CN112525508A - 圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置及方法，测试装置包括底座(1)、加力轴(2)、安装环(3)、压紧环(4)、压头(6)、桥形件(7)、角度偏差纠正结构(8)、压力传感器(9)、连接杆(10)和千分表(11)；本发明针对现有技术存在无法施加被测件的长度预压缩量和无法保证被测件圆环面上均匀加载的问题，采用的技术方案是设计了被测件约束结构将被测件的两个端面压紧，设计了角度偏差纠正结构(8)和被测件的几何中心线与测试装置的加载中心线完全重合，解决了上述两个问题。本发明结构设计合理，安装方便，有效提高了圆环形金属橡胶阻尼器准静态径向刚度测试结果的准确性，并提高了测试过程的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及准静态刚度测试技术，特别涉及圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置及方法。
背景技术
金属橡胶是由金属丝制成的纤维结构功能性金属材料，通常作为高低温、压力环境中的减振材料，设计成各种形状尺寸、不同力学性能的金属橡胶阻尼器在军民用工程领域中得到了广泛应用([1]张大义,夏颖,张启成,等.金属橡胶力学性能研究进展与展望[J].航空动力学报,2018,33(6):1432-1445.)。金属橡胶阻尼器的减振原理是内部形成了金属丝相互交错勾连的空间网状结构，通过振动环境加载产生弹性变形，伴随着内部金属丝之间发生摩擦、滑移、挤压和变形，金属橡胶阻尼器可以吸收并耗散大量的振动能量。
圆环形金属橡胶阻尼器由于具有结构形式简单、制备工艺性好、安装方便等诸多优点，广泛应用于军民用工程领域的减振。其圆形内环可以安装多种形式的被减振设备，外环便于设计相应的支座结构，通常被设计成径向产生压缩变形的减振器，例如应用到航空发动机附件管路系统的金属橡胶套环和火箭氢氧涡轮泵转子支承中的金属橡胶阻尼器等。
圆环形金属橡胶阻尼器的径向刚度与被减振系统是否匹配是决定减振器性能好坏的关键因素，因此采用试验手段进行准确测量对于圆环形金属橡胶阻尼器的设计研发和产品质量检测尤为重要。直到目前，国内外还没有公开相关测试标准用于圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度特性测试，可能会导致不同研究机构采用的径向刚度测试方法不尽相同，使得测试结果与真实值之间存在误差。
通过理论分析发现，圆环形金属橡胶阻尼器的径向刚度测量比轴向刚度测试([2]陆宏伟,李昊宇,李宝海等.金属减振器轴向静刚度测试装置:中国,CN106441747A[P].2018-11-06.)更容易产生系统误差，主要体现在以下两个方面：
1)第一方面，误差来源于圆环形金属橡胶阻尼器的预压缩量与实际工作状态的不一致。文献([3]高笛.金属橡胶力学性能变参数特性和宏观尺寸效应[D].北京:北京航空航天大学,2014:46-55.)指出金属橡胶在预压缩状态下比自由状态下会表现出更大的刚度，因此径向刚度测试装置必须能够完全模拟被测件在径向和轴向上的预压缩状态。
2)第二方面，误差来源于圆环形金属橡胶阻尼器的圆环面在测试过程中不均匀受载。被测件阻挡了压头的运动路线，因此必须设计一套压力传导结构使得压力从被测件两侧进行加载，并使得两侧压力加载均匀，否则会导致圆环面局部受力问题，径向刚度测量结果偏小。
目前公开报道的相关测试装置、测试技术均存在上述两点问题，例如文献([4]Hong Jie,Wang Hong,Ma Yanhong,et al.Experimental Investigation on Durabilityof A Combined Rotor Bearing Support with Metal Rubber Material under DynamicLoadings[J].Advanced Materials Research,2011,287-290:573-576.[5]YanhongMa,QichengZhang,DayiZhang,Tuning,et al.Tuning the vibration of a rotor withshape memory alloy metal rubber supports[J].Journal of Sound and Vibration,2015,351:1-16.)使用的测试工装只能做到圆环形金属橡胶阻尼器施加内外径的预压缩量，轴向上没有约束力、为自由状态，因此预压缩量不能准确模拟实际工作状态，并且也没有采取相关技术手段保证被测件的均匀加载，不可避免地会造成误差。
因此有必要专门针对圆环形金属橡胶阻尼器设计改进的准静态径向刚度测试装置及方法，提高圆环形金属橡胶阻尼器的设计开发和产品质量检测的技术能力。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置及方法，针对现有的圆环形金属橡胶阻尼器径向刚度测试装置设计存在的问题做出改进，解决现有测试装置在被测金属橡胶阻尼器的轴向上没有约束结构或不产生约束力，无法提供长度预压缩量的问题，并且提供具体措施用来保证被测金属橡胶阻尼器圆环面受到均匀的压缩载荷，可以有效提高圆环形金属橡胶阻尼器准静态径向刚度测试结果的准确性，提高测试过程的工作效率。
