CN117168798B - 一种固定结合面动静态刚度参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定结合面动静态刚度参数测量装置，属于刚度测试技术领域，包括实验台和试件组，所述实验台包括机架；所述机架沿第一方向设置有水平加力组件，所述水平加力组件包括沿第一方向相对设置的两个水平加力螺杆，在其中一个所述水平加力螺杆与所述试件组之间设置侧向扭矩隔离组件，所述机架顶部沿第二方向垂直设置有竖向加力螺杆，在所述竖向加力螺杆与所述试件组之间设置竖向扭矩隔离组件，所述机架内沿第二方向设置有可升降的试件台，所述试件台的下方设置有激振器组件。本发明通过三个加力螺杆可以同时施加水平和竖直方向的压力，预留激振器安装位置，可以在同一台装置上完成法向动静刚度，切向动静刚度的测量。

Description

一种固定结合面动静态刚度参数测量装置

技术领域

本发明属于刚度测试技术领域，具体涉及一种固定结合面动静态刚度参数测量装置。

背景技术

机械产品的设计制造中需要固定结合面的法向静刚度、法向动刚度、切向静刚度、切向动刚度的参数，通常使用实验方法测得这些参数。现有刚度测试装置包括激振器、水平加力装置、竖直加力装置组成。比如专利号CN103149002A、CN109813513A、CN110018008A、CN108318199A所示技术，通过丝杠螺母机构或螺栓机构施加竖直方向或水平方向压力，激振器向试件施加激振力。位移传感器、加速度传感器、压力传感器安装在试件上检测结合面的变化，进而计算得到结合面刚度。

现有的刚度测试装置未有能在同一个装置上实现法向动刚度、法向静刚度、切向动刚度、切向静刚度的测量。

现有刚度测试装置未留出激振器安装位置，或只有固定大小的激振器位置。在使用时需额外激振器支架，或在更换激振器时需要对装置进行更改。

现有刚度测试装置将激振器置于装置上部，会造成激振器工作时的振动而引起整个装置的振动影响测量结果。

现有刚度测试装置使用螺杆施加压力时，未能完全消除螺杆旋转而来的扭矩对试件的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固定结合面动静态刚度参数测量装置，通过三个螺杆配合加力，能够实现结合面的法向动刚度、法向静刚度、切向动刚度、切向静刚度的参数均能够使用本装置测量；激振器置于地面，无需再另外布置激振器支架；试件台可升降，可适应不同试件尺寸，不同激振器尺寸；力加载螺杆前设有扭矩隔离板，完全消除在施加压力时因螺杆转动将螺杆扭矩传递至结合面；同时切向刚度为三个试件构成两个结合面的测量，避免因需要提供结合面压力时由其他结合面带来的干扰；以解决背景技术中所提出的技术问题，

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种固定结合面动静态刚度参数测量装置，包括实验台和试件组，所述实验台包括机架；

所述机架沿第一方向设置有水平加力组件，所述水平加力组件包括沿第一方向相对设置的两个水平加力螺杆，所述水平加力螺杆的外壁螺纹连接有水平动梁，且所述水平动梁可相对于所述机架沿第二方向升降，在其中一个所述水平加力螺杆与所述试件组之间设置侧向扭矩隔离组件，所述侧向扭矩隔离组件包括可沿第一方向滑动的侧向扭矩隔离板；

