CN114112149A - 一种运动物体接触载荷的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运动物体接触载荷的测量装置及测量方法，包括活塞杆，所述活塞杆一端安装有活塞，所述活塞同活塞杆一起伸入一端开口的套筒中，所述活塞的外周与套筒内壁接触配合，所述活塞通过滑移载荷测量装置与活塞杆连接，所述套筒开口处端面位置安装有固定载荷测量装置，所述滑移载荷测量装置测量滑移运动中活塞与活塞杆的接触力，所述固定载荷测量装置测量活塞杆和套筒开口处端面在相对运动过程中的接触力，从而实现工件在运动过程中接触载荷的动态测量，准确感知工件实际运行过程中的力学环境，便于提高结构设计精细化程度，开展优化设计，同时为相关试验设计的开展提供一种技术方案。

Description

一种运动物体接触载荷的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及载荷实验与测试技术领域，尤其是一种运动物体接触载荷的测量装置及测量方法。

背景技术

工件在运行过程中的载荷是结构设计优化过程中关注的一项重要参数，传统的设计方法是对工件的运行环境进行简化，通过静态强度试验或数值仿真得到各部件单独受力情况后乘以一定安全系数，然后进行设计和优化的方法，这种方法可以一定范围内保证工件结构安全性，对于工件实际运动过程中受到的局部载荷，特别是接触载荷，这种方法是无法获得的，因此缺乏一定的准确性，而接触载荷是造成工件磨损与损坏的首要原因，从而造成了工件实际使用寿命的缩短以及材料的浪费。因此，提高设计精细化程度，需要准确获取工件在运行过程中接触位置的局部受力情况，有必要建立一种测量方法，获取局部接触载荷，为结构设计与优化提供依据。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中无法获得类似活塞-套筒滑移结构实际运动过程中的局部载荷，特别是接触载荷的情况，提供一种合理运动物体接触载荷的测量装置及测量方法，从而实现工件在运动过程中接触载荷的动态测量，准确感知工件实际运行过程中的力学环境，便于提高结构设计精细化程度，开展优化设计，同时为相关试验设计的开展提供一种技术方案。

本发明所采用的技术方案如下：

一种运动物体接触载荷的测量装置，包括活塞杆，所述活塞杆一端安装有活塞，所述活塞同活塞杆一起伸入一端开口的套筒中，所述活塞的外周与套筒内壁接触配合，所述活塞通过滑移载荷测量装置与活塞杆连接，所述套筒开口处端面位置安装有固定载荷测量装置，所述滑移载荷测量装置测量滑移运动中活塞与活塞杆的接触力，所述固定载荷测量装置测量活塞杆和套筒开口处端面在相对运动过程中的接触力。

其进一步技术方案在于：

所述滑移载荷测量装置的结构为：包括滑移测量本体，所述滑移测量本体上安装有应变敏感元件。

所述固定载荷测量装置的结构为：包括固定测量本体，所述固定测量本体上安装有应变敏感元件。

所述固定载荷测量装置的中部设置有通孔，所述通孔内部穿有活塞杆，通孔的内壁面与活塞杆外壁面互相配合。

所述滑移测量本体为中空薄壁结构，滑移测量本体的两端分别设置与活塞和活塞杆配合的安装结构，沿垂直于活塞运动方向在滑移测量本体中部开有厚度小于滑移测量本体内壁的削弱槽，所述削弱槽的两侧分别设置有第一通槽和第二通槽，所述削弱槽上安装有多个间隔的应变敏感元件。