本发明的技术解决方案：圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，包括：底座(1)、被测件即圆环形金属橡胶阻尼器(5)、被测件约束结构、被测件加载结构、传感器以及底座螺栓(12)、连接螺栓(13)、压头调节螺钉(14)；所述被测件约束结构包括加力轴(2)、安装环(3)和压紧环(4)；所述被测件加载结构包括压头(6)、桥形件(7)、角度偏差纠正结构(8)和连接杆(10)；所述传感器包括压力传感器(9)和千分表(11)；
所述底座(1)由底板连接面向上延伸出安装座，安装座设有中心孔和螺栓孔，构成止口法兰边用于安装环(3)和压紧环(4)的定位和安装，止口法兰边的中心线距离底板连接面要超过一定高度，这个高度要能够容纳所述千分表(11)安装到底座(1)的底板连接面与加力轴(2)之间；
所述加力轴(2)穿过底座(1)安装座的中心孔、安装环(3)和压紧环(4)的中心，在加力轴(2)的中部设有一段安装台阶用于圆环形金属橡胶阻尼器(5)的安装；
所述安装环(3)设有止口法兰边，通过连接螺栓(13)与所述底座(1)安装座的止口法兰边相连接，在安装环(3)的内环上设有一个台阶，用于圆环形金属橡胶阻尼器(5)的安装，安装环(3)的内径d2大于加力轴(2)安装台阶的直径D3，d2与D3差值的一半是径向刚度测试装置所能允许的最大压缩行程；
所述压紧环(4)设有止口法兰边，通过连接螺栓(13)与所述安装环(3)的止口法兰边相连接，压紧环(4)的内径不小于安装环(3)内径d2，用于保证最大压缩行程，压紧环(4)的端面与圆环形金属橡胶阻尼器(5)相接触；
所述被测件即圆环形金属橡胶阻尼器(5)套到加力轴(2)上，被测件的内径与加力轴(2)安装台阶的直径相配合，被测件的外径与安装环(3)台阶的内径相配合，并且通过安装在被测件两侧的安装环(3)与压紧环(4)将被测件轴向压紧；
所述压头(6)分为两个独立的相同零件，关于被测件的加载中心线左右对称布置，每个压头(6)的上端面设有螺纹孔，压头(6)通过压头调节螺钉(14)固定到桥形件(7)上；
所述桥形件(7)设有上部的螺纹柱和下部的横梁，所述的螺纹柱依次通过角度偏差纠正结构(8)、压力传感器(9)、连接杆(10)与试验机的运动横梁(103)相连接，所述横梁的两侧开有上下贯通的凹槽，用于调节压头(6)的横向位置，并通过压头调节螺钉(14)将桥形件(7)的横梁与压头(6)固定；
所述角度偏差纠正结构(8)的下端与桥形件(7)连接，上端与压力传感器(9)连接；
所述压力传感器(9)的上端与连接杆(10)连接。
所述被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)是由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的纤维结构功能性金属材料，被测件由实际工作的安装要求设计在径向和轴向上的预压缩量，包括外径预压缩量ΔD、内径预压缩量Δd和长度预压缩量Δh，计算式如下：
1)外径预压缩量ΔD＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1—安装空间的外径；
2)内径预压缩量Δd＝安装空间的内径—圆环形金属橡胶阻尼器(5)的内径d1；
3)长度预压缩量Δh＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1—安装空间的长度。
所述测试装置针对被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的预压缩状态问题，设计了被测件约束结构包括加力轴(2)、安装环(3)和压紧环(4)，安装环(3)台阶的内径D2决定被测件的外径预压缩量ΔD，加力轴(2)安装台阶的直径D3决定被测件的内径预压缩量Δd，安装环(3)台阶的长度h2和压紧环(4)止口的长度h4决定被测件的长度预压缩量Δh，所述被测件约束结构的几何尺寸需要根据被测件的公称尺寸和预压缩量进行设计，所述公称尺寸包括圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1、内径d1和长度h1，所述预压缩量包括被测件的外径预压缩量ΔD、内径预压缩量Δd和长度预压缩量Δh，所述被测件约束结构中需要设计的几何尺寸如下：
1)安装环(3)台阶的内径D2＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1—外径预压缩量ΔD；
2)安装环(3)台阶的长度h2—压紧环(4)止口的长度h4＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1—长度预压缩量Δh；
3)加力轴(2)安装台阶的直径D3＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的内径d1+内径预压缩量Δd。
所述加力轴(2)的安装台阶右侧设有定位轴肩，在安装过程中定位轴肩首先与压紧环(4)的端面配合确定加力轴(2)的轴向位置，在测试过程中定位轴肩与压紧环(4)的端面之间留有间隙，防止产生摩擦力干扰压力的测试结果。