所述机架顶部沿第二方向垂直设置有竖向加力螺杆，在所述竖向加力螺杆与所述试件组之间设置竖向扭矩隔离组件，所述竖向扭矩隔离组件包括可沿第二方向滑动的竖向扭矩隔离板；

所述机架内沿第二方向设置有可升降的试件台，且所述试件台位于所述试件组的下方，所述试件台的上表面中心位置开设通孔；

所述试件台的下方设置有激振器组件，且所述激振器组件与所述机架之间不发生接触，所述激振器组件包括激振器和激振杆，所述激振杆固定连接在激振器上，且所述激振杆可延伸出所述试件台上的通孔向所述试件组施加激振力。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述机架包括一个顶梁以及安装在所述顶梁左右两侧的侧架，且所述顶梁位于所述侧架的顶部，所述顶梁的上表面中心位置设置有第一圆螺母。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述水平动梁的前后两侧均安装有第一滑块；所述侧架沿第三方向的内侧前后两端均安装有侧向直线导轨；所述第一滑块与所述侧向直线导轨位置相对应，且所述第一滑块可在所述侧向直线导轨上沿第二方向滑动。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述水平加力组件还包括两个相对设置的第一丝杠，所述第一丝杠沿第一方向水平设置，所述第一丝杠与所述水平动梁螺纹连接，每个所述第一丝杠的顶部均固定连接有第一同步带轮，两个所述第一同步带轮之间通过第一同步带连接，使两个所述第一同步带轮同步转动。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述竖向扭矩隔离板的中心位置夹在所述竖向加力螺杆与所述试件组之间；所述竖向扭矩隔离板的左右两侧均安装有第二滑块；两个所述侧架沿第一方向的内侧均安装有正向直线导轨；所述第二滑块与所述正向直线导轨位置相对应，且所述第二滑块可在所述正向直线导轨上沿第二方向滑动。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述侧向扭矩隔离板位于其中一个所述水平加力螺杆与所述试件组之间；所述侧向扭矩隔离板的内侧上下两端安装有两个相对设置的直线导轨，所述直线导轨上滑动连接有第三滑块。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述试件台包括水平放置的试件横梁，所述试件横梁的左右两侧中心位置均安装有第二丝杠螺母，沿垂直于所述试件横梁的方向设置有两个相对的第二丝杠，且所述第二丝杠螺母与所述第二丝杠螺纹连接，每个所述第二丝杠的顶部均固定连接有第二同步带轮，两个所述第二同步带轮之间通过第二同步带连接，使两个所述第二同步带轮同步转动。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述试件横梁的左右两侧均安装有第四滑块，且第四滑块与所述正向直线导轨位置相对应，且所述第四滑块可在所述正向直线导轨上沿第二方向滑动。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述试件组包括法向静刚度试件组和法向动刚度试件组，且所述法向静刚度试件组和所述法向动刚度试件组均包括大试件和小试件，所述小试件与所述大试件上下放置，所述大试件与所述小试件的接触面为结合面，所述小试件的侧面通过夹具安装有位移传感器，所述位移传感器检测所述大试件与所述小试件之间的位移变化以反应所述结合面在受压时的变形量。

根据本发明提供的固定结合面动静态刚度参数测量装置，所述试件组包括切向静刚度试件组和切向动刚度试件组，所述切向静刚度试件组和切向动刚度试件组均包括两个相对设置的大试件以及位于两个所述大试件之间的小试件，所述小试件和两个所述大试件均竖直放置，所述大试件与所述水平加力螺杆之间设置应变压力传感器，所述小试件与两个所述大试件之间接触的两个面均为结合面，所述小试件的前侧通过夹具安装有位移传感器，在其中一个所述大试件的前侧安装有感应块，所述感应块与所述位移传感器配合测量所述小试件与所述大试件的相对位移变化，测得所述结合面的变形量。

本发明的优点与效果是：本发明通过三个加力螺杆可以同时施加水平和竖直方向的压力，预留激振器安装位置，可以在同一台装置上完成法向动静刚度，切向动静刚度的测量，无需额外激振器支架。试件台高度可调，兼容不同尺寸试件和不同尺寸激振器。两侧水平加力螺杆同步升降，保证水平方向压力位于同一轴线。扭矩隔离组件完全避免螺杆旋转施加压力时将扭矩传入试件组带来额外结合面切向受力。切向刚度实验中以三个试件的组合构成两个结合面来将会发生切向位移的结合面均引入试件组内，使结合面的切向受力和变形均在试件组内得以测量。

