CN205679462U - 一种表面接触刚度检测装置 - Google Patents

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李训登
傅惠南
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Abstract

本实用新型专利涉及一种表面接触刚度检测装置，旨在提供一种能够在模仿接触副实际工作状况下的表面接触刚度检测装置，实现任意两种不同材料、不同初始压力、不同接触面形状条件下接触副的表面接触刚度检测。表面接触刚度检测装置，由底座、上弹性机构、下弹性机构、接触试样对准机构、参数测试机构、振动信息采集机构组成，其特征在于：上弹性机构可升降调节，位于下弹性机构的正上方且可做平行于下弹性机构的横向移动，下弹性机构固定在底座上，参数测试机构的位置可调节，振动信息采集机构固定在底座上。

Description

一种表面接触刚度检测装置
技术领域
本实用新型专利涉及的是一种表面接触的接触状况检测技术领域，具体涉及一种表面接触刚度检测装置。
背景技术
在工程应用领域，大量存在着零部件之间的相互接触，如导轨、机械手、齿轮啮合面、组合转子等，其整个机械结构的性能在很大程度上与表面实际接触状况有关。在宏观上看起来很平滑的接触面其实在微观上有很多的微凸体，许多接触试验表明这些微凸体使得整个接触面的接触面积随着压力的变化而改变，而使接触面局部刚度发生变化，使得整个机械系统产生振动及磨损等。接触刚度就是零件接触表面在外力作用下抵抗接触变形的能力，直接影响机械结构的机械性能，而机器的整体刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。因此，获得接触副表面接触刚度是十分必要的。
虽然目前关于表面接触刚度的理论研究已经取得一些成果，但相应的检测手段还十分有限。如何通过装置较准确地检测接触副表面接触刚度仍然是现阶段迫切需要解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够在模仿接触副实际工作状况下的表面接触刚度检测装置，解决现有技术难以准确检测接触副表面接触刚度的问题，实现任意两种不同材料、不同初始压力、不同接触面形状条件下接触副的表面接触刚度检测。
本实用新型采用的是检测二自由度振动系统的二阶振动频率的方法来获取表面接触刚度：此表面接触刚度检测装置是由两个单自由度单元子系统耦合组成二自由度振动系统。相应的结构参数分别为质量m1、刚度k1和质量m2、刚度k2，且参数都可调，则根据振动学知此二自由度振动系统在一定扰动下产生振动响应的特征频率与表面接触刚度关系如下：忽略阻尼时振动微分方程为(y1与y2分别为两单元系统的振动位移)
求得接触刚度k与系统固有模态频率关系为
ω01、ω02分别为两个单元子系统固有频率。
本实用新型装置所采取的技术方案是，一种表面接触刚度检测装置，由底座、上弹性机构、下弹性机构、接触试样对准机构、参数测试机构、振动信息采集机构组成。所述下弹性机构固定在底座上，所述上弹性机构位于下弹性机构的正上方且可做平行于下弹性机构的横向移动，上弹性机构与下弹性机构通过对接触试样施加正向压力构成试样接触副；所述正向压力由上弹性机构的可升降的可动支撑柱提供；所述振动信息采集机构采集所述接触副的振动信息以检测接触副表面接触刚度。
进一步，在上弹性机构的上弹性梁和下弹性机构的下弹性梁中间开导槽，连接接触试样的固定座在导槽中移动，使得试样接触副表面位置相对可调。
进一步，所述试样接触副表面可以是球面-球面、球面-平面、平面-平面接触。
进一步，所述上弹性机构和下弹性机构的接触试样固定部分由凸形块、夹块和固定座组 成，通过凸形块和夹块夹紧弹性梁固定连接杆，接触试样固定在固定座上。
进一步，所述上弹性机构的横向移动是通过在底座开有两条于中轴线对称的T形导槽实现，上弹性机构的可动支撑柱沿T形导槽移动。
进一步，接触试样的对准是通过在上弹性梁、下弹性梁及底座的三个导槽旁设置刻度标尺实现的，上弹性机构的可动支撑柱移动的距离为上接触试样读数与下接触试样读数之差。
进一步，所述参数测试机构由测量变形量的百分表及其支架、测量压力的测力传感器及测力支座组成，百分表和测力传感器的位置均可调。
进一步，所述振动信息采集机构由位移传感器及其支座组成，检测接触试样的振动位移，传感器支座固定在底座上。
本实用新型装置的优点在于：
(1)上弹性机构、下弹性机构及底座的导槽式可移动设计，接触试样的固定采用螺纹式连接，另外还有刻度标尺式设计，使得检测装置易于调节、易于定位、易于更换，有效保证了实验的可重复性。
(2)采用竖直固定座方式固定接触试样，使得接触副是在法向方向上振动，系统振动模型简单，保证检测结果的可靠性。
(3)使用的是位移传感器，为非接触式测量，尽量减少了传感器自身所带来的对整个振动系统的影响，提高检测精度。
(4)下弹性机构的固定支撑柱用法兰式固定在底座上，上弹性机构的可动支撑柱也是在移动后用螺栓固定，最大限度减少其振动对测量的影响。
附图说明
图1表面接触刚度检测装置结构图
图中：1.底座 11.T型导槽 12.刻度一 2.上弹性机构 21.T型块
22.可动支撑柱 221.下柱 222.套筒 223.上柱 23.上弹性梁
231.上导槽 232.刻度二 24.上接触试样 25.上固定座 26.上夹块
27.上凸形块 3.下弹性机构 31.固定支撑柱 32.下弹性梁 321.下导槽
322.刻度三 33.下接触试样 34.下固定座 35.下夹块 36.下凸形块
41.百分表 42.支架 43.位移传感器 44.测力传感器 45.测力支座
具体实施方式
下面结合工作原理和结构附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1，本实用新型的表面接触刚度检测装置的结构是，包括底座、上弹性机构、下弹性机构、接触试样对准机构、参数测试机构、振动信息采集机构和计算机。
上弹性机构(2)位于下弹性机构(3)的正上方且可做平行于下弹性机构(3)的横向移动，下柱(221)、套筒(222)和上柱(223)组成可以升降的可动支撑柱(22)，其中下柱(221)通过T型块(21)固定在底座(1)的T型导槽(11)内，上弹性梁(23)一端固定在上柱(223)上，上固定座(25)垂直于上弹性梁(23)且通过上导槽(231)，上凸形块(27)和上夹块(26)夹紧上弹性梁(23)固定上固定座(25)，上接触试样(24)通过螺纹连接固定在上固定座(25)下端。
下弹性机构(3)固定在底座(1)上，下弹性梁(32)一端固定在固定支撑柱(31)上方，下接触试样(33)的固定与上接触试样(24)的固定方式相同，成上下对称结构，具体为下固定座(34)垂直于下弹性梁(32)且通过下导槽(321)，下凸形块(36)和下夹块(35)夹紧下弹性梁(32)固定下固定座(34)，下接触试样(33)通过螺纹连接固定在下固定座(34)上端。
接触试样对准机构包括在底座(1)上的T型导槽(11)、上弹性梁(23)中的上导槽(231)和下弹性梁(32)中的下导槽(321)旁设置有三个等刻度标尺，分别为刻度一(12)、刻度二(232)、刻度三(322)。
参数测试机构包括测量变形量的百分表(41)及其支架(42)和测量压力的测力传感器(44)及测力支座(45)。
振动信息采集机构包括位移传感器(43)及其固定部分，其固定采用与百分表(41)共一支架(42)，与计算机相连收集信息。
本实用新型的试样接触副可以是球面-球面、球面-平面、平面-平面接触，如图1，此处采用接触试样为球面-平面接触，具体测量包括下列试验步骤：
1)移动上固定座(25)的位置并记录此时的读数x1；调节百分表(41)及测力传感器(44)的位置使其读数都为零；在上凸形块(27)正上方施加一恒定力使得百分表(41)及测力传感器(44)的读数分别为s1与p1，可求得弹性系数k1；移开百分表(41)及测力传感器(53)使得与机构不接触，调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上，在上接触试样(24)垂直方向施加一激励，使得上弹性机构(2)振动，收集振动信息并通过计算获得其固有频率ω01。
2)移动下固定座(34)的位置并记录此时的读数x2；调节百分表(41)及测力传感器(44)的位置使其读数都为零；在下接触试样(33)正上方施加一恒定力使得百分表(41)及测力传感器(44)的读数分别为s2与p2，可求得弹性系数k2；移开百分表(41)及测力传感器(44)使得与机构不接触，调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上，在下接触试样(33)垂直方向施加一激励，使得下弹性机构(3)振动，收集振动信息并通过计算获得其固有频率ω02。
3)移动可动支撑柱(22)的位置使得此时的读数为x3，其中x3为x2与x1之差，若为正则右移，否则左移，实现上下接触试样的水平对准；调节可动支撑柱(22)的高度并保持不变，测得此时测力传感器(44)读数为P，即为两接触试样之间的压力；调节位移传感器(43)的位置并保持不变，使位移传感器(43)置于接触试样垂直方向上；在上接触试样(24)正上方施加一激励，使得两弹性机构振动，收集振动信息，通过计算获得振动系统的一阶模态频率ω1，或二阶模态频率ω2。
4)根据接触刚度k与系统固有模态频率关系公式计算在此条件下的两接触试样接触刚度大小k。