所述压头(6)下端设有一个圆柱面，圆柱面的中心线与加力轴(2)的中心线垂直，使圆柱面与加力轴(2)发生点接触，在压头(6)跟随试验机的运动横梁(103)向下压缩运动时，点接触保证加力轴(2)两端产生集中力载荷。
所述角度偏差纠正结构(8)包括：螺母(8a)、滚珠(8b)、固定帽(8c)和连接件(8d)；桥形件(7)的上端设有凹圆弧面，连接件(8d)的下端设有凹圆弧面，所述两个凹圆弧面与滚珠(8b)相配合；固定帽(8c)的下端设有内螺纹，拧紧到桥形件(7)的上端，使得固定帽(8c)上端与连接件(8d)的外部圆弧面相配合，并用螺母(8a)压紧；在测试过程中如果试验机的运动横梁(103)的移动方向与底座(1)的底板连接面不完全垂直并具有角度偏差，桥形件(7)根据压力自动找平的作用、通过滚珠(8b)产生旋转角度，所述旋转角度与所述角度偏差相等，保证由压头(6)加载到加力轴(2)的压力始终垂直于底座(1)的底板连接面，加力轴(2)每端集中力载荷的大小等于总压力的一半，所述集中力载荷使加力轴(2)平行向下运动，保证被测件的圆环面上受到压缩载荷的均匀性。
所述千分表(11)分为左右两个，用于测量被测件的径向变形，千分表(11)的表针打在加力轴(2)的正下方6点钟方向，所述表针的轴向位置与压头(6)相对应。
所述的测试方法包括测试装置的安装过程、准静态径向刚度的测试过程、测试结果的数据处理过程；所述测试装置的安装过程是实现测试装置与被测件准确位置关系的功能，所述准静态径向刚度的测试过程是基于加载方法从而实现被测件的测试条件满足准静态条件的功能，所述测试结果的数据处理过程是基于数据拟合方法从而实现获得准确径向刚度结果的功能，所述的三个过程共同保证被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的准静态径向刚度测试结果的准确性。
所述测试装置的安装过程实现步骤如下：
第1步，标定所述测试装置在试验机平台(101)上的位置，为了保证被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的圆环面在测试过程中受到压缩载荷的均匀性，需要被测件的几何中心线与测试装置的加载中心线完全重合，所述标定方法是首先从固定到试验机的运动横梁(103)的连接杆(10)中心线向下投影，标点到试验机平台(101)上，所述投影点作为本发明的测试装置(102)的加载中心，然后通过底座(1)、安装环(3)和被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的尺寸链计算确定被测件几何中心点在所述底座(1)的底板上的位置，通过将所述投影点和所述被测件几何中心点重合的方式将底座(1)定位到试验机平台上，所述尺寸链的计算方法如下，设定以连接杆(10)的投影点作为坐标0点，左负右正：
底座(1)左端面的坐标＝安装环(3)台阶的长度h2—0.5×圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1+0.5×长度预压缩量Δh—安装环(3)外环的长度m2—底座(1)安装座的厚度m5—底座(1)左端面到安装座的长度t5；
第2步，安装被测件与被测件约束结构，首先以被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的几何中心线在加力轴(2)上的对应位置为基准，在加力轴(2)两端划线，保证两个划线到所述基准的距离相等；然后以所述加力轴(2)的定位轴肩为安装基准，依次将压紧环(4)、圆环形金属橡胶阻尼器(5)、安装环(3)套在所述加力轴(2)的安装台阶上，构成被测组件，接着将所述被测组件安装到所述底座(1)安装座的止口法兰边上，用连接螺栓(13)拧紧；最后将加力轴(2)向右移动，使得定位轴肩与压紧环(4)的端面留出间隙，避免接触，所述间隙不能超过0.5mm，否则影响所述压头(6)与加力轴(2)产生点接触的轴向位置；
第3步，安装被测件加载结构与传感器，首先将压头(6)下端的圆弧面中心对准第2步所述划线，压头(6)上端安装到所述桥形件(7)的横梁凹槽内，使得两个压头(6)关于所述加载中心左右对称，并用压头调节螺钉(14)拧紧；然后依次将所述角度偏差纠正结构(8)、压力传感器(9)和连接杆(10)安装到桥形件(7)与试验机的运动横梁(103)之间；最后将两个千分表(11)的表针对准划线，打在加力轴(2)的正下方6点钟方向，使得所述表针的轴向位置与压头(6)相对应。
所述准静态径向刚度的测试过程实现步骤如下：
首先控制试验机的运动横梁向下低速移动使被测件产生压缩，速度范围在10-4～10-1mm/s，最大压缩行程不能超过所述安装环(3)与加力轴(2)安装台阶之间留有的间隙(d2-D3)/2；然后控制试验机的运动横梁向上低速移动使被测件恢复原状，速度范围在10-4～10-1mm/s，直到所述压头(6)与加力轴(2)的点接触完全脱离；在被测件产生压缩和恢复原状的过程中，试验力数据由压力传感器(9)测得，径向变形数据由两个千分表(11)的读数取平均后获得。