附图说明

图1为本发明实施例固定结合面动静态刚度参数测量装置轴测图；

图2为本发明实施例机架示意图；

图3为本发明实施例水平加力组件示意图；

图4为本发明实施例竖向扭矩隔离组件示意图；

图5为本发明实施例侧向扭矩隔离组件示意图；

图6为本发明实施例试件台示意图；

图7为本发明实施例激振器组件示意图；

图8为本发明实施例法向刚度试件组示意图，其中，图8-a为法向静刚度试件组示意图；图8-b为法向动刚度试件组示意图；

图9为本发明实施例切向刚度试件组示意图；其中，图9-a为切向静刚度试件组示意图，图9-b为切向动刚度试件组示意图；

图中：

1-实验台；

2-试件组，2-1、大试件，2-2、结合面，2-3、位移传感器，2-4、夹具，2-5、小试件，2-6、压电压力传感器，2-7、加速度传感器，2-8、应变压力传感器，2-9、感应块；

3-机架，3-1、侧架，3-2、侧向直线导轨，3-3、顶梁，3-4、第一圆螺母，3-5、正向直线导轨；

4-水平加力组件，4-1、第二圆螺母，4-2、水平加力螺杆，4-3、水平动梁，4-4、第一丝杠座，4-5、第一手轮，4-6、第一同步带，4-7、第一同步带轮，4-8、第一滑块，4-9、第一丝杠螺母，4-10、第一丝杠；

5-竖向加力螺杆；

6-竖向扭矩隔离组件，6-1、竖向扭矩隔离板，6-2、第二滑块；

7-侧向扭矩隔离组件，7-1、侧向扭矩隔离板，7-2、直线导轨，7-3、第三滑块；

8-试件台，8-1、第二丝杠，8-2、第二丝杠螺母，8-3、第四滑块，8-4、试件横梁，8-5、第二丝杠座，8-6、第二同步带轮，8-7、第二同步带，8-8、第二手轮；

9-激振器组件，9-1、激振杆，9-2、激振器；

D1-第一方向，D2-第二方向，D3-第三方向。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合图1-图9，对本发明一种固定结合面动静态刚度参数测量装置做进一步详细的描述。

如图1-图9所示，本发明实施例提供了一种固定结合面动静态刚度参数测量装置，包括实验台1和试件组2，所述实验台1包括机架3；

所述机架3沿第一方向D1设置有水平加力组件4，所述水平加力组件4包括沿第一方向D1相对设置的两个水平加力螺杆4-2，所述水平加力螺杆4-2的外壁螺纹连接有水平动梁4-3，且所述水平动梁4-3可相对于所述机架3沿第二方向D2升降，在其中一个所述水平加力螺杆4-2与所述试件组2之间设置侧向扭矩隔离组件7，所述侧向扭矩隔离组件7包括可沿第一方向D1滑动的侧向扭矩隔离板7-1；

所述机架3顶部沿第二方向D2垂直设置有竖向加力螺杆5，在所述竖向加力螺杆5与所述试件组2之间设置竖向扭矩隔离组件6，所述竖向扭矩隔离组件6包括可沿第二方向D2滑动的竖向扭矩隔离板6-1；

所述机架3内沿第二方向D2设置有可升降的试件台8，且所述试件台8位于所述试件组2的下方，所述试件台8的上表面中心位置开设通孔；

如图7所示，所述试件台8的下方设置有激振器组件9，且所述激振器组件9与所述机架3之间不发生接触，所述激振器组件9包括激振器9-2和激振杆9-1，所述激振杆9-1固定连接在激振器9-2上，且所述激振杆9-1可延伸出所述试件台8上的通孔向所述试件组2施加激振力。

本发明实施例通过三个螺杆配合加力，能够实现结合面2-2的法向动刚度、法向静刚度、切向动刚度、切向静刚度的参数均能够使用本装置测量；激振器9-2置于地面，无需再另外布置激振器支架；激振器9-2的四周与机架3之间不发生接触，试件台8可升降，可适应不同试件尺寸，不同激振器9-2尺寸；力加载螺杆与试件组2之间设有扭矩隔离板，完全消除在施加压力时因螺杆转动将螺杆扭矩传递至结合面2-2；同时切向刚度为三个试件构成两个结合面的测量，避免因需要提供结合面法向面压时由其他结合面带来的干扰。