所述第一通槽和第二通槽沿滑移测量本体的外周均匀间断设置，且所述第一通槽和第二通槽上相邻区域的间断处交错布置，应变敏感元件安装于第一通槽间断处相邻的削弱槽底面。

所述固定测量本体的上下端面平行设置，呈环状，所述固定测量本体设置有沿水平轴线对称布置的安装面，所述安装面上设置有多个螺栓孔，所述螺栓孔和安装面与套筒的开口处端面配合安装，套筒的开口处端面设置有整圈与螺栓孔对应的配装孔，位于安装面的两端固定测量本体上对称开有沉孔，所述沉孔的两侧分别设置有长隔离通槽和短隔离通槽，所述安装面的内环位置设置有弧状的隔离通槽，所述隔离通槽的端部与短隔离通槽连通，所述沉孔底面安装有应变敏感元件，所述固定测量本体的外周面开有穿线孔，所述穿线孔与沉孔连通。

所述沉孔数量为四个，沿固定测量本体水平轴线和垂直轴线对称设置，所述长隔离通槽端面为直线型，位于两个相邻沉孔的外侧，所述短隔离通槽设置在单个沉孔的内侧。

所述长隔离通槽与短隔离通槽平行设置。

一种运动物体接触载荷的测量装置的测量方法，

包括如下操作步骤：

第一步、准备工作：

根据测量需求设计好固定载荷测量装置和滑移载荷测量装置的具体结构形式；

按照设计图纸制作出滑移测量本体和固定测量本体；

将应变敏感元件安装滑移测量本体的削弱槽上；

将应变敏感元件安装在固定测量本体的沉孔底面；

第二步、系数标定：

分别将固定测量本体和滑移测量本体的应变敏感元件组成测量电路，并与电信号放大采集设备相连接，采用标准砝码或其他标准力加载手段，分别对固定测量本体和滑移测量本体进行加载和卸载，以确定电信号与力值的比例关系及零位；通过多次标定，确定固定载荷测量装置和滑移载荷测量装置的测量准确度；

第三步、固定载荷测量装置和滑移载荷测量装置的组装：

将沿滑移测量本体与活塞和活塞杆组装在一起，然后装入套筒内部；

将固定测量本体装于套筒的开口处端面处，并通过调整安装面的安装方向来选择需要测量固定载荷的位置；

第四步、线路连接：

将应变敏感元件的引出线与相应的测量输出线路连接好；

将测量输出线路与记录仪器连接好；

第五步、数据测量：

接通装置电源；

采用外部驱动的形式移动活塞杆；

活塞杆移动的过程中固定载荷测量装置和滑移载荷测量装置实时测量并传输处测量数据，记录仪器将数据存储并处理；

第六步、数据分析：

将测得的电信号根据第二步标定所得系数换算成物理量，通过对测量数据的整理分析，所述滑移载荷测量装置所测量滑移运动中活塞与活塞杆的接触力的大小和变化，以及所述固定载荷测量装置测量活塞杆和套筒的端面在相对运动过程中的接触力的大小和变化，进而评估此滑动结构形式的受载情况，以及判断此滑动结构形式在材料、结构等方面的是否需要优化设计。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设计将固定式载荷测量装置和滑移式载荷测量装置与滑移运动机构的一体化设计，并给出载荷测量的方法，解决了工件在实际运动过程中的局部载荷，特别是接触载荷无法测量的问题，可通过测量结果准确感知工件实际运行过程中的力学环境，提高结构设计精细化程度，对开展优化设计，具有十分重要的参考价值。

同时，本发明还存在如下优势：

(1)载荷测量装置的本体结构可根据不同结构受力的情况进行细化设计，应用范围广。

(2)可通过测量结果准确感知工件实际运行过程中的力学环境，并实时测量工件在运行过程中受到的局部载荷，数据量大且连续，为受力分析提供了有利的实验数据，有助于针对性的结构设计和优化。

(3)通过感知工件的力学环境，可开展优化设计，提高工件在应用场所的使用寿命，避免不合理的磨损所产生材料的浪费，降低使用成本，及相关设备的故障率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明滑移测量本体的轴向侧视图(省略应变敏感元件)。