所述测试结果的数据处理过程如下：首先将所述的试验力数据和径向变形数据绘制成被测件的试验力-径向变形形曲线，然后截取所述的试验力-径向变形曲线中压缩加载段，使用直线方程式y＝kx+b进行最小二乘法线性拟合，得到所述直线斜率k即为被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的准静态径向刚度测试值。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明的测试装置可以准确模拟被测圆环形金属橡胶阻尼器安装到实际结构中、在内、外径和轴向都要求具有的预压缩量。现有技术是将被测圆环形金属橡胶阻尼器的内外环安装到加力轴和安装环之间，具有内、外径预压缩量，而轴向没有约束结构或不产生约束力，不能模拟被测件的长度预压缩量，从而导致径向刚度测试结果存在误差。本发明的测试装置所采用的技术特征是设计了被测件约束结构包括加力轴、安装环和压紧环，安装环的内环上设有台阶，台阶与压紧环的端面对被测件产生轴向约束，因此可以对被测件施加要求的长度预压缩量。
(2)本发明的测试装置及方法可以保证被测圆环形金属橡胶阻尼器的圆环面上受到压缩载荷的均匀性。现有技术没有具体方法用来保证被测件圆环面受到均匀的压缩载荷，测试装置中各零件的位置关系不能准确设计，导致圆环面会出现不同程度的局部受载问题，径向刚度测试结果存在误差。本发明的测试装置及方法从两个方面对现有技术进行改进：一方面所采用的技术特征是在被测件加载结构中设计了角度偏差纠正结构，包含两个圆弧面与滚珠产生配合关系，从而使桥形件根据压力自动找平、消除角度偏差；另一方面所采用的技术特征是通过标定加载中心线的投影点和尺寸链计算得到被测件的几何中心点在底座底板上的位置关系，从而调整底座在试验机平台上的位置，将被测件的几何中心线与测试装置的加载中心线完全重合。上述两个方面共同作用使得加力轴平行向下运动，保证被测件的圆环面上受到压缩载荷的均匀性。
(3)本发明的测试装置及方法在上述改进基础上还提供了被测件约束结构的几何尺寸确定方法，可以依据被测圆环形金属橡胶的公称尺寸和预压缩量进行相应的设计。本发明所采用的技术特征是首先根据被测件和实际安装空间的几何尺寸计算被测件的内、外径和长度预压缩量，然后根据被测件的几何尺寸和所述预压缩量计算加力轴、安装环和压紧环的几何尺寸，有效提高了圆环形金属橡胶阻尼器测试装置设计过程的准确性与工作效率。
附图说明
图1是本发明的测试装置安装到试验机的位置关系示意图；
图2是本发明实施例的三维结构示意图；
图3是图2中本发明实施例A-A面的剖视图；
图4是本发明实施例中被测圆环形金属橡胶阻尼器的几何尺寸示意图；
图5是本发明实施例中角度偏差纠正结构的剖视图；
图6是本发明实施例中被测圆环形金属橡胶阻尼器的配合结构几何尺寸示意图；
图7是本发明实施例中底座定位的尺寸链的计算尺寸示意图；
图8是本发明实施例中测试结果的数据处理过程的示意图。
图中：1.底座，2.加力轴，3.安装环，4.压紧环，5.圆环形金属橡胶阻尼器，6.压头，7.桥形件，8.角度偏差纠正结构，8a.螺母，8b.滚珠，8c.固定帽，8d.连接件，9.压力传感器，10.连接杆，11.千分表，12.底座螺栓，13.连接螺栓，14.压头调节螺钉；101.试验机平台，102.本发明的测试装置，103.试验机的运动横梁，104.试验机立柱。
图中：D1.圆环形金属橡胶阻尼器的外径，d1.圆环形金属橡胶阻尼器的内径，h1.圆环形金属橡胶阻尼器的长度，ΔD.外径预压缩量，Δd.内径预压缩量，Δh.长度预压缩量，D2.安装环台阶的内径，h2.安装环台阶的长度，m2.安装环外环的长度，d2.安装环的内径，D3.加力轴安装台阶的直径，h4.压紧环止口的长度，m5.底座安装座的厚度，t5.底座左端面到安装座的长度，B.底座左端面的坐标，P1(x).压缩加载段，P2(x).压缩卸载段，M.试验力-径向变形曲线顶点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明实施例的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置即本发明的测试装置102安装到试验机上，横向位置在两个试验机立柱104之间，底座1的底板通过底座螺栓12安装到试验机平台101，连接杆10安装到试验机的运动横梁103，使得测试装置的被测件加载结构可以随着试验机的运动横梁103上下运动。
如图2、图3、图4所示，本发明的测试装置102包括：底座1、圆环形金属橡胶阻尼器5、被测件约束结构、被测件加载结构、传感器以及底座螺栓12、连接螺栓13、压头调节螺钉14。下面分别对上述结构的具体实施方式进行说明：
1)底座1
如图2、图3所示，底座1是由底板和安装座组成：底板是厚度为10mm的矩形钢板，底板上打了4道横向的贯通槽，贯通槽宽度是15mm用于底座螺栓12的安装；由底板连接面向上延伸出安装座，安装座厚度为20mm，这个厚度可以保证在测试过程中安装座比被测件的变形至少小2个数量级，在安装座的上半部设有中心孔和螺栓孔，中心孔直径为100mm，螺栓孔数量为12个，直径为6.5mm，关于中心孔的中心线呈圆环形均匀分布，中心孔和螺栓孔构成止口法兰边用于安装环3和压紧环4的定位和安装，止口法兰边的中心线距离底板连接面的高度为150mm，这个高度要能够容纳所述千分表11安装到底座1的底板连接面与加力轴2之间。
2)圆环形金属橡胶阻尼器5
如图4所示，圆环形金属橡胶阻尼器5是本发明测试装置的被测件，被测件的材料是金属橡胶，是由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的纤维结构功能性金属零件。被测件的几何尺寸包括圆环形金属橡胶阻尼器5的外径D1为92.6mm、内径d1为56.5mm和长度h1为18.4mm，实际安装空间的几何尺寸包括外径为92mm、内径为56mm和长度为18mm，被测件由实际工作的安装要求获得在径向和轴向上的预压缩量，包括外径预压缩量ΔD、内径预压缩量Δd和长度预压缩量Δh计算式如下：