如图2所示，对机架3的构造进行具体描述，所述机架3包括一个顶梁3-3以及安装在所述顶梁3-3左右两侧的侧架3-1，且所述顶梁3-3位于所述侧架3-1的顶部，所述顶梁3-3的上表面中心位置设置有第一圆螺母3-4；

具体地，两个侧架3-1以顶梁3-3中心对称设置，且顶部通过螺栓与顶梁3-3的侧面固定连接，所述顶梁3-3的上表面与第一圆螺母3-4相对应位置开设孔，供竖向加力螺杆5穿过对所述试件组2施加压力，具体来说，竖向加力螺杆5旋入第一圆螺母3-4，竖向加力螺杆5旋转向试件组2加载竖直方向压力，从图中可以理解的是，机架3通过地脚螺栓固定在地面或地平铁上。

如图2和图3所示，为了提高水平动梁4-3在升降滑动时的稳定性，所述水平动梁4-3的前后两侧均安装有第一滑块4-8；所述侧架3-1沿第三方向D3的内侧前后两端均安装有侧向直线导轨3-2；所述第一滑块4-8与所述侧向直线导轨3-2位置相对应，且所述第一滑块4-8可在所述侧向直线导轨3-2上沿第二方向D2滑动。

如此设置，侧向直线导轨3-2限定了第一滑块4-8滑动的轨迹，提高了水平动梁4-3在升降滑动时的稳定性。

继续参见图3，为了实现水平加力组件4的升降，所述水平加力组件4还包括两个相对设置的第一丝杠4-10，所述第一丝杠4-10沿第一方向D1水平设置，所述第一丝杠4-10与所述水平动梁4-3螺纹连接。

具体而言，所述水平动梁4-3的底部固定连接有第一丝杠螺母4-9，所述第一丝杠4-10穿插并延伸出所述水平动梁4-3与所述第一丝杠螺母4-9螺纹连接，所述水平动梁4-3内固定安装有第二圆螺母4-1，所述水平加力螺杆4-2与所述第二圆螺母4-1螺纹连接，并延伸出所述第二圆螺母4-1向试件组2施加压力；

进一步地，为了限定所述第一丝杠4-10的位置，所述第一丝杠4-10的外壁上下两端均安装有第一丝杠座4-4，两个所述第一丝杠座4-4均与机架3固定连接，其中一个所述第一丝杠座4-4安装在所述顶梁3-3上，另一个所述第一丝杠座4-4安装在侧架3-1上；

进一步地，为了便于第一丝杠4-10的旋转，所述水平加力组件4还包括第一手轮4-5，所述第一手轮4-5安装在所述第一丝杠4-10的顶部，且位于所述第一同步带轮4-7的上方；

继续参见图3，为了实现两个所述第一丝杠4-10的同步转动，每个所述第一丝杠4-10的顶部均固定连接有第一同步带轮4-7，两个所述第一同步带轮4-7之间通过第一同步带4-6连接，使两个所述第一同步带轮4-7同步转动；

如此设置的目的在于，转动任何一侧第一手轮4-5使与之固定连接的第一丝杠4-10转动，同时通过第一同步带4-6与第一同步带轮4-7的传动使另一侧的第一丝杠4-10转动，两侧第一丝杠螺母4-9同步上下移动，带动两侧水平动梁4-3和水平加力螺杆4-2同步上下移动。水平加力螺杆4-2旋转向试件组2加水平压力，保证水平力的加载在同一轴线上；

从水平加力组件4总体上看，与试件台8的垂直距离可调节，满足不同的工件尺寸和不同水平方向力加载位置的需求。

如图4所示，为了避免竖向加力螺杆5在旋转时将扭矩传递到试件组2中，所述竖向扭矩隔离板6-1的中心位置夹在所述竖向加力螺杆5与所述试件组2之间；所述竖向扭矩隔离板6-1的左右两侧均安装有第二滑块6-2；两个所述侧架3-1沿第一方向D1的内侧均安装有正向直线导轨3-5；所述第二滑块6-2与所述正向直线导轨3-5位置相对应，且所述第二滑块6-2可在所述正向直线导轨3-5上沿第二方向D2滑动。