图3为本发明滑移测量本体的剖视图。

图4为本发明固定测量本体正面轴向侧视图(省略应变敏感元件)。

图5为本发明固定测量本体背面轴向侧视图(省略应变敏感元件)。

图6为固定测量本体的俯视图(省略应变敏感元件)。

图7为图6中A-A截面的剖视图(省略应变敏感元件)。

其中：1、活塞杆；2、固定载荷测量装置；3、滑移载荷测量装置；4、活塞；5、套筒；6、应变敏感元件；

201、固定测量本体；202、安装面；203、螺栓孔；204、沉孔；205、穿线孔；206、长隔离通槽；207、短隔离通槽；208、隔离通槽；

301、滑移测量本体；302、削弱槽；303、第一通槽；304、第二通槽。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的运动物体接触载荷的测量装置，包括固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3，适用于测量形如活塞杆1、活塞4和套筒5组合与受力关系的运动机构，活塞杆1一端安装有活塞4，活塞4同活塞杆1一起伸入一端开口的套筒5中，活塞4的外周与套筒5内壁接触配合，活塞4通过滑移载荷测量装置3与活塞杆1连接，套筒5开口处端面位置安装有固定载荷测量装置2，滑移载荷测量装置3测量滑移运动中活塞4与活塞杆1的接触力，固定载荷测量装置2测量活塞杆1和套筒5开口处端面在相对运动过程中的接触力。通过此结构实现测量装置的一体化设计，活塞4在运动过程中受到的力通过滑移载荷测量装置3传递至活塞杆1，具备了准确测力的条件，实现了在滑移运动中活塞4与活塞杆1接触力的动态测量。活塞杆1与固定载荷测量装置2的内侧形成接触适配关系，活塞杆4在运动过程中与固定载荷测量装置2接触，可测量活塞杆1和与通孔在相对运动过程中的接触力。

如图2、图3所示，滑移载荷测量装置3的结构为：包括滑移测量本体301，滑移测量本体301上安装有应变敏感元件6。

如图4、图5所示，固定载荷测量装置2的结构为：包括固定测量本体201，固定测量本体201上安装有应变敏感元件6。

固定载荷测量装置2的中部设置有通孔，通孔内部穿有活塞杆1，通孔的内壁面与活塞杆1外壁面互相配合。

如图2、图3所示，滑移测量本体301为中空薄壁结构，滑移测量本体301的两端分别设置与活塞4和活塞杆1配合的安装结构，沿垂直于活塞4运动方向在滑移测量本体301中部开有厚度小于滑移测量本体301内壁的削弱槽302，削弱槽302的两侧分别设置有第一通槽303和第二通槽304，削弱槽302上安装有多个间隔的应变敏感元件6，且应变敏感元件6安装于削弱槽302的底面。降低削弱槽302的厚度用于放大应力，使测量过程中应变反馈更加明显。

如图3所示，第一通槽303和第二通槽304沿滑移测量本体301的外周均匀间断设置，且第一通槽303和第二通槽304上相邻区域的间断处交错布置，应变敏感元件6安装于第一通槽303间断处相邻的削弱槽302底面。削弱槽302处形成应变梁结构，在削弱槽302底部(应力集中位置)粘贴应变敏感元件6，并组成电桥测量电路，可以测量特定方向的横向载荷，实现在滑移运动中活塞4与活塞杆1的接触力的动态测量。

如图4-7所示，固定测量本体201的上下端面平行设置，呈环状，固定测量本体201设置有沿水平轴线对称布置的安装面202，安装面202上设置有多个螺栓孔203，螺栓孔203和安装面202与套筒5的开口处端面配合安装，套筒5的开口处端面设置有整圈与螺栓孔203对应的配装孔，位于安装面202的两端固定测量本体201上对称开有沉孔204，沉孔204的两侧分别设置有长隔离通槽206和短隔离通槽207，安装面202的内环位置设置有弧状的隔离通槽208，隔离通槽208的端部与短隔离通槽207连通，沉孔204底面安装有应变敏感元件6，固定测量本体201的外周面开有穿线孔205，穿线孔205与沉孔204连通。通过设计长隔离通槽206、短隔离通槽207和沉孔204，形成应变梁结构，在应力集中位置即沉孔204处粘贴应变敏感元件6，并组成电桥测量电路，可以测量特定方向的横向载荷，实现活塞杆1和套筒5的端面在相对运动过程中的接触力。套筒5的开口处端面的配装孔可与安装面202上螺栓孔203配合，可以通过调整安装方位，选择所关注方向的载荷测量。

