14之间的相对微小滑移。通过力传感器10测得试件所受到的切向载荷，通过绘制切向载荷与位移的的曲线，即可测得在任意时刻的接触界面的切向刚度。
本发明的有益效果：本发明旨在提出一种试验机结构能够测试循环载荷下的接触界面切向刚度，该设计使用一个压电致动器以施加确定大小的横向载荷，通过控制压电致动器的输入电压来控制产生的横向载荷，通过弹簧的回弹力以输入等大反向的横向载荷。区别于此前存在的只能测试静态接触下的切向刚度，本发明可以提供一个幅值确定的循环载荷，而且可以通过力传感器以反馈接触界面的动态切向力，激光位移传感器反馈接触界面的动态位移，以确定接触界面的动态切向刚度。除此之外，可以满足不同尺寸的试验件测试。
附图说明
图1为该装置的轴测图。
图2为该装置致动部分的剖视图。
图3为该装置响应部分的正视图。
图4为该装置后支柱3和致动部分隐藏后的俯视图。
图5为该装置的底视图。
图6为该装置在合适位置布置好激光位移传感器的左视图。
图中：1顶紧螺栓；2顶紧螺母；3后支柱；4-1第一连接螺栓；4-2第二连接螺栓；5-1第一直线轴承；5-2第二直线轴承；6活动横板；7-1第一弹簧；7-2第二弹簧；8-1第一立柱；8-2第二立柱；9底板9；10力传感器；11固定试件；12M12内六角螺栓；13夹紧螺栓；14活动试件；15压电致动器；16适配器；17钢珠；18-1第一M8内六角螺栓；18-2第二M8内六角螺栓；18-3第三 M8内六角螺栓；18-4第四M8内六角螺栓；19-1第一M12内六角螺栓；19-2第二M12内六角螺栓；20-1第一激光位移传感器；20-2第二激光位移传感器；21-1 第一激光柱；21-2第二激光柱；22-1第一被测量柱；22-2第二被测量柱。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
致动部分的循环载荷的施加：
压电致动器15上下两端通过螺纹分别与适配器16、活动横板6相连接，适配器16上端面加工有圆弧凹槽，顶紧螺栓1下端面加工有盲孔，当向下拧紧顶紧螺栓1时，钢球17就被夹在了顶紧螺栓1和适配器16中间，此时，压电致动器15的上端被顶死，当向其输入电压时，压电致动器15的下端将向下打出相应的力，打击活动横板6和活动试件14，两端的直线轴承5套在立柱8的上部分，上部分加工精度高，表面粗糙度小，在力的打击下，活动横板6和活动试件14一起沿着立柱轴向方向向下移动压缩弹簧7；当电压撤去，压电致动器 15撤去输出的力，活动横板6和活动试件14在弹簧7的回弹力下被向上顶起，实现了对试件循环载荷的施加。
响应部分的切向力和切向位移的测量：
固定试件11底部端面加工有螺纹孔，底板9中间的U形槽中心也加工有通孔，固定试件11、力传感器10、底板9通过M12内六角螺栓12连接在一起；对初始状态下的力传感器10进行初始化处理，当循环载荷施加以后，读取力传感器的值，就可以测得试件接触界面的切向力；为了便于测量试件的切向位移，特地分别在活动试件14和固定试件11的合适位置焊接上被测量柱22-1和被测量柱22-2，然后将前后激光位移传感器放置在合适的位置使激光柱打在试件的小凸块上，当循环载荷施加后，活动试件14、固定试件11受到载荷将发生微动，活动试件14的微动幅度相对于固定试件11的微动幅度来说是很大的，但是由于该装置测量的精度较高，故不能忽略固定试件11的微动，读取前后激光位移传感器测得的位移值并作差，即可测得试件接触界面之间的微动距离。
该装置可在后支柱3、立柱8与底板9之间加装垫片，以满足不同尺寸的试验件测试。

Claims (1)

1.一种基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置，其特征在于，该基于压电致动器的循环载荷下的接触界面切向刚度测试装置包括上部的致动部分和下部的响应部分，上部的致动部分包括顶紧螺栓(1)、顶紧螺母(2)、连接螺栓、直线轴承(5)、活动横板(6)、活动试件(14)、压电致动器(15)、适配器(16)和钢珠(17)，下部的响应部分包括弹簧、立柱、底板(9)、力传感器(10)和固定试件(11)，致动部分和响应部分分别同时装配，最后进行总装，提高装配效率；
后支柱(3)和立柱通过内六角螺栓固定在底板(9)上；后支柱(3)为倒“L”型，其上方开有U形槽，用于放置顶紧螺栓(1)和压电致动器(15)，顶紧螺母(2)焊接在后支柱(3)上，通过调整顶紧螺栓(1)来调节活动横板(6)的初始位置；
钢珠(17)夹在底部加工有圆形凹槽的顶紧螺栓(1)和适配器(16)之间，以防止掉落；压电致动器(15)的两端分别与适配器(16)和活动横板(6)通过螺纹连接；当拧紧顶紧螺栓(1)时，如果压电致动器(15)受到非轴向载荷，钢珠(17)会受力移动至适配器(16)一端的凹弧面的最底部，使压电致动器(15)只承受轴向载荷；
活动横板(6)两端分别与直线轴承(5)通过其法兰面上的螺钉连接，活动横板(6)中间部位开有一个螺纹孔和两个通孔，分别用于压电致动器(15)和活动试件(14)的连接；
立柱分为上下两部分，上部分直径较小且表面加工精度高，用于安装弹簧并与直线轴承(5)配合，下部分直径较大，用做支撑；
固定试件(11)底部端面加工有螺纹孔，固定试件(11)、力传感器(10)和底板(9)通过M12内六角螺栓（ 12） 连接在一起；
在底板(9)的上下端面分别加工两个深度不同的槽，两槽相对；将力传感器(10)放在上端面的槽内，便于定位，下端面的槽在安装固定试件(11)时，留够足够的扳手活动空间；
根据试验要求，更换不同规格的夹紧螺栓(13)用以连接活动试件(14)和固定试件(11)；
分别在活动试件(14)和固定试件(11)的合适位置焊接上第一被测量柱(22-1)和第二被测量柱(22-2)，通过前侧第二激光位移传感器(20-2)发出的第二激光柱(21-2)和后侧第一激光位移传感器(20-1)发出的第一激光柱(21-1)分别测得固定试件(11)和活动试件(14)在切向外载作用下的微小滑移，二者作差获得固定试件(11)和活动试件(14)之间的相对微小滑移；通过力传感器(10)测得试件所受到的切向载荷，通过绘制切向载荷与位移的曲线，测得在任意时刻的接触界面的切向刚度。
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