CN102323033B - 一种测试结合面法向动态特性的装置 - Google Patents

Abstract

一种测试结合面法向动态特性的装置，属于机械设计与制造领域。力锤与测试***相连接，左试件(1)与右试件(3)用两个应变螺栓(2)栓接，应变螺栓(2)内置电阻应变片的外接延长导线连接到电桥，电桥连接到动态应变仪的输入接口，动态应变仪与测试***相连接，测试***通过网线与PC连接，另外动态应变仪连接到PC上。在左右试件的两端对称布置加速度传感器(4)，其与测试***相连接。PC根据加速度信号与力锤的激励力信号获取被测试件的频响函数，根据频响函数即可辨识出左、右试件之间结合面法向动态特性参数。本发明解决了结合面处动态特性难以测试的问题，将结合面法向动态特性从实验装置***的动态特性中分离出来。

Description

一种测试结合面法向动态特性的装置

技术领域

本发明是一种测试结合面法向动态特性的装置，属于机械设计与制造领域。

背景技术

机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，零部件之间相互结合的表面称为“结合面”。结合面的存在，使得机械结构变得不再连续，造成机械结构振动的复杂性。结合面不仅能储存能量，也能消耗能量，即表现出接触刚度和接触阻尼。接触刚度和接触阻尼对结构动态性能影响很大，作用机理非常复杂。影响结合面动态特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

(1)结合面上的比压大小；

(2)压力分布的均匀性；

(3)结合面的材料；

(4)结合面的面积；

(5)结合面的加工方法(常用方法：车、铣、刨、磨、刮等)；

(6)结合面的动载荷性质(法向力、扭矩、弯矩)和大小；

(7)接触表面的几何形状误差和微观不平度；

(8)结合面间的润滑油性质等。

由于影响因素众多，每个因素的影响程度和规律又无法以理论解析的方法直接确定，因此只能以实验为基础来确定它们的数值。

为了***地研究和探明结合面法向动态特性与其基本影响因素之间的关系，并掌握结合面动态基础特性参数，需要一套完整的测试结合面法向动态特性的装置与方法，而目前还没有有关测试结合面法向动态特性的装置。

发明内容

本发明的目的是设计一套通过力锤激振，使用测试***获得加速度信号，并进行模态分析，得到单位面积结合面动态特性的测试结合面法向动态特性的装置与方法，利用该装置可获得各种结合条件(即各种不同的基本影响因素)下结合面法向的动态特性参数(法向刚度与阻尼)，获取整体结构的固有特性(模态振型、固有频率、阻尼比、频响函数等)，利用频响函数辨识出结合面的等效动力学参数。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种测试结合面法向动态特性的装置，包括力锤、左试件1、右试件3、加速度传感器4、动态应变仪、应变螺栓2、电桥、测试***和PC机；其特征在于：左试件1与右试件3对称放置在同一直线上，左试件1与右试件3均成T字形且相对放置，左试件1与右试件3的T字形上下凸起上均设有沿试件轴线方向的螺栓孔，左试件1凸起上的上螺栓孔与右试件3凸起上的上螺栓孔接触对齐，左试件1凸起的下螺栓孔与右试件3凸起的下螺栓孔接触对齐，通过两个应变螺栓2将左试件1与右试件3栓接，左试件1与右试件3的凸块接触部位形成一个法向结合面；所述的应变螺栓2是将电阻式应变片嵌入高强螺栓螺杆中的螺栓；对螺栓施加预紧力时，由于螺杆的压缩导致应变片同步发生变形。应变片的变形便导致自身电阻值变化。应变螺栓2中的应变片的外延长导线与电桥连接，电桥通过输出插头与动态应变仪的输入接口相连接，将应变片的电阻值变化转变为电压值变化，动态应变仪的输出端连接到测试***的信号采集通道，测试***与PC连接，动态应变仪与电脑相连；力锤、左试件1、右试件3呈直线配置；加速度传感器4布置在左试件1与右试件3的端部；用于垂直激励左试件1端部的力锤与测试***的信号采集通道相连，用于测量响应信号的加速度传感器4与到测试***，测试***连接至PC。