如图6、图7所示，沉孔204数量为四个，沿固定测量本体201水平轴线和垂直轴线对称设置，长隔离通槽206端面为直线型，位于两个相邻沉孔204的外侧，短隔离通槽207设置在单个沉孔204的内侧。

长隔离通槽206与短隔离通槽207平行设置。两个短隔离通槽207之间的区域所对应的固定测量本体201内侧即为所测量的接触载荷的位置。

固定载荷测量装置2安装于套筒5开口处端面上，滑移载荷测量装置3安装于活塞4与活塞杆1连接位置，可以随活塞4与活塞杆1相对套筒5运动，两种测量装置组合使用，可以同时测得活塞4滑移运动时的两支点特定方向的接触力，从而实现活塞4与套筒5之间滑移运动过程中载荷的动态测量。

实施例一：

本实施例的运动物体接触载荷的测量装置的测量方法，包括如下操作步骤：

第一步、准备工作：

根据测量需求设计好固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的具体结构形式；

按照设计图纸制作出滑移测量本体301和固定测量本体201；

将应变敏感元件6安装滑移测量本体301的削弱槽302上；

将应变敏感元件6安装在固定测量本体201的沉孔204底面；

第二步、系数标定：

分别将固定测量本体201和滑移测量本体301的应变敏感元件6组成测量电路，并与电信号放大采集设备相连接，采用标准砝码或其他标准力加载手段，分别对固定测量本体201和滑移测量本体301进行加载和卸载，以确定电信号与力值的比例关系及零位；通过多次标定，确定固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的测量准确度；

第三步、固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的组装：

将沿滑移测量本体301与活塞4和活塞杆1组装在一起，然后装入套筒5内部；

将固定测量本体201装于套筒5的开口处端面处，并通过调整安装面202的安装方向来选择需要测量固定载荷的位置；

第四步、线路连接：

将应变敏感元件6的引出线与相应的测量输出线路连接好；

将测量输出线路与记录仪器连接好；

第五步、数据测量：

接通装置电源；

采用外部驱动的形式移动活塞杆1；

活塞杆1移动的过程中固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3实时测量并传输处测量数据，记录仪器将数据存储并处理；

第六步、数据分析：

将测得的电信号根据第二步标定所得系数换算成物理量，通过对测量数据的整理分析，滑移载荷测量装置3所测量滑移运动中活塞4与活塞杆1的接触力的大小和变化，以及固定载荷测量装置2测量活塞杆1和套筒5的端面在相对运动过程中的接触力的大小和变化，进而评估此滑动结构形式的受载情况，以及判断此滑动结构形式在材料、结构等方面的是否需要优化设计。

实施例二：

本实施例的运动物体接触载荷的测量装置的测量方法，包括如下操作步骤：

第一步、准备工作：

根据测量需求设计好固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的具体结构形式；

按照设计图纸制作出滑移测量本体301，滑移测量本体301为筒状结构，内部开有削弱槽302，

按照设计图纸制作出固定测量本体201，固定测量本体201为环状结构，固定测量本体201上开有沉孔204，沉孔204沿水平轴线垂直布置，沉孔204数量为四个；

将应变敏感元件6安装滑移测量本体301的削弱槽302的底部，均布设置，数量为四个；

将应变敏感元件6安装在固定测量本体201的沉孔204底面；

第二步、系数标定：

分别将固定测量本体201和滑移测量本体301的应变敏感元件6组成测量电路，并与电信号放大采集设备相连接，采用标准砝码或其他标准力加载手段，分别对固定测量本体201和滑移测量本体301进行加载和卸载，以确定电信号与力值的比例关系及零位；通过多次标定，确定固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的测量准确度；

