CN104568739A - 结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，包括通过信号线连接的加载装置和测量装置；加载装置包括支架，沿支架竖轴方向，从支架顶板至支架底板之间依次设置有加载组件、上试件、下试件、支撑组件和调整组件；测量装置包括主机以及与主机通过信号线连接的液压控制系统，液压控制系统通过信号线与加载组件连接。发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，通过结合面接触刚度和单位接触面积比等的快速测量，可以获得结合面横向接触刚度、纵向接触刚度、结合面的相对位移、结合面单位接触面积比、结合面迟滞阻尼损耗；通过并行测量结合面各个参数，提高了上述测量参数的准确性、可靠性。

Description

结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置

技术领域

本发明属于结合面接触参数测量技术领域，具体涉及一种结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置。

背景技术

随着对机床等设备的精度要求越来越高，对于影响机构力学性能的结合面的研究显得更加重要。结合面的相关参数对机床等设备的整机力学性能的影响主要表现在结合面的接触刚度和接触阻尼，而结合面的接触面积是接触刚度和接触阻尼的直接来源，因此获得准确的结合面参数为机床等设备的优化设计提供理论指导。当前对接合面接触刚度的计算主要是从模型入手，通过建立结合面的接触模型，通过力学公式计算出来，这种方法的缺点是过于理想化，造成计算的接触刚度与实际存在较大的偏差；同时结合面的接触刚度受到实际表面微凸体的影响很大，结合面微凸体的无规律性导致了接触刚度与所受载荷关系的非线性，因此通过理想化模型计算出来的结果很难获得较高精度的接合面接触刚度。结合面的真实接触面积的计算主要是在理论假设阶段，该理论假设主要基于统计学方法，通过建立表面粗糙峰高度分布进而对接触表面的真实接触面积进行数学上的积分运算获得。该方法的缺点在于，结合面接触模型的假设对于结合面的真实接触面积的研究具有局限性，因为结合面由于加工方法的不同会产生不同的表面形貌，统计学模拟的粗糙峰高度并不能较准确的表达具体的表面，同时该接触模型只是基于弹塑性接触理论，并没有涉及到微观滑移、蠕变等更精细的接触现象，因而计算出的接触面积只能作为相关参考，不能真实的反映该结合面的接触面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，解决了现有方法过于理想化，造成计算的接触刚度与实际值存在较大偏差的问题。

本发明所采用的技术方案是，结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，包括通过加载装置和测量装置；加载装置包括支架，沿支架竖轴方向，从支架顶板至支架底板之间依次设置有加载组件、上试件、下试件、支撑组件和调整组件，加载组件固定在支架顶板，其施加端面压在上试件的非测量端面上，上试件的测量端面与下试件的测量端面接触，下试件的非测量端面压在支撑组件上，支撑组件下部通过调整组件进行定位，调整组件对整个测量进行安装、卸载工作；所述测量装置包括主机以及与主机通过控制信号连接的液压控制系统，液压控制系统通过加载信号与加载组件连接。

本发明的特点还在于，

加载组件包括安装在支架顶板的液压加载装置，液压加载装置输出端与液压缸连接，液压缸进给端与测力计相连，测力计固定在压头的上端面，压头内腔装有横向超声波传感器，压头的加载平面与上试件非测量面接触。

横向超声波传感器的支撑端通过弹性垫圈I固定在压头内腔的顶面。

主机与横向超声波发生器通过信号线连接，横向超声波发生器通过信号线与横向超声传感器相连；主机与横向超声波接收器通过信号线连接，横向超声波接收器通过信号线与横向超声传感器相连。

上试件两侧分别设置有圆孔，圆孔内装有涡流传感器，每个涡流传感器的测头竖直对准下试件。

上试件的测量平面与下试件的测量平面等面积接触。

支撑组件包括支座，支座的支撑平面与下试件的非测量端面接触，支座的内腔装有纵向超声波传感器，纵向超声波传感器的支撑端通过弹性垫圈II固定在支座内腔的底面。

主机与纵向超声波发生器通过信号线连接，纵向超声波发生器通过信号线与纵向超声波传感器相连；主机与纵向超声波接收器通过信号线连接，纵向超声波接收器通过信号线与纵向超声传感器相连。