(1)外径预压缩量ΔD＝圆环形金属橡胶阻尼器5的外径D1—安装空间的外径；
(2)内径预压缩量Δd＝安装空间的内径—圆环形金属橡胶阻尼器5的内径d1；
(3)长度预压缩量Δh＝圆环形金属橡胶阻尼器5的长度h1—安装空间的长度。
本发明实施例的计算结果是圆环形金属橡胶阻尼器5的外径预压缩量ΔD＝0.6mm、内径预压缩量Δd＝0.5mm和长度预压缩量Δh＝0.4mm。
3)被测件约束结构
如图2、图3所示，被测件约束结构包括加力轴2、安装环3和压紧环4。
加力轴2的几何结构分为左加载段、安装台阶、定位轴肩和右加载段，左、右加载段直径为40mm，加力轴2安装台阶的直径D3为56mm用于圆环形金属橡胶阻尼器5的安装，加力轴2的安装位置是穿过底座1安装座的中心孔、安装环3和压紧环4的中心；
安装环3是带有台阶的空心圆环形结构，设有止口法兰边，通过连接螺栓13与所述底座1安装座的止口法兰边相连接，在安装环3的内环上设有一个台阶，用于圆环形金属橡胶阻尼器5的安装，安装环3的内径d2为62mm大于加力轴2安装台阶的直径D3为56mm，d2与D3差值的一半是径向刚度测试装置所能允许的最大压缩行程为3mm；
压紧环4是带有中心孔的圆形厚板，厚度为13mm，这个厚度可以保证压紧环4能够对被测件提供约束力，压紧环4设有止口法兰边，通过连接螺栓13与所述安装环3的止口法兰边相连接，压紧环4中心孔的内径为62mm等于安装环3的内径d2，用于保证最大压缩行程。
4)被测件加载结构
如图2、图3所示，被测件加载结构包括压头6、桥形件7、角度偏差纠正结构8、连接杆10。
压头6分为两个独立的相同零件，关于被测件的加载中心线左右对称布置，每个压头6是截面正方形的四棱柱，边长28mm，总高度为260mm，压头6的下端设有一个圆柱面，直径为10mm，圆柱面的中心线与加力轴2的中心线垂直，圆柱面与加力轴2产生点接触，在压头6跟随试验机的运动横梁103向下压缩运动时，点接触保证加力轴2两端产生集中力载荷，压头6的上端设有方形台阶，台阶端面设有1个M8的螺纹孔，压头6通过M8的压头调节螺钉14固定到桥形件7上；
桥形件7设有上端的螺纹柱和下端的横梁。螺纹柱上设有M30的螺纹，用于螺母8a和固定帽8c的安装，螺纹柱的端面设有凹圆弧面，直径为25mm，用于与滚珠8b形成圆弧面配合；横梁的截面是矩形，宽度为60mm，高度为30mm，长度为400mm，这个长度要大于加力轴2的长度，横梁的两侧开有上下贯通的凹槽，凹槽宽度8.5mm，用于调节压头6的横向位置，并通过M8的压头调节螺钉14固定。
如图5所示，角度偏差纠正结构8包括螺母8a、滚珠8b、固定帽8c和连接件8d，螺母8a和固定帽8c的内环设有M30的螺纹，连接到桥形件7的螺纹柱上，滚珠8b是直径为25mm的球体，与桥形件7螺纹柱的凹圆弧面和连接件8d的凹圆弧面相配合在测试过程中如果试验机的运动横梁103的移动方向与底座1的底板连接面不完全垂直且具有角度偏差，桥形件7就会根据压力自动找平的作用、通过滚珠8b产生旋转角度，这个旋转角度与角度偏差相等，保证由压头6加载到加力轴2的压力始终垂直于底座1的底板连接面，加力轴2每端集中力载荷的大小等于总压力的一半，所述集中力载荷使加力轴2平行向下运动，保证被测件的圆环面上受到压缩载荷的均匀性。连接件8d的上端设有M12的螺纹，与压力传感器相连接。
5)传感器
如图2、图3所示，传感器包括压力传感器9、千分表11。
压力传感器9为STC型拉力压力传感器，量程为250kg，精度为4‰，通过数据传输端口连接到计算机上，压力传感器9的上下端面都设有M12的螺纹，下端面与连接件8d相连接，上端面与连接杆10相连接；
千分表11为B531型电子数显千分表，量程25mm，精度0.001mm，通过数据传输端口连接到计算机上，千分表11分为左右两个，用于测量被测件的径向变形，千分表11的表针打在加力轴2的正下方6点钟方向，表针的轴向位置与压头6相对应。
如图6所示，本发明实施例提供被测件约束结构的几何尺寸确定方法，所设计的被测件约束结构包括加力轴2、安装环3和压紧环4，安装环3台阶的内径D2决定被测件的外径预压缩量ΔD，加力轴2安装台阶的直径决定被测件的内径预压缩量Δd，安装环3台阶的长度h2和压紧环4止口的长度h4决定被测件的长度预压缩量Δh。因此被测件约束结构需要根据被测件的公称尺寸和预压缩量进行几何尺寸设计，所述公称尺寸包括圆环形金属橡胶阻尼器5的外径D1为92.6mm、内径d1为56.5mm和长度h1为18.4mm，所述预压缩量包括被测件的外径预压缩量ΔD为0.6mm、内径预压缩量Δd为0.5mm和长度预压缩量Δh为0.4mm，所述测试装置中需要设计的几何尺寸如下：
(1)安装环3台阶的内径D2＝圆环形金属橡胶阻尼器5的外径D1—外径预压缩量ΔD；
(2)安装环3台阶的长度h2—压紧环4止口的长度h4＝圆环形金属橡胶阻尼器5的长度h1—长度预压缩量Δh；
(3)加力轴2安装台阶的直径D3＝圆环形金属橡胶阻尼器5的内径d1+内径预压缩量Δd。
本发明实施例的计算结果是安装环3台阶的内径D2＝92mm、安装环3台阶的长度h2＝56mm和加力轴2安装台阶的直径D3＝18mm。