如此设置，第二滑块6-2连接到机架3的正向直线导轨3-5上，能够自由竖直上下移动但不能在竖直方向扭转，当竖向加力螺杆5向下施加压力时，竖向扭矩隔离板6-1夹在竖向加力螺杆5和试件组2中间，避免竖向加力螺杆5在旋转时将扭矩传递到试件组2中，防止法向刚度实验中有切向力传入结合面2-2。

如图5所示，为了避免水平加力螺杆4-2向试件组2施加水平力时将扭矩传入试件组2，所述侧向扭矩隔离板7-1位于其中一个所述水平加力螺杆4-2与所述试件组2之间；所述侧向扭矩隔离板7-1的内侧上下两端安装有两个相对设置的直线导轨7-2，所述直线导轨7-2上滑动连接有第三滑块7-3。

具体来说，所述侧向扭矩隔离板7-1呈U型，侧向扭矩隔离板7-1与直线导轨7-2固定连接，第三滑块7-3固定连接在水平动梁4-3上；

如此设置，直线导轨7-2与第三滑块7-3之间滑动连接使得侧向扭矩隔离板7-1能够水平移动但不能扭转，在水平加力螺杆4-2向试件组2施加水平力时侧向扭矩隔离板7-1夹在中间避免扭矩传入试件组2，防止在测切向刚度时引入未知切向力。侧向扭矩隔离组件7只需在水平加力组件4的一侧安装，当两侧水平加力螺杆4-2开始施力之后，只需转动装有侧向扭矩隔离组件7一侧的水平加力螺杆4-2即可。

如图6所示，所述试件台8包括水平放置的试件横梁8-4，所述试件横梁8-4的左右两侧中心位置均安装有第二丝杠螺母8-2，沿垂直于所述试件横梁8-4的方向设置有两个相对的第二丝杠8-1，且所述第二丝杠螺母8-2与所述第二丝杠8-1螺纹连接。

具体地，第二丝杠螺母8-2固定连接在试件横梁8-4上，第二丝杠8-1穿过第二丝杠螺母8-2，第二丝杠8-1两侧通过第二丝杠座8-5固定连接在机架3上，更为具体地，每个所述第二丝杠8-1的外壁上下两端均安装有第二丝杠座8-5，两个所述第二丝杠座8-5均与机架3固定连接，其中一个所述第二丝杠座8-5安装在所述顶梁3-3上，另一个所述第二丝杠座8-5安装在侧架3-1上。

为了便于第二丝杠8-1的旋转，所述试件台8还包括第二手轮8-8，所述第二手轮8-8安装在所述第二丝杠8-1的顶部，且位于所述第二同步带轮8-6的上方；第二手轮8-8与第二同步带轮8-6固定连接在第二丝杠8-1上，两侧第二同步带轮8-6由第二同步带8-7连接。

为了实现两个所述第二丝杠8-1的同步转动，每个所述第二丝杠8-1的顶部均固定连接有第二同步带轮8-6，两个所述第二同步带轮8-6之间通过第二同步带8-7连接，使两个所述第二同步带轮8-6同步转动；

如此设置，转动任何一侧第二手轮8-8使与之固定连接的第二丝杠8-1转动，同时通过第二同步带8-7与第二同步带轮8-6的传动使另一侧第二丝杠8-1转动，两侧第二丝杠螺母8-2同步上下移动，带动试件横梁8-4上下移动，试件横梁8-4左右两侧受力在同一水平面上。由于丝杠机构的自锁特性，在竖向加力螺杆5在施加压力时能保证试件横梁8-4不随之移动。

继续参见图6，为了提高试件横梁8-4在升降滑动时的稳定性，所述试件横梁8-4的左右两侧均安装有第四滑块8-3，且第四滑块8-3与所述正向直线导轨3-5位置相对应，且所述第四滑块8-3可在所述正向直线导轨3-5上沿第二方向D2滑动，第四滑块8-3固定连接在试件横梁8-4上，与机架3正向直线导轨3-5滑动连接，使试件横梁8-4能在竖直方向移动，正向直线导轨3-5限定第四滑块8-3的运动轨迹，提高了试件横梁8-4在升降滑动时的稳定性。