调整组件包括套筒和螺栓，套筒固定在支架框内的底板上，所述螺栓与支架的底板连接，支座的下端面与螺栓的尾部端面接触。

本发明的有益效果是，本发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，可以获得结合面横向接触刚度、纵向接触刚度、结合面的相对位移、结合面单位接触面积比、结合面迟滞阻尼损耗；通过并行测量结合面各个参数，提高了上述测量参数的准确性、可靠性。同时本发明的测量装置，在结构受力设计方面采用对称支撑方式，使结合面的受力更为均匀。

附图说明

图1是本发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置的整体结构示意图；

图2是本发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置中加载组件的结构图；

图3是本发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置中支撑组件的结构图。

图中，1.液压加载装置，2.液压缸，3.支架，4.测力计，5.弹性垫圈I，6.横向超声波传感器，7.压头，8.上试件，9.涡流传感器，10.下试件，11.支座，12.纵向超声波传感器，13.弹性垫圈II，14.套筒，15.螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，如图1所示，包括通过信号线连接的加载装置和测量装置；加载装置包括支架3，沿支架3竖轴方向，从支架3顶板至支架3底板之间依次设置有加载组件、上试件8、下试件10、支撑组件和调整组件，加载组件固定在支架3顶板，其施加平面压在上试件8的非测量端面上，上试件8的测量端面与下试件10的测量端面接触，下试件10的非测量端面压在支撑组件上，支撑组件下部通过调整组件进行定位，调整组件对整个测量进行安装、卸载工作；测量装置包括主机以及与主机通过信号线连接的液压控制系统，液压控制系统通过信号线与加载组件连接。

如图2所示，加载组件包括安装在支架3顶板的液压加载装置1，液压加载装置1输出端与液压缸2连接，液压缸2进给端与测力计4相连，测力计4固定在压头7的上端面，压头7内腔装有横向超声波传感器6，横向超声波传感器6的支撑端通过弹性垫圈I5固定在压头7内腔的顶面，横向超声波传感器6的作用端面稍微超出压头7的加载水平面，当施加加载力后，由于弹性垫圈I5的作用，横向超声波传感器6的工作端面与压头7的加载平面处于同一水平且使得横向超声波传感器6的工作端面上的压电晶片很好的与上试件8接触，压头7的加载平面与上试件8非测量面接触。

主机与横向超声波发生器通过信号线连接，横向超声波发生器与横向超声传感器6连接；主机与横向超声波接收器通过信号线连接，横向超声波接收器与横向超声传感器6连接。

上试件8两侧分别设置有圆孔，圆孔内装有涡流传感器9，每个涡流传感器9的侧头竖直对准下试件10，沿平行于竖直方向且对称于圆柱试件柱心的周围布置。

上试件8的测量端面与下试件10的测量端面等面积接触。

如图3所示，支撑组件包括支座11，支座11的支撑平面与下试件10的非测量端面接触，支座11的内腔装有纵向超声波传感器12，纵向超声波传感器12的支撑端通过弹性垫圈II13固定在支座11内腔的底面，纵向超声波传感器12的作用端面稍微超出支座11的支撑水平面，当施加加载力后，由于弹性垫圈II13的弹性压紧作用，纵向超声波传感器12的工作端面与支座11的支撑平面处于同一水平且使得纵向超声波传感器12的工作端面上的压电晶片很好的与下试件10接触。

主机与纵向超声波发生器通过控制信号连接，纵向超声波发生器与纵向超声传感器12连接；主机与纵向超声波接收器通过信号线连接，纵向超声波接收器与纵向超声传感器12连接。

调整组件包括套筒14和螺栓15，套筒14固定在支架3框内底板的上端面，同时套在支座11下端圆柱体，螺栓15与支架3的底板螺纹孔配合，支座11的下端面与螺栓15的尾部端面接触。