本发明实施例的圆环形金属橡胶阻尼器5的准静态径向刚度测试方法包括测试装置的安装过程、准静态径向刚度的测试过程、测试结果的数据处理过程。
1)测试装置的安装过程
第1步，如图7所示，通过尺寸链计算标定本发明实施例的测试装置在试验机平台101上的位置，为了保证被测圆环形金属橡胶阻尼器5的圆环面在测试过程中受到压缩载荷的均匀性，需要被测件的几何中心线与测试装置的加载中心线完全重合，标定方法是首先从固定到试验机的运动横梁103的连接杆10中心线向下投影，标点到试验机平台101上，所述投影点作为本发明的测试装置102的加载中心，然后通过底座1、安装环3和被测圆环形金属橡胶阻尼器5的尺寸链计算确定被测件几何中心点在所述底座1的底板上的位置，通过将所述投影点和所述被测件几何中心点重合的方式将底座1定位到试验机平台上，所述尺寸链的计算方法如下，设定以连接杆10的投影点作为坐标0点，左负右正：
底座1左端面的坐标B＝安装环3台阶的长度h2—0.5×圆环形金属橡胶阻尼器5的长度h1+0.5×长度预压缩量Δh—安装环3外环的长度m2—底座1安装座的厚度m5—底座1左端面到安装座的长度t5；
在本发明实施例中，安装环3台阶的长度h2为24mm，被测圆环形金属橡胶阻尼器5的长度h1为18mm，安装环3外环的长度m2为31mm，底座1安装座的厚度m5为20mm，底座1左端面到安装座的长度t5为111mm，根据上式的计算结果是底座1左端面的坐标为-146.8mm，因此需要将底座1左端面与连接杆10的投影点向左146.8mm的位置对齐。
第2步，安装被测件与被测件约束结构，首先以被测圆环形金属橡胶阻尼器5的几何中心线在加力轴2上的对应位置为基准，在加力轴2两端划线，保证两个划线到所述基准的距离相等为85mm；然后以所述加力轴2的定位轴肩为安装基准，依次将压紧环4、圆环形金属橡胶阻尼器5、安装环3套在所述加力轴2的安装台阶上，构成被测组件，接着将所述被测组件安装到所述底座1安装座的止口法兰边上，用连接螺栓13拧紧；最后将加力轴2向右移动，使得定位轴肩与压紧环4的端面留出间隙，避免接触，所述间隙不能超过0.5mm，否则影响所述压头6与加力轴2产生点接触的轴向位置；
第3步，安装被测件加载结构与传感器，首先将压头6下端的圆弧面中心对准第2步所述划线，压头6上端的台阶安装到所述桥形件7的横梁凹槽内，使得压头6关于所述加载中心左右对称，并用压头调节螺钉14拧紧；然后依次将所述角度偏差纠正结构8、压力传感器9和连接杆10安装到桥形件7与试验机的运动横梁103之间；最后将两个千分表11的表针对准划线，打在加力轴2的正下方6点钟方向，使得所述表针的轴向位置与压头6相对应。
2)准静态径向刚度的测试过程
首先通过计算机控制试验机的运动横梁向下低速移动使被测件产生压缩，速度范围在10-4～10-1mm/s，最大压缩行程不能超过所述安装环3与加力轴2安装台阶之间留有的间隙(d2-D3)/2为3mm；然后控制试验机的运动横梁向上低速移动使被测件恢复原状，速度范围在10-4～10-1mm/s，直到所述压头6与加力轴2的点接触完全脱离；在被测件产生压缩和恢复原状的过程中，试验力数据由压力传感器9测得，径向变形数据由两个千分表(11的读数取平均后获得。
3)测试结果的数据处理过程
如图8所示，本发明实施例，首先将测试得到的试验力数据和径向变形数据绘制成被测件的试验力-径向变形曲线，试验力-径向变形曲线包括压缩加载段P1(x)、压缩卸载段P2(x)和试验力-径向变形曲线顶点M，然后通过顶点M的坐标(0.3880mm,1844N)，截取所述的试验力-径向变形曲线中压缩加载段P1(x)，使用直线方程式y＝kx+b进行最小二次拟合，得到直线斜率k为4690.5，直线截距b为10.8，直线斜率k即为被测圆环形金属橡胶阻尼器5的准静态径向刚度测试值4690.5N/mm。
本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照优选实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围以内。
Claims (11)
1.圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于，包括：底座(1)、被测件即圆环形金属橡胶阻尼器(5)、被测件约束结构、被测件加载结构、传感器以及底座螺栓(12)、连接螺栓(13)、压头调节螺钉(14)；所述被测件约束结构包括加力轴(2)、安装环(3)和压紧环(4)；所述被测件加载结构包括压头(6)、桥形件(7)、角度偏差纠正结构(8)和连接杆(10)；所述传感器包括压力传感器(9)和千分表(11)；
所述底座(1)由底板连接面向上延伸出安装座，安装座设有中心孔和螺栓孔，构成止口法兰边用于安装环(3)和压紧环(4)的定位和安装，止口法兰边的中心线距离底板连接面要超过一定高度，这个高度要能够容纳所述千分表(11)安装到底座(1)的底板连接面与加力轴(2)之间；
所述加力轴(2)穿过底座(1)安装座的中心孔、安装环(3)和压紧环(4)的中心，在加力轴(2)的中部设有一段安装台阶用于圆环形金属橡胶阻尼器(5)的安装；