如图8所示，所述试件组2包括法向静刚度试件组和法向动刚度试件组，且所述法向静刚度试件组和所述法向动刚度试件组均包括大试件2-1和小试件2-5，所述小试件2-5与所述大试件2-1上下放置，所述大试件2-1与所述小试件2-5的接触面为结合面2-2，所述小试件2-5的侧面通过夹具2-4安装有位移传感器2-3，所述位移传感器2-3检测所述大试件2-1与所述小试件2-5之间的位移变化以反应所述结合面2-2在受压时的变形量。

如图8-a所示，测量结合面2-2法向静刚度时，压电压力传感器2-6置于小试件2-5上表面，竖向加力螺杆5不断向下施加压力于压电压力传感器2-6上，压电压力传感器2-6测得变化的压力数值同时位移传感器2-3测得变形量可以计算得到结合面2-2法向静刚度；

固定结合面静刚度试验原理：

静刚度计算公式：

（1）

式中为载荷增量，/>为载荷方向的变形量增量。

在实验中测得结合面2-2上的受力和在受力下结合面2-2的位移，通过公式（1）计算得到固定结合面法向静刚度。

如图8-b所示，测量结合面2-2法向动刚度时，调整试件台8高度使激振杆9-1能与试件组2良好接触；应变压力传感器2-8置于小试件2-5上表面，测量竖向加力螺杆5向下施加的定压力；压电压力传感器2-6置于大试件2-1下表面与激振杆9-1之间，穿过试件台8中间孔，测量激振杆9-1施加的动态激振力；加速度传感器2-7安装固定在大试件2-1上，测量在激振力作用下的大试件2-1的加速度；竖向加力螺杆5向试件组2施加适当压力后保持不变，启动激振器9-2，激振器9-2向试件组2施加激振力，由压电压力传感器2-6、位移传感器2-3、加速度传感器2-7测得动态激振力、结合面变形量、大试件2-1的加速度可计算得到结合面2-2法向动刚度。

固定结合面法向动刚度试验原理：

根据动力学方程

（2）

（3）

其中，为大试件的加速度，由加速度计测得；/>为大试件的质量；/>为作用于大试件上的激振力，可由力传感器测得；/>为结合面上的法向动态力。/>和/>为结合面法向动态接触刚度和法向动态接触阻尼；/>为结合面间的法向动态相对位移，可由电涡流位移传感器测得。

对试件装置进行简谐激励

（4）

（5）

为结合面法向动态力的幅值，/>为结合面法向振动位移的幅值。/>为结合面间的法向动态相对位移/>与结合面上的法向动态力/>之间的相位差。

对t求导得结合面法相振动速度：

（6）

将式（4）、（5）、（6）代入式（3）得

（7）

（8）

则单位面积上的法向动态接触刚度和接触阻尼系数/>为

（9）

（10）

其中，为结合面面积；/>和/>单位为/>和/>。/>可由式求得，可为外部激励参数，/>可由式求得，/>可由/>与/>输出数据比较获得，/>可由电涡流位移传感器获得。

如图9所示，所述试件组2包括切向静刚度试件组和切向动刚度试件组，所述切向静刚度试件组和切向动刚度试件组均包括两个相对设置的大试件2-1以及位于两个所述大试件2-1之间的小试件2-5，所述小试件2-5和两个所述大试件2-1均竖直放置，所述大试件2-1与所述水平加力螺杆4-2之间设置应变压力传感器2-8，所述小试件2-5与两个所述大试件2-1之间接触的两个面均为结合面2-2，所述小试件2-5的前侧通过夹具安装有位移传感器2-3，在其中一个所述大试件2-1的前侧安装有感应块2-9，所述感应块2-9与所述位移传感器2-3配合测量所述小试件2-5与所述大试件2-1的相对位移变化，测得所述结合面2-2的变形量。

当进行切向刚度测试时，小试件2-5置于两大试件2-1之间，因为测量切向刚度时需要向结合面2-2施加法向面压，所以试件组2一定会受到与所测刚度方向垂直的压力，进而在试件组2与外部加力组件之间一定会存在与所测刚度方向平行的结合面，为了避免外部结合面的干扰，将会发生切向变形的结合面引入到试件组2内部以消除干扰，在试件组2内得以测量全部的结合面切向变形和切向位移。小试件2-5与大试件2-1接触的两个表面均为所测刚度结合面2-2。