加速度传感器4通过磁片固定在试件的左右两端。

所述左试件1和右试件3的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

所述左试件1和右试件3的表面粗糙度为精铣-精铣或磨-磨。

所述左试件1和右试件3间加30号机械油。

所述力锤采用型号为PCB-086C03的模态力锤；所述加速度传感器采用型号为PCB-333B30的加速度传感器；动态应变仪采用BZ2668动态应变仪。

本发明的可以获得如下有益效果：

从实验装置(图1)可看出，测试出来的特性参数仅仅是左右试件之间的结合面部分特性，减少了测量的物理量的个数，而且采用的是直接测量法。

为了便于对影响结合面动态特性的各基本影响因素进行研究，本实验装置保证试件易于更换、易于定位。

由于仅仅是测试左右试件之间结合面的法向动态特性，所以能够保证结合面动态特性从实验装置***的动态特性中较容易分离出来。

附图说明

图1是本发明测试结合面法向动态特性的结构示意图；

图2是左试件的主视图(左、右试件相同)。

图3是左试件的左视图(左、右试件相同)。

图中：1、左试件，2、应变螺栓，3、右试件，4、加速度传感器。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对测试法向合面动态特性装置作进一步的详细说明。

如图1-3所示，左试件1通过螺栓孔用应变螺栓2与右试件3栓接，左试件1和右试件3完全相同，从而保证了左、右试件结合面的接触，也保证了左右试件的直线度。左、右试件用应变螺栓2栓接以后，用弹簧绳自由悬挂在人字梯上。

加速度传感器4分别用磁片吸附在左、右试件的端部，力锤在左试件1的端部做垂直激励。力锤激励信号、加速度传感器4的输出信号传输到测试***，测试***的数据输出送至PC机。

使用时，通过动态应变仪来测量结合面上应变螺栓2预紧力的大小。在用力锤激励左试件1端部时，应使力锤垂直激励端部表面，通过力锤中的力传感器来获取激励力的大小，通过试件端部吸附的加速度传感器4来获取测试件的加速度信号。获取不同激励信号下的响应后，运用频响函数辨识法即可获取结合面动态特性参数。调整试件结合面上应变螺栓2的预紧力大小可多次改变结合面的面压值，即通过不同面压来研究结合面法向刚度受面压的影响。

利用本装置可以做以下几类实验：

(1)在一定的结合条件下(结合面的面积、粗糙度、加工方式、结合面的材料、结合面之间的介质等一定的情况下)，改变结合面的面压(即通过改变螺栓预紧力来改变结合面的面压)，力锤的激励力的幅值保持稳定，来探究面压的改变对结合面法向刚度的影响。

(2)在一定的结合条件下(结合面的面积、粗糙度、加工方式、结合面的材料、结合面之间的介质等一定的情况下)，保持结合面的面压不变(即对结合面上的应变螺栓施加恒定的预紧力)，改变力锤的激励力的幅值，来探究不同激振力对结合面法向刚度的影响。

(3)保持结合面的面压不变(即对结合面上的应变螺栓施加恒定的预紧力)，改变结合条件(例如改变结合面的粗糙度，而结合面的面积、加工方式、结合面的材料、结合面之间的介质等不变)，保持力锤的激振力幅值不变，来探究不同结合条件对结合面法向刚度的影响。

实验时，左试件1和右试件3可以更换不同类型，可以是如Q235-Q235、HT250-HT250、QT600-QT600等不同材料，可以是精铣-精铣、磨-磨等不同表面粗糙度。还可以在左试件1和右试件3之间加介质，如30号机械油。

对结合面法向动态特性参数进行识别。将试件中法向结合面部分简化为一组弹簧、阻尼***。对试件及结合面部分进行动力学建模，由于参数识别仅用到试件轴向一阶固有频率与阻尼比，在此固有频率下，试件做轴向对称拉压振动，且中间点为节点。对试件部分进行动力学建模，建模过程如下：将左试件简化为均值弹性杆1，弹性杆的长度L、横截面积A、弹性模量E、单位长度质量μ与杆件相符；将连接螺栓及接触块简化为集中质量块，m为集中质量块质量；将法向结合面部分简化为一组弹簧、阻尼***。简化模型的边界条件与实验时相一致为自由状态。

于是，对栓接结合部动态特性参数的识别转化为对弹簧刚度K，阻尼系数C的识别。识别过程如下：

对于均值弹性杆1，杆2的轴向***牛顿方程分别为：

$\mathrm{EA}\frac{{\∂}^{2}U(x,t)}{{\∂x}^2}=\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^{2}U(x,t)}{{\∂t}^2}$

$\mathrm{EA}\frac{{\∂}^{2}V(z,t)}{{\∂z}^2}=\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^{2}V(z,t)}{{\∂t}^2}---\left(1\right)$

其中U(x，t)为杆1上坐标x位置在t时刻的振动位移，V(z，t)为杆2上坐标z位置在t时刻的振动位移，μ为杆件单位长度质量。EA为杆件的拉压刚度，其中E为弹性模量，A为杆件横截面积。