所述安装环(3)设有止口法兰边，通过连接螺栓(13)与所述底座(1)安装座的止口法兰边相连接，在安装环(3)的内环上设有一个台阶，用于圆环形金属橡胶阻尼器(5)的安装，安装环(3)的内径d2大于加力轴(2)安装台阶的直径D3，d2与D3差值的一半是径向刚度测试装置所能允许的最大压缩行程；
所述压紧环(4)设有止口法兰边，通过连接螺栓(13)与所述安装环(3)的止口法兰边相连接，压紧环(4)的内径不小于安装环(3)内径d2，用于保证最大压缩行程，压紧环(4)的端面与圆环形金属橡胶阻尼器(5)相接触；
所述被测件即圆环形金属橡胶阻尼器(5)套到加力轴(2)上，被测件的内径与加力轴(2)安装台阶的直径相配合，被测件的外径与安装环(3)台阶的内径相配合，并且通过安装在被测件两侧的安装环(3)与压紧环(4)将被测件轴向压紧；
所述压头(6)分为两个独立的相同零件，关于被测件的加载中心线左右对称布置，每个压头(6)的上端面设有螺纹孔，压头(6)通过压头调节螺钉(14)固定到桥形件(7)上；
所述桥形件(7)设有上部的螺纹柱和下部的横梁，所述的螺纹柱依次通过角度偏差纠正结构(8)、压力传感器(9)、连接杆(10)与试验机的运动横梁(103)相连接，所述横梁的两侧开有上下贯通的凹槽，用于调节压头(6)的横向位置，并通过压头调节螺钉(14)将桥形件(7)的横梁与压头(6)固定；
所述角度偏差纠正结构(8)的下端与桥形件(7)连接，上端与压力传感器(9)连接；
所述压力传感器(9)的上端与连接杆(10)连接。
2.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于：所述被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)是由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的纤维结构功能性金属材料，被测件由实际工作的安装要求设计在径向和轴向上的预压缩量，包括外径预压缩量ΔD、内径预压缩量Δd和长度预压缩量Δh，计算式如下：
1)外径预压缩量ΔD＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1—安装空间的外径；
2)内径预压缩量Δd＝安装空间的内径—圆环形金属橡胶阻尼器(5)的内径d1；
3)长度预压缩量Δh＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1—安装空间的长度。
3.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征是：所述测试装置针对被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的预压缩状态问题，设计了被测件约束结构包括加力轴(2)、安装环(3)和压紧环(4)，安装环(3)台阶的内径D2决定被测件的外径预压缩量ΔD，加力轴(2)安装台阶的直径D3决定被测件的内径预压缩量Δd，安装环(3)台阶的长度h2和压紧环(4)止口的长度h4决定被测件的长度预压缩量Δh，所述被测件约束结构的几何尺寸需要根据被测件的公称尺寸和预压缩量进行设计，所述公称尺寸包括圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1、内径d1和长度h1，所述预压缩量包括被测件的外径预压缩量ΔD、内径预压缩量Δd和长度预压缩量Δh，所述被测件约束结构中需要设计的几何尺寸如下：
1)安装环(3)台阶的内径D2＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的外径D1—外径预压缩量ΔD；
2)安装环(3)台阶的长度h2—压紧环(4)止口的长度h4＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1—长度预压缩量Δh；
3)加力轴(2)安装台阶的直径D3＝圆环形金属橡胶阻尼器(5)的内径d1+内径预压缩量Δd。
4.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于：所述加力轴(2)的安装台阶右侧设有定位轴肩，在安装过程中定位轴肩首先与压紧环(4)的端面配合确定加力轴(2)的轴向位置，在测试过程中定位轴肩与压紧环(4)的端面之间留有间隙，防止产生摩擦力干扰压力的测试结果。
5.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于：所述压头(6)下端设有一个圆柱面，圆柱面的中心线与加力轴(2)的中心线垂直，使圆柱面与加力轴(2)发生点接触，在压头(6)跟随试验机的运动横梁(103)向下压缩运动时，点接触保证加力轴(2)两端产生集中力载荷。
6.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于：所述角度偏差纠正结构(8)包括：螺母(8a)、滚珠(8b)、固定帽(8c)和连接件(8d)；桥形件(7)的上端设有凹圆弧面，连接件(8d)的下端设有凹圆弧面，所述两个凹圆弧面与滚珠(8b)相配合；固定帽(8c)的下端设有内螺纹，拧紧到桥形件(7)的上端，使得固定帽(8c)上端与连接件(8d)的外部圆弧面相配合，并用螺母(8a)压紧；在测试过程中如果试验机的运动横梁(103)的移动方向与底座(1)的底板连接面不完全垂直并具有角度偏差，桥形件(7)根据压力自动找平的作用、通过滚珠(8b)产生旋转角度，所述旋转角度与所述角度偏差相等，保证由压头(6)加载到加力轴(2)的压力始终垂直于底座(1)的底板连接面，加力轴(2)每端集中力载荷的大小等于总压力的一半，所述集中力载荷使加力轴(2)平行向下运动，保证被测件的圆环面上受到压缩载荷的均匀性。
