CN203037437U - 一种结合面法向动态特性参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置，上垫片和下垫片设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过支撑钢架，与上垫片接触；下垫片放置在支撑钢架的底部，与上垫片对应；所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫片，到达下垫片的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振器和支撑钢架固定在工作台上；所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上垫块、上试件、下试件、下垫块彼此的接触面处连接有磁性薄吸板，所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器；且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙，在上试件、下试件的外表面还设有加速度传感器，所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相连。

Description

一种结合面法向动态特性参数测试装置

技术领域

本实用新型具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置。

背景技术

制造业对设备加工水平的要求越来越高，如何提高机械装备的性能是一个重要课题。导致机械装备加工性能复杂的一个因素就是其结构存在各种结合面，对机床而言，结合面阻尼占整个机床阻尼的90%左右，而结合面接触刚度占机床总体刚度的60%-80%。所以，弄清结合面对系统动力学行为的影响规律弥足重要，研究结合面的法向动态特性参数即法向接触刚度和阻尼，是提高制造装备性能的一个重要途径。

现代机械设备分析多是采用有限元仿真分析，由于结合面的刚度、阻尼特性极其复杂，目前主要通过实验方法识别，然后建立包含结合面拟合单元的有限元模型，再分析有限元模型在各种工况下的动态特性，可大大提高分析效率。

所以设计能有效识别结合面法向动态参数的测试装置是首要任务，是建立真实、准确的有限元模型的基础。同时需要在测试装置上采集试件多个位置的位移、加速度等数据，作为实际参照，修正有限元模型，使之尽量准确，方便后续分析。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供一种结合面法向动态特性参数测试装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种结合面法向动态特性参数测试装置，包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流传感器、磁性薄吸板、加速度传感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡流位移传感器支架装配体，所述的上垫片和下垫片设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过支撑钢架，与上垫片接触；下垫片放置在支撑钢架的底部，与上垫片对应；所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫片，到达下垫片的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振器和支撑钢架固定在工作台上；所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上试件、下试件上设置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器；且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙，所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相连。

所述的涡流传感器由一个支架装配体固定，且涡流传感器通过螺栓与支架装配体活动连接，所述的支架装配体固定于工作台上。

所述的涡流传感器与位移信号放大器相连；所述的加速度传感器与电荷放大器相连；所述的激振器与功率放大器相连，所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器分别与动态信号分析仪相连，所述的动态信号分析仪与计算机相连。

所述的工作台为刚性工作台，所述的预紧装置为预紧螺栓。

在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料。

所述的结合面法向动态特性参数测试装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件和下试件；

（2）由下至上安装测试装置，先完成激振器在刚性工作台上的安装与固定，然后安装支撑钢架，在支撑钢架内由下至上地依次安放下垫块、下试件、上试件及上垫块；

（3）在上试件、下试件多个位置布置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，以测得上下试件多个位置处的位移、加速度信号。

（4）将涡流传感器安装在支架装配体上，且使涡流传感器与磁性薄吸板的上方，调节涡流传感器上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板间距，以便更好测量；

（5）通过激振器激励，同时记录各个传感器的相应信号；

（6）对各传感器信号进行后处理，得到法向动态特性参数值。

所述的传感器信号后处理过程如下：

（1）由信号系统输出简谐信号，通过放大器进行功率放大，然后由激振器对下试件施加简谐载荷f(t)；

（2）建立测试装置中试件及结合面的动力学模型；将结合面等效为弹簧阻尼单元，其中m_x为下试件质量，K_j为结合面的等效刚度，C_j为结合面等效阻尼，δ_j(t)为结合面处位移（其中即取两个结合面处所测位移值的平均值,δ_j1（t）为吸附在下试件表征结合面位移的磁性吸板位移量；δ_j2（t）为吸附在下试件表征结合面位移的磁性吸板位移量），f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力，f_j(t)为等效到结合面处的简谐力，下试件与结合面共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统；

系统的运动微分方程为：

$m_{x}a+C_j{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_j\left(t\right)+K_j{\mathrm{\δ}}_j\left(t\right)=f\left(t\right)---\left(1\right)$

令：

$f_j\left(t\right)=C_j{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_j\left(t\right)+K_j{\mathrm{\δ}}_j\left(t\right)---\left(2\right)$

且近似为f_j(t)＝F_m cosωt      （3）

其中：m_x为下试件质量；a为下试件加速度；C_j为结合面阻尼；K_j为结合面刚度；δ_j(t)为结合面处位移；

为结合面处速度，由位移求导而得；f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力，f_j(t)为等效到结合面处的简谐力；F_m为结合面处所受激振力幅值；ω为激振力的频率；由于激励为简谐函数，故稳态响应即结合面处位移也是简谐函数，且具有相同的ω，故有