第三步、固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3的组装：

将沿滑移测量本体301与活塞4和活塞杆1组装在一起，然后装入套筒5内部；

将运动物体接触载荷的测量装置水平放置；

将固定测量本体201装于套筒5的开口处端面处，并通过调整安装面202的安装方向来选择需要测量固定载荷的位置；

将长隔离通槽206设置为水平方向，然后将固定测量本体201与套筒5的开口处端面固定；

第四步、线路连接：

将应变敏感元件6的引出线与相应的测量输出线路连接好；

将测量输出线路与记录仪器连接好；

第五步、数据测量：

接通装置电源；

采用外部驱动的形式移动活塞杆1；

活塞杆1移动的过程中固定载荷测量装置2和滑移载荷测量装置3实时测量并传输处测量数据，记录仪器将数据存储并处理；

第六步、数据分析：

通过对测量数据的整理分析，滑移载荷测量装置3所测量滑移运动中活塞4与活塞杆1的接触力的大小和变化，以及固定载荷测量装置2测量活塞杆1和套筒5的端面在相对运动过程中的接触力的大小和变化，进而评估此滑动结构形式的受载情况，以及判断此滑动结构形式在材料、结构等方面的是否需要优化设计。

测量装置运动部件的结构和形式不限，整体采用应变梁结构进行接触载荷测量，来放大局部应力，并且在运动状态下，对各个部件的接触载荷进行测量。从大量连续的数据可更加真实的反应运动部件在不同状态下的受到的接触力，因为这种力并不是运动机构在运动中所必须的力，而是一种阻碍运动的力，通过对这种非对称力的动态测量和分析，进而可以从力的变化中分析此此运动部件材料、结构等方面的不足，减小或者避免由于这种不对称力所造成的工件的磨损或损坏。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种运动物体接触载荷的测量装置，包括活塞杆(1)，所述活塞杆(1)一端安装有活塞(4)，所述活塞(4)同活塞杆(1)一起伸入一端开口的套筒(5)中，所述活塞(4)的外周与套筒(5)内壁接触配合，其特征在于：所述活塞(4)通过滑移载荷测量装置(3)与活塞杆(1)连接，所述套筒(5)开口处端面位置安装有固定载荷测量装置(2)，所述滑移载荷测量装置(3)测量滑移运动中活塞(4)与活塞杆(1)的接触力，所述固定载荷测量装置(2)测量活塞杆(1)和套筒(5)开口处端面在相对运动过程中的接触力。

2.如权利要求1所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述滑移载荷测量装置(3)的结构为：包括滑移测量本体(301)，所述滑移测量本体(301)上安装有应变敏感元件(6)。

3.如权利要求1所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述固定载荷测量装置(2)的结构为：包括固定测量本体(201)，所述固定测量本体(201)上安装有应变敏感元件(6)。

4.如权利要求1所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述固定载荷测量装置(2)的中部设置有通孔，所述通孔内部穿有活塞杆(1)，通孔的内壁面与活塞杆(1)外壁面互相配合。

5.如权利要求2所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述滑移测量本体(301)为中空薄壁结构，滑移测量本体(301)的两端分别设置与活塞(4)和活塞杆(1)配合的安装结构，沿垂直于活塞(4)运动方向在滑移测量本体(301)中部开有厚度小于滑移测量本体(301)内壁的削弱槽(302)，所述削弱槽(302)的两侧分别设置有第一通槽(303)和第二通槽(304)，所述削弱槽(302)上安装有多个间隔的应变敏感元件(6)。