7.根据权利要求1所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度测试装置，其特征在于：所述千分表(11)分为左右两个，用于测量被测件的径向变形，千分表(11)的表针打在加力轴(2)的正下方6点钟方向，所述表针的轴向位置与压头(6)相对应。
8.根据权利要求1-7任意之一所述的圆环形金属橡胶阻尼器的准静态径向刚度的测试方法，其特征在于：所述的测试方法包括测试装置的安装过程、准静态径向刚度的测试过程、测试结果的数据处理过程；所述测试装置的安装过程是实现测试装置与被测件准确位置关系的功能，所述准静态径向刚度的测试过程是基于加载方法从而实现被测件的测试条件满足准静态条件的功能，所述测试结果的数据处理过程是基于数据拟合方法从而实现获得准确径向刚度结果的功能，所述的三个过程共同保证被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的准静态径向刚度测试结果的准确性。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述测试装置的安装过程实现步骤如下：
第1步，标定所述测试装置在试验机平台(101)上的位置，为了保证被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的圆环面在测试过程中受到压缩载荷的均匀性，需要被测件的几何中心线与测试装置的加载中心线完全重合，所述标定方法是首先从固定到试验机的运动横梁(103)的连接杆(10)中心线向下投影，标点到试验机平台(101)上，所述投影点作为本发明的测试装置(102)的加载中心，然后通过底座(1)、安装环(3)和被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的尺寸链计算确定被测件几何中心点在所述底座(1)的底板上的位置，通过将所述投影点和所述被测件几何中心点重合的方式将底座(1)定位到试验机平台上，所述尺寸链的计算方法如下，设定以连接杆(10)的投影点作为坐标0点，左负右正：
底座(1)左端面的坐标B＝安装环(3)台阶的长度h2—0.5×圆环形金属橡胶阻尼器(5)的长度h1+0.5×长度预压缩量Δh—安装环(3)外环的长度m2—底座(1)安装座的厚度m5—底座(1)左端面到安装座的长度t5；
第2步，安装被测件与被测件约束结构，首先以被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的几何中心线在加力轴(2)上的对应位置为基准，在加力轴(2)两端划线，保证两个划线到所述基准的距离相等；然后以所述加力轴(2)的定位轴肩为安装基准，依次将压紧环(4)、圆环形金属橡胶阻尼器(5)、安装环(3)套在所述加力轴(2)的安装台阶上，构成被测组件，接着将所述被测组件安装到所述底座(1)安装座的止口法兰边上，用连接螺栓(13)拧紧；最后将加力轴(2)向右移动，使得定位轴肩与压紧环(4)的端面留出间隙，避免接触，所述间隙不能超过0.5mm，否则影响所述压头(6)与加力轴(2)产生点接触的轴向位置；
第3步，安装被测件加载结构与传感器，首先将压头(6)下端的圆弧面中心对准第2步所述划线，压头(6)上端安装到所述桥形件(7)的横梁凹槽内，使得两个压头(6)关于所述加载中心左右对称，并用压头调节螺钉(14)拧紧；然后依次将所述角度偏差纠正结构(8)、压力传感器(9)和连接杆(10)安装到桥形件(7)与试验机的运动横梁(103)之间；最后将两个千分表(11)的表针对准划线，打在加力轴(2)的正下方6点钟方向，使得所述表针的轴向位置与压头(6)相对应。
10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述准静态径向刚度的测试过程实现步骤如下：
首先控制试验机的运动横梁向下低速移动使被测件产生压缩，速度范围在10-4～10- 1mm/s，最大压缩行程不能超过所述安装环(3)与加力轴(2)安装台阶之间留有的间隙(d2-D3)/2；然后控制试验机的运动横梁向上低速移动使被测件恢复原状，速度范围在10-4～10-1mm/s，直到所述压头(6)与加力轴(2)的点接触完全脱离；在被测件产生压缩和恢复原状的过程中，试验力数据由压力传感器(9)测得，径向变形数据由两个千分表(11)的读数取平均后获得。
11.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述测试结果的数据处理过程如下：首先将所述的试验力数据和径向变形数据绘制成被测件的试验力-径向变形曲线，然后截取所述的试验力-径向变形曲线中压缩加载段，使用直线方程式y＝kx+b进行最小二乘法线性拟合，得到所述直线斜率k即为被测圆环形金属橡胶阻尼器(5)的准静态径向刚度测试值。
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