式（4）中δ_m为结合面位移幅值，

为相位差；ω为激振力的频率；

将式（4）带入式（2）、（3）整理可得，

即：

由于f(t)、δ_j与a均可通过传感器测得，即在式（6）、（7）、（8）中F_m与δ_m已知，但

未知。故K_j和C_j的求解过程中，

的求解是重点；本实用新型运用Kelvin-Voight模型应变能有关结论：

$C_j=\frac{K_j\·\mathrm{\ψ}}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\ω}}---\left(10\right)$

带入式（9），得

式（11）中ψ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数，其计算式为

$\mathrm{\ψ}=\frac{2E_d^n}{E_{\mathrm{pl}}^n+E_{\mathrm{pu}}^n}---\left(12\right)$

式（12）中

为一个加、卸载循环中的耗能，

为加载过程中的应变能，

为卸载过程中的应变能，这三个参数通过实验获得，在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程，根据结合面处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据，可以得到加卸载过程中的应变能图，如图8所示。根据图8中所示各物理量含义，

为一个加、卸载循环中的耗能，

为加载过程中的应变能，

为卸载过程中的应变能；F₀为预紧后的作用力；δ_j0为施加预紧作用力后的结合面初始位移量；F_m为激振器施加的简谐激振力的幅值；Δδj为结合面在简谐激振力作用下的位移差；横轴为结合面接触位移，纵轴为结合面上的接触压力，再经过数学计算,(数学计算方法属于现有技术),求得ψ值，带入式（11）即可求得

值，再带入式（7）、（8），即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。

在本实用新型中，分别测量上下试件多个部位的位移、加速度值，为后续有限元模型的准确建立提供实验对照数据。

图中δ₁(t)、δ′₁(t)、δ₂(t)、δ′₂(t)分别为上下试件不同部位的位移测量值，a_s为上试件的加速度测量值。通过记录上下试件多个部位的参数值，为后续仿真分析过程中修正模型提供了实验数据对照。

本实用新型的有益效果是；（1）测量装置简单易行，测量方法新颖有效；（2）既可以测接触体的实际法向动态参数，又可以根据测量接触面积而转化为单位面积上的法向动态参数。（3）为后续仿真分析中修正有限元模型提供多个位置实验数据支撑。

附图说明

图1装置整体主视图；

图2装置整体侧视图；

图3上下试件及结合面的结构图；

图4上下试件及结合面的动力学模型示意图；

图5多个涡流位移传感器布置示意图；

图6测试系统示意图；

图7粗糙结合面受力、位移示意图；

图8Kelvin-Voight模型应变能示意图。

图中：1.预紧螺栓、2支撑钢架、3上垫块、4涡流传感器、5磁性薄吸板、6加速度传感器、7力传感器、8激振器、9减振橡胶材料、10刚性工作台、11下垫块、12下试件、13上试件、14支架装配体、15结合面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

该装置由以下部分组成：预紧螺栓1、支撑钢架2、上垫块3、涡流传感器4、磁性薄吸板5、加速度传感器6、力传感器7、激振器8、减振橡胶材料9、刚性工作台10、下垫块11、下试件12、上试件13、涡流位移传感器支架装配体14。其中预紧螺栓通过与支撑钢架2连接对上垫块3施加作用力，为上试件13和下试件12接触提供预紧力。上试件13位于上垫块3的正下方，下试件12的正上方，加速度传感器6靠磁力吸附在下试件12表面。下试件12放在下垫块11正上方，然后下垫块11放在支撑钢架2上。激振器8通过激振杆和下垫块11对下试件12施加作用力，由力传感器7测得相应激振力。激振器8与支撑钢架2通过减振橡胶材料9，采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。涡流位移传感器支架装配体14支撑各涡流位移传感器完成对各相配磁性薄吸板的位移测量，其中结合面15处磁性薄吸板位移表示结合面15位移，用来计算法向动态特性参数，其他部位磁性薄吸板表示相应部位的位移，在后续仿真研究中作为实验对照修正有限元模型。涡流位移传感器支架装配体14同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。激振力由动态信号分析仪输出，通过功率放大器经激振器8施加到下试件11上，其大小通过力传感器7测得。激振器8同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。装置整体装配后的主视图、侧视图分别如图1、图2所示。

上述测试装置测量动态特性参数的方法如下：

所述的结合面15法向动态特性参数测试装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件13和下试件12；

（2）由下至上安装测试装置，先完成激振器8在刚性工作台10上的安装与固定，然后安装支撑钢架2，在支撑钢架2内由下至上地依次安放下垫块11、下试件12、上试件13及上垫块3；