我们将两杆振动位移U(x，t)、V(z，t)进行位移量与时间量的变量分离得：

U(x，t)＝U(x)e^λt

V(z，t)＝V(z)e^λt    (2)

将方程(2)代入方程(1)得到：

$\frac{d^{2}U\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}-{\mathrm{\β}}^{2}U\left(x\right)=0$

$\frac{d^{2}V\left(z\right)}{{\mathrm{dz}}^2}-{\mathrm{\β}}^{2}V\left(z\right)=0---\left(3\right)$

其中： ${\mathrm{\β}}^2=\frac{{\mathrm{\μ\λ}}^2}{\mathrm{EA}}---\left(4\right)$

对方程(3)求其通解。然后根据试验中试件两端自由、中间栓接的边界协调条件得到关于a₁，a₂，a₃，a₄的矩阵方程，即：

Aa＝0    (5)

其中：

a＝[a₁，a₂，a₃，a₄]^T

对于未知数为a的矩阵方程(5)，方程有有解的条件是：A＝0，于是得到关于λ的特征方程如下：

-2cλEAβ³cosh(βL)sinh(βL)+1.6cλ³β²cosh²(βL)-2kEAβ³cosh(βL)sinh(βL)+1.6kβ²λ²cosh²(βL)+E²A²β⁴(1-cosh²(βL))+1.6EAβ³λ²sinh(βL)cosh(βL)-0.64β²λ⁴cosh²(βL)＝0    (6)

其中由式(4)知： ${\mathrm{\β}}^2=\frac{{\mathrm{\μ\λ}}^2}{\mathrm{EA}}$

对于特征值λ，我们知道自由状态下其值为：

$\mathrm{\λ}=-{\mathrm{\ξ\ω}}_n\±j\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}{\mathrm{\ω}}_n---\left(7\right)$

式(7)中固有频率ω_n与阻尼比ξ，通过上文介绍的试件轴向振动实验获得，因此式(6)仅含未知数K、C。将式(6)进行实部与虚部的整理，并根据等式成立的条件令实部、虚部分别为零，最终获得关于K、C的方程组。利用计算软件对方程组进行解析求解，最终获得未知数K、C的精确解，即该法向栓接结合面的刚度、阻尼值。

Claims (6)

1.一种测试结合面法向动态特性的装置，包括力锤、左试件（1）、右试件（3）、加速度传感器（4）、动态应变仪、应变螺栓（2）、电桥、测试***和PC机；其特征在于：左试件（1）与右试件（3）对称放置在同一直线上，左试件（1）与右试件（3）均成T字形且相对放置，左试件（1）与右试件（3）的T字形上下凸起上均设有沿试件轴线方向的螺栓孔，左试件（1）凸起上的上螺栓孔与右试件（3）凸起上的上螺栓孔接触对齐，左试件（1）凸起的下螺栓孔与右试件（3）凸起的下螺栓孔接触对齐，通过两个应变螺栓（2）将左试件（1）与右试件（3）栓接，左试件（1）与右试件（3）的凸块接触部位形成一个法向结合面；所述的应变螺栓（2）是将电阻式应变片嵌入高强螺栓螺杆中的螺栓；应变螺栓（2）中的应变片的外延长导线与电桥连接，电桥通过输出插头与动态应变仪的输入接口相连接，将应变片的电阻值变化转变为电压值变化，动态应变仪的输出端连接到测试***的信号采集通道，测试***与PC机连接，动态应变仪与PC机相连;力锤、左试件（1）、右试件（3）呈直线配置；加速度传感器（4）布置在左试件（1）与右试件（3）的端部；用于垂直激励左试件（1）端部的力锤与测试***的信号采集通道相连，用于测量响应信号的加速度传感器（4）连接到测试***，测试***连接至PC。

2.根据权利要求1所述的一种测试结合面法向动态特性的装置，其特征在于：加速度传感器（4）通过磁片固定在试件的左右两端。

3.根据权利要求1所述的一种测试结合面法向动态特性的装置，其特征在于：所述左试件（1）和右试件（3）的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

4.根据权利要求1所述的一种测试结合面法向动态特性的装置，其特征在于：所述左试件（1）和右试件（3）的表面加工方法为精铣-精铣或磨-磨。

5.根据权利要求1所述的一种测试结合面法向动态特性的装置，其特征在于：所述左试件（1）和右试件（3）间加30号机械油。

6.根据权利要求1或2所述的一种测试结合面法向动态特性的装置，其特征在于：所述力锤采用型号为PCB—086C03的模态力锤；所述加速度传感器采用型号为PCB—333B30的加速度传感器；动态应变仪采用BZ2668动态应变仪。

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