采用本发明快速测量装置测量结合面接触刚度和单位接触面积比的方法为：

1)首先主机向液压控制系统发送加载信号，液压控制系统开始控制液压加载装置1进行工作，液压加载装置1驱动液压缸2进行进给工作，这时通过测力计4监测加载力并把测得的数据传回主机，当加载力到达预设值时停止加载，同时主机给横向超声波传感器6发送控制信号，横向超声波发生器在控制信号下产生横向超声波，同时横向超声波传感器6在上试件8处将结合面反射回的横向超声波经由横向超声波接收器传到主机，并进行相关的信号处理；横向超声波接收器接收完数据后，主机开始给纵向超声波发生器发送控制信号，使纵向超声波发生器产生纵向超声波，并且通过纵向超声波接收器把结合面反射回的纵向超声波信号传回主机并进行信号处理；与此同时，涡流传感器9就测量一次位移变化并把数据传给主机。加载力每次到达预设值，就重复以上的工作过程，直至加载力达到预设最大值时停止；

2)加载力达到最大值后开始进行卸载操作，主机向液压控制系统发送卸载信号，液压控制系统开始控制液压加载装置1进行工作，液压加载装置1驱动液压缸2进行卸载工作，这时通过测力计4监测加载力并把测得的数据传回主机，当测得的力减少到预设值时停止卸载，同时主机给横向超声波传感器6发送控制信号，横向超声波发生器在控制信号下产生横向超声波，同时横向超声波传感器6在上试件8处将结合面反射回的横向超声波经由横向超声波接收器传到主机，并进行相关的信号处理；横向超声波接收器接收完数据后，主机开始给纵向超声波发生器发送控制信号，使纵向超声波发生器产生纵向超声波，并且通过纵向超声波接收器把结合面反射回的纵向超声波信号传回主机并进行信号处理；与此同时，涡流传感器9就测量一次位移变化并把数据传给主机。加载力每次减少到预设值，就重复以上的工作过程，直至卸载到预设最小力，为了保证结合面的稳定性，卸载到最后应保持一定的加载力。

3)一次完整的加—卸载过程结束后，重复进行加—卸载操作，直到达到预设的加—卸载次数；将得到的数据进行处理，得到每个载荷值下结合面处超声波的反射率和相对位移，最终得到结合面每次加—卸载情况下压力—位移曲线和单位接触面积比。

数据处理方法：

测量之前，首先获取结合面的名义接触面积A和接触探头面积A1；在进行加载之前，用测量所使用的超声波在上试件8非接触状态下测量其超声波反射率R_ini作为参考，R_ini的值为一，同时获得反射超声波的信号，并进行快速傅里叶变换，得到反射信号的频率分布并以此作为参考信息。当对超声波接收器传回的反射信号进行快速傅里叶变换后，得到反射信号的频率分布，从这个频率分布选取同参考频率接近的反射信号，通过滤波得到频率接近参考频率的信号，把该信号与参考信号进行比较就得到了结合面处超声波的反射率R。由于超声波的性质，结合面的接触刚度与超声波的反射率有如下关系：

$R=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{2K}{\mathrm{\ωZ}}\right)}^2}}---\left(1\right)$

其中，K为结合面的接触刚度；ω为超声波的角频率；z为结合面材料的声阻抗。

接触刚度的计算：通过横向超声波传感器6和纵向超声波传感器12可以得到相应的超声波反射率，所以由横向超声波的反射率R_T和纵向超声波的反射率R_N可以算出结合面的横向接触刚度K_T和纵向接触刚度K_N。

单位接触面积比A_e的计算：超声波传感器作用端处的压电晶片有效面积为A1，即超声波发生器发射的超声波分布面积为A1，而通过对数据的处理可以得到纵向超声波的反射率R_N和横向超声波的反射率R_T，所以结合面的单位接触面积比A_e计算公式如下：