（3）在上试件13、下试件12多个位置布置多个磁性薄吸板5与多个加速度传感器6，以测得上试件13、下试件12多个位置处的位移、加速度信号。

（3）将涡流传感器4安装在支架装配体14上，且使涡流传感器4与磁性薄吸板5的上方，调节涡流传感器4上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板5间距，以便更好测量；

（3）通过激振器8激励，同时记录各个传感器的相应信号；

（4）对各传感器信号进行后处理，得到法向动态特性参数值。

传感器信号的计算过程如下：

（1）由信号系统输出简谐信号，通过放大器进行功率放大，然后由激振器8对下试件12施加简谐载荷f(t)；

（2）建立测试装置中试件及结合面15的动力学模型图表示如图3图4所示；将结合面15等效为弹簧阻尼单元，其中m_x为下试件12质量，K_j为结合面15的等效刚度，C_j为结合面15等效阻尼，δ_j(t)为结合面15处位移（其中即取两个结合面15处所测位移值的平均值），f(t)为激振器8所施加在下试件12上的简谐激振力，f_j(t)为等效到结合面15处的简谐力，下试件12与结合面15共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统；

系统的运动微分方程为：

$m_{x}a+C_j{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_j\left(t\right)+K_j{\mathrm{\δ}}_j=f\left(t\right)---\left(1\right)$

令：

$f_j=C_j{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_j+K_j{\mathrm{\δ}}_j---\left(2\right)$

且近似为f_j＝F_m cosωt      （3）

式（3）中F_m为结合面15处所受激振力幅值；由于激励为简谐函数，故稳态响应即结合面15处位移也是简谐函数，且具有相同的ω，故有

式（4）中δ_m为结合面15位移幅值，为相位差；将式（4）带入式（2）、（3）整理可得，

即：

由于f(t)、δ_j与a均可通过传感器测得，即在式（6）、（7）、（8）中F_m与δ_m已知，但

未知。故K_j和C_j的求解过程中，

的求解是重点；本实用新型运用Kelvin-Voight模型应变能有关结论：

$C_j=\frac{K_j\·\mathrm{\ψ}}{2\mathrm{\π}\·\mathrm{\ω}}---\left(10\right)$

带入式（9），得

式（11）中ψ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数，其计算式为

$\mathrm{\ψ}=\frac{2E_d^n}{E_{\mathrm{pl}}^n+E_{\mathrm{pu}}^n}---\left(12\right)$

式（12）中

为一个加、卸载循环中的耗能，

为加载过程中的应变能，

为卸载过程中的应变能，这三个参数通过实验获得，在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程，根据结合面15处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据，可以得到加卸载过程中的应变能图，如图8所示，根据图8中所示各物理量含义，

为一个加、卸载循环中的耗能，

为加载过程中的应变能，

为卸载过程中的应变能；F₀为预紧后的作用力；δ_j0为施加预紧作用力后的结合面15初始位移量；F_m为激振器8施加的简谐激振力的幅值；Δδj为结合面15在简谐激振力作用下的位移差；横轴为结合面15接触位移，纵轴为结合面15上的接触压力，再经过数学计算求得ψ值，带入式（11）即可求得

值，再带入式（7）、（8），即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。

在本实用新型中，分别测量上试件13和下试件12多个部位的位移、加速度值，为后续有限元模型的准确建立提供实验对照数据。

图中δ₁(t)、δ′₁(t)、δ₂(t)、δ′₂(t)分别为上试件13和下试件12不同部位的位移测量值，a_s为上试件的加速度测量值。通过记录上试件13和下试件12多个部位的参数值，为后续仿真分析过程中修正模型提供了实验数据对照。

Claims (5)

1.一种结合面法向动态特性参数测试装置，包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流传感器、磁性薄吸板、加速度传感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡流位移传感器支架装配体，其特征在于：所述的上垫片和下垫片设于支撑钢架内，预紧装置从顶部穿过支撑钢架，与上垫片接触；下垫片放置在支撑钢架的底部，与上垫片对应；所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫片，到达下垫片的顶部，且力传感器的底部与激振器相连，激振器和支撑钢架固定在工作台上；所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间，在上试件、下试件上设置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器，所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器；且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙，所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相连。

2.如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置，其特征在于：所述的涡流传感器由一个支架装配体固定，且涡流传感器通过螺栓与支架装配体活动连接，所述的支架装配体固定于工作台上。

3.如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置，其特征在于：所述的涡流传感器与位移信号放大器相连；所述的加速度传感器与电荷放大器相连；所述的激振器与功率放大器相连，所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器分别与动态信号分析仪相连，所述的动态信号分析仪与计算机相连。

4.如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置，其特征在于：所述的工作台为刚性工作台，所述的预紧装置为预紧螺栓。

5.如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置，其特征在于：在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料层。

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