6.如权利要求5所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述第一通槽(303)和第二通槽(304)沿滑移测量本体(301)的外周均匀间断设置，且所述第一通槽(303)和第二通槽(304)上相邻区域的间断处交错布置，应变敏感元件(6)安装于第一通槽(303)间断处相邻的削弱槽(302)底面。

7.如权利要求3所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述固定测量本体(201)的上下端面平行设置，呈环状，所述固定测量本体(201)设置有沿水平轴线对称布置的安装面(202)，所述安装面(202)上设置有多个螺栓孔(203)，所述螺栓孔(203)和安装面(202)与套筒(5)的开口处端面配合安装，套筒(5)的开口处端面设置有整圈与螺栓孔(203)对应的配装孔，位于安装面(202)的两端固定测量本体(201)上对称开有沉孔(204)，所述沉孔(204)的两侧分别设置有长隔离通槽(206)和短隔离通槽(207)，所述安装面(202)的内环位置设置有弧状的隔离通槽(208)，所述隔离通槽(208)的端部与短隔离通槽(207)连通，所述沉孔(204)底面安装有应变敏感元件(6)，所述固定测量本体(201)的外周面开有穿线孔(205)，所述穿线孔(205)与沉孔(204)连通。

8.如权利要求7所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述沉孔(204)数量为四个，沿固定测量本体(201)水平轴线和垂直轴线对称设置，所述长隔离通槽(206)端面为直线型，位于两个相邻沉孔(204)的外侧，所述短隔离通槽(207)设置在单个沉孔(204)的内侧。

9.如权利要求所述的一种运动物体接触载荷的测量装置，其特征在于：所述长隔离通槽(206)与短隔离通槽(207)平行设置。

10.一种运动物体接触载荷的测量装置的测量方法，其特征在于：

包括如下操作步骤：

第一步、准备工作：

根据测量需求设计好固定载荷测量装置(2)和滑移载荷测量装置(3)的具体结构形式；

按照设计图纸制作出滑移测量本体(301)和固定测量本体(201)；

将应变敏感元件(6)安装滑移测量本体(301)的削弱槽(302)上；

将应变敏感元件(6)安装在固定测量本体(201)的沉孔(204)底面；

第二步、系数标定：

分别将固定测量本体(201)和滑移测量本体(301)的应变敏感元件(6)组成测量电路，并与电信号放大采集设备相连接，采用标准砝码或其他标准力加载手段，分别对固定测量本体(201)和滑移测量本体(301)进行加载和卸载，以确定电信号与力值的比例关系及零位；通过多次标定，确定固定载荷测量装置(2)和滑移载荷测量装置(3)的测量准确度；

第三步、固定载荷测量装置(2)和滑移载荷测量装置(3)的组装：

将沿滑移测量本体(301)与活塞(4)和活塞杆(1)组装在一起，然后装入套筒(5)内部；

将固定测量本体(201)装于套筒(5)的开口处端面处，并通过调整安装面(202)的安装方向来选择需要测量固定载荷的位置；

第四步、线路连接：

将应变敏感元件(6)的引出线与相应的测量输出线路连接好；

将测量输出线路与记录仪器连接好；

第五步、数据测量：

接通装置电源；

采用外部驱动的形式移动活塞杆(1)；

活塞杆(1)移动的过程中固定载荷测量装置(2)和滑移载荷测量装置(3)实时测量并传输处测量数据，记录仪器将数据存储并处理；

第六步、数据分析：

将测得的电信号根据第二步标定所得系数换算成物理量，通过对测量数据的整理分析，所述滑移载荷测量装置(3)所测量滑移运动中活塞(4)与活塞杆(1)的接触力的大小和变化，以及所述固定载荷测量装置(2)测量活塞杆(1)和套筒(5)的端面在相对运动过程中的接触力的大小和变化，进而评估此滑动结构形式的受载情况，以及在材料、结构等方面的是否需要优化设计。

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