Claims (8)

1.一种表面接触刚度检测装置，由底座、上弹性机构、下弹性机构、接触试样对准机构、参数测试机构、振动信息采集机构组成，其特征在于：所述下弹性机构固定在底座上，所述上弹性机构位于下弹性机构的正上方且可做平行于下弹性机构的横向移动，上弹性机构与下弹性机构通过对接触试样施加正向压力构成试样接触副；所述正向压力由上弹性机构的可升降的可动支撑柱提供；所述振动信息采集机构采集所述接触副的振动信息以检测接触副表面接触刚度。
2.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为在上弹性机构的上弹性梁和下弹性机构的下弹性梁中间开导槽，连接接触试样的固定座在导槽中移动，使得试样接触副表面位置相对可调。
3.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为所述试样接触副表面可以是球面-球面、球面-平面、平面-平面接触。
4.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为所述上弹性机构和下弹性机构的接触试样固定部分由凸形块、夹块和固定座组成，通过凸形块和夹块夹紧弹性梁固定连接杆，接触试样固定在固定座上。
5.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为所述上弹性机构的横向移动是通过在底座开有两条于中轴线对称的T形导槽实现，上弹性机构的可动支撑柱沿T形导槽移动。
6.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为接触试样的对准是通过在上弹性梁、下弹性梁及底座的三个导槽旁设置刻度标尺实现的，上弹性机构的可动支撑柱移动的距离为上接触试样读数与下接触试样读数之差。
7.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为所述参数测试机构由测量变形量的百分表及其支架、测量压力的测力传感器及测力支座组成，百分表和测力传感器的位置均可调。
8.根据权利要求1所述的一种表面接触刚度检测装置，其特征为所述振动信息采集机构由位移传感器及其支座组成，检测接触试样的振动位移，传感器支座固定在底座上。
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