位移传感器2-3通过夹具2-4固定在小试件2-5上，感应块2-9固定在大试件2-1上与位移传感器2-3配合能测量到两个试件之间的相对位移变化，进而能测得结合面2-2的变形量。应变压力传感器2-8置于水平加力螺杆4-2与大试件2-1之间，在结合面2-2所受不同面压的切向刚度的测量中，测量水平加力螺杆施加的压力即结合面2-2的面压。

如图9-a所示，测量结合面2-2切向静刚度时，压电压力传感器2-6置于小试件2-5上表面，竖向加力螺杆5不断向下施加压力于压电压力传感器2-6上，压电压力传感器2-6测得变化的压力数值同时位移传感器2-3测得变形量可以得到结合面2-2切向静刚度。

在实验中测得结合面2-2上的受力和在受力下结合面2-2的位移，通过公式（1）计算得到固定结合面切向静刚度。

如图9-b所示，测量结合面2-2切向动刚度时，调整试件台8高度使激振杆9-1能与试件组2良好接触；压电压力传感器2-6置于小试件2-5下表面与激振杆9-1之间，测量激振器9-2施加的动态激振力；加速度传感器2-7安装固定在小试件2-5上，测量在激振力作用下的小试件2-5的加速度；启动激振器9-2，激振器9-2向试件组2施加激振力，由压电压力传感器2-6、位移传感器2-3、加速度传感器2-7测得相应数据可计算得到结合面2-2切向动刚度。

切向动刚度试验原理：

动力学模型列出方程

（11）

（12）

其中，为小试件的加速度；/>为结合面间的切向动态相对位移；/>为作用于小试件上的激振力；/>为结合面上的切向动态力；/>为小试件的质量；/>和/>分别为一个结合面的切向接触刚度与切向接触阻尼。

对试验装置进行简谐激励

（13）

（14）

则

（15）

将式（13）、（14）、（15）代入式（12）中得

（16）

（17）

则单位面积切向接触刚度和接触阻尼/>为

（18）

（19）

各参数获取与法向动刚度相同。

本发明实施例需要说明的是：

本装置包含竖直方向和水平方向的加力螺杆，可以施加水平方向和竖直方向的压力，预留激振器安装空间，一个装置可以测量法向动静刚度和切向动静刚度且无需额外布置激振器支架。

本装置中试件台8高度位置可调，水平加力组件4高度位移可调，可满足不同激振器9-2尺寸，不同试件尺寸，不同结合面位置的要求、无需更改装置，且激振器9-2接地，避免因激振器9-2工作时的自身振动引起整个装置振动。

本装置中的水平加力组件4包含丝杠螺母和同步带同步轮组件，两侧水平加力螺杆4-2可同步进行高度调节，保证所加水平压力在一个轴线上。

本装置中包含两个方向上的扭矩隔离组件，在使用螺杆施加压力时，能够避免因加力螺杆旋转将扭矩传入试件组带来结合面的测量以外的切向力。

结合面切向刚度测试中，试件组2中小试件2-5置于两个大试件2-1中间，将会发生切向位移方向的结合面2-2引入试件组2内，避免外部结合面干扰。

以上所述仅为本发明的部分实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变化，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种固定结合面动静态刚度参数测量装置，包括实验台和试件组，其特征在于，所述实验台包括机架；

所述机架沿第一方向设置有水平加力组件，所述水平加力组件包括沿第一方向相对设置的两个水平加力螺杆，所述水平加力螺杆的外壁螺纹连接有水平动梁，且所述水平动梁可相对于所述机架沿第二方向升降，在其中一个所述水平加力螺杆与所述试件组之间设置侧向扭矩隔离组件，所述侧向扭矩隔离组件包括可沿第一方向滑动的侧向扭矩隔离板；