$A_e=\frac{R_N+R_T}{2}---\left(2\right)$

在计算出单位接触面积比A_e后，就可以近似计算出结合面的真实接触面积了，其计算公式如下：

A_R＝A_e×A (3)

结合面的名义接触压力P可以由以下公式得出：

$P=\frac{F}{A}---\left(4\right)$

其中F为测力计测得的加载力，A为名义接触面积。

通过对称位置的两个涡流传感器9可以测得结合面准确的相对位移S。

经上述测量和计算出的数据可以得出结合面接触应力P与接触位移S的加载—卸载曲线关系图，从曲线图可以计算出结合面每次加—卸载的迟滞阻尼损耗。计算公式如下：

$Q_i=\left\{\begin{array}{c}{P}_i=k_{i}S\\ P_i^{\′}=k_i^{\′}S\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},......\left(5\right)$

W_i＝∫∫QdSdP i＝1,2,3，……(6)

其中Q为每次加—卸载的迟滞区域，i为加—卸载次数，k为加载变系数，k′为卸载变系数，W为每次加—卸载的迟滞阻尼损耗值。

综上所述，利用本发明测量装置，能够获得上述结合面的接触刚度、单位接触面积比和迟滞阻尼损耗的数据且准确性、可靠性显著提高。

Claims (9)

1.结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，包括通过信号线连接的加载装置和测量装置；所述加载装置包括支架(3)，沿支架(3)竖直方向，从支架(3)顶板至支架(3)底板之间依次设置有加载组件、上试件(8)、下试件(10)、支撑组件和调整组件，加载组件固定在支架(3)顶板，其施加端面压在上试件(8)的非测量端面上，上试件(8)的测量端面与下试件(10)的测量端面接触，下试件(10)的非测量端面压在支撑组件上，支撑组件下部通过调整组件进行定位，调整组件对整个测量过程进行安装、卸载工作；所述测量装置包括主机以及与主机通过信号线连接的液压控制系统，液压控制系统通过信号线与加载组件连接。

2.根据权利要求1所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述加载组件包括安装在支架(3)顶板的液压加载装置(1)，液压加载装置(1)输出端与液压缸(2)连接，液压缸(2)进给端与测力计(4)相连，测力计(4)固定在压头(7)的上端面，所述压头(7)内腔装有横向超声波传感器(6)，压头(7)的加载平面与上试件(8)非测量面接触。

3.根据权利要求2所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述横向超声波传感器(6)的支撑端通过弹性垫圈I(5)固定在压头(7)内腔的顶面。

4.根据权利要求2或3所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述主机与横向超声波发生器通过信号线连接，横向超声波发生器通过信号线与横向超声传感器(6)连接；所述主机与横向超声波接收器通过信号线连接，横向超声波接收器通过信号线与横向超声传感器(6)连接。

5.根据权利要求1所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述上试件(8)两侧分别设置有圆孔，所述圆孔内装有涡流传感器(9)，每个涡流传感器(9)的侧头竖直对准下试件(10)。

6.根据权利要求1或5所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述上试件(8)的测量端面与下试件(10)的测量端面等面积接触。

7.根据权利要求1所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述支撑组件包括支座(11)，支座(11)的支撑平面与下试件(10)的非测量端面接触，支座(11)的内腔装有纵向超声波传感器(12)，纵向超声波传感器(12)的支撑端通过弹性垫圈II(13)固定在支座(11)内腔的底面。

8.根据权利要求7所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述主机与纵向超声波发生器通过信号线连接，纵向超声波发生器通过信号线与纵向超声传感器(12)连接；所述主机与纵向超声波接收器通过信号线连接，纵向超声波接收器通过信号线与纵向超声传感器(12)连接。

9.根据权利要求1所述的结合面接触刚度和单位接触面积比快速测量装置，其特征在于，所述调整组件包括套筒(14)和螺栓(15)，所述套筒(14)固定在支架(3)框内底板的上端面，同时套在支座(11)下端圆柱体外，所述螺栓(15)与支架(3)的底板螺纹孔配合，支座(11)的下端面与螺栓(15)的尾部端面接触。