所述机架顶部沿第二方向垂直设置有竖向加力螺杆，在所述竖向加力螺杆与所述试件组之间设置竖向扭矩隔离组件，所述竖向扭矩隔离组件包括可沿第二方向滑动的竖向扭矩隔离板；所述机架内沿第二方向设置有可升降的试件台，且所述试件台位于所述试件组的下方，所述试件台的上表面中心位置开设通孔；

所述试件台的下方设置有激振器组件，且所述激振器组件与所述机架之间不发生接触，所述激振器组件包括激振器和激振杆，所述激振杆固定连接在激振器上，且所述激振杆可延伸出所述试件台上的通孔向所述试件组施加激振力；

所述机架包括一个顶梁以及安装在所述顶梁左右两侧的侧架，且所述顶梁位于所述侧架的顶部；

所述水平加力组件还包括两个相对设置的第一丝杠，所述第一丝杠沿第一方向水平设置，所述第一丝杠与所述水平动梁螺纹连接，每个所述第一丝杠的顶部均固定连接有第一同步带轮，两个所述第一同步带轮之间通过第一同步带连接，使两个所述第一同步带轮同步转动；

所述竖向扭矩隔离板的中心位置夹在所述竖向加力螺杆与所述试件组之间；

所述竖向扭矩隔离板的左右两侧均安装有第二滑块；

两个所述侧架沿第一方向的内侧均安装有正向直线导轨；

所述第二滑块与所述正向直线导轨位置相对应，且所述第二滑块可在所述正向直线导轨上沿第二方向滑动；

所述侧向扭矩隔离板位于其中一个所述水平加力螺杆与所述试件组之间；

所述侧向扭矩隔离板的内侧上下两端安装有两个相对设置的直线导轨，所述直线导轨上滑动连接有第三滑块；

所述试件组包括法向静刚度试件组和法向动刚度试件组，且所述法向静刚度试件组和所述法向动刚度试件组均包括大试件和小试件，所述小试件与所述大试件上下放置，所述大试件与所述小试件的接触面为结合面，所述小试件的侧面通过夹具安装有位移传感器，所述位移传感器检测所述大试件与所述小试件之间的位移变化以反应所述结合面在受压时的变形量；

所述试件组包括切向静刚度试件组和切向动刚度试件组，所述切向静刚度试件组和切向动刚度试件组均包括两个相对设置的大试件以及位于两个所述大试件之间的小试件，所述小试件和两个所述大试件均竖直放置，所述大试件与所述水平加力螺杆之间设置应变压力传感器，所述小试件与两个所述大试件之间接触的两个面均为结合面，所述小试件的前侧通过夹具安装有位移传感器，在其中一个所述大试件的前侧安装有感应块，所述感应块与所述位移传感器配合测量所述小试件与所述大试件的相对位移变化，测得所述结合面的变形量。

2.根据权利要求1 所述的固定结合面动静态刚度参数测量装置，其特征在于：所述顶梁的上表面中心位置设置有第一圆螺母。

3.根据权利要求2 所述的固定结合面动静态刚度参数测量装置，其特征在于：

所述水平动梁的前后两侧均安装有第一滑块；

所述侧架沿第三方向的内侧前后两端均安装有侧向直线导轨；

所述第一滑块与所述侧向直线导轨位置相对应，且所述第一滑块可在所述侧向直线导轨上沿第二方向滑动。

4.根据权利要求1所述的固定结合面动静态刚度参数测量装置，其特征在于：所述试件台包括水平放置的试件横梁，所述试件横梁的左右两侧中心位置均安装有第二丝杠螺母，沿垂直于所述试件横梁的方向设置有两个相对的第二丝杠，且所述第二丝杠螺母与所述第二丝杠螺纹连接，每个所述第二丝杠的顶部均固定连接有第二同步带轮，两个所述第二同步带轮之间通过第二同步带连接，使两个所述第二同步带轮同步转动。

5.根据权利要求4所述的固定结合面动静态刚度参数测量装置，其特征在于：所述试件横梁的左右两侧均安装有第四滑块，且第四滑块与所述正向直线导轨位置相对应，且所述第四滑块可在所述正向直线导轨上沿第二方向滑动。