CN117606773A - 测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 - Google Patents
测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117606773A CN117606773A CN202311579355.6A CN202311579355A CN117606773A CN 117606773 A CN117606773 A CN 117606773A CN 202311579355 A CN202311579355 A CN 202311579355A CN 117606773 A CN117606773 A CN 117606773A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- test piece
- normal
- joint surface
- dynamic
- tangential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 264
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 238000013016 damping Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 84
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 68
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 21
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 35
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 17
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 16
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M13/00—Testing of machine parts
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
- G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
- G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
- G01M7/025—Measuring arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
- G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
- G01M7/06—Multidirectional test stands
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，包括激振结构、高精度直线运动组件、试件组件、锥齿轮传动机构；高精度直线运动组件安装在箱体底板上；法向静动态动力组件穿接于箱体顶部，且垂直于高精度直线运动组件；锥齿轮传动机构及试件组件在高精度直线运动组件与法向静动态动力组件之间。本发明方法通过旋转力矩加载螺杆、法/切向激振器将法/切向静、动态外载荷施加到混合润滑结合面上，通过伺服电机带动丝杠螺母间接相连的工作台使上、下试件产生相对运动，锥齿轮传动机构使下试件与上试件之间发生相对转动运动；获取到更准确、可靠的混合润滑结合面静动态接触特性参数，为优化机床滑动导轨动态性能提供理论和实验基础。
Description
技术领域
本发明属于机床精密进给***动态特性测试技术领域，具体涉及测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，还涉及测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法。
背景技术
机床装备中存在大量的机械结合面。如：机床结构中箱体与床身构成的结合面、机架与机座构成的结合面、滑动导轨结合面与滚动导轨中滚子-轨道结合面等。特别值得注意的是，机床装备在加工零件过程中，滑动导轨结合面的接触刚度及阻尼特性对其加工精度具有显著影响。为了揭示滑动导轨结合面对机床振动特性的影响规律和机制，发明了一款用于测试单位面积上的滑动导轨结合面接触刚度及阻尼实验平台。从而实现滑动导轨混合润滑结合面接触刚度及阻尼特性参数的准确测试。
现有的机械结合面接触参数测试实验装置大多为无润滑介质的固定结合面接触特性参数测试装置或静态载荷作用下的结合面的接触特性测试装置。关于动态载荷作用下的结合面接触特性测试装置，目前也仅是针对垂直载荷工况下的机械结合面接触特性测试，这些实验装置尚无法用于测试复杂载荷作用下具有宏观相对运动的混合润滑结合面动态特性。然而，机床实际作业过程中滑动导轨构成的混合润滑结合面，通常承受着复杂载荷作用(如：法向、切向、弯曲、扭转等静动态载荷的耦合作用)。因此，为了揭示复杂载荷对混合润滑结合面接触特性参数的影响，开发了一款用于测试复杂载荷作用下，混合润滑结合面的接触特性实验平台。基于本实验平台，可以获得不同负载工况下混合润滑结合面的接触刚度及其阻尼参数，并可评估出复杂外载荷、润滑介质特性、以及接触表面特征参数等因素，对单位面积滑动导轨法向和切向接触刚度及阻尼的影响规律。
发明内容
本发明的目的在于提供测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，解决了现有接触特性测试装置无法用于测试复杂载荷作用下具有宏观相对运动的混合润滑结合面动态特性。
本发明的目的还在于提供测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，包括激振结构、高精度直线运动组件、试件组件、锥齿轮传动机构；高精度直线运动组件固定安装在箱体底板上；法向静动态动力组件穿接于箱体顶部，且垂直于高精度直线运动组件连接的工作台；安装锥齿轮传动机构及试件组件在高精度直线运动组件与法向静动态动力组件之间，通过施加载荷使上下试件内部形成相对运动结合面；切向静动态施力组件施加作用力在上下试件的切向方向，产生切向方向的静动态力，法向与切向载荷共同作用，使上下试件之间形成的混合润滑结合面在复杂载荷作用下的产生相对振动。
本发明的特点还在于，
高精度直线运动组件包括交流伺服电机b，交流伺服电机b固定在电机支座b上；交流伺服电机b的电机轴与箱体底板水平面保持平行；交流伺服电机b输出轴通过联轴器b与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠的末端安装的滚珠丝杠支撑座固定安装在箱体底板上表面，箱体底板上设置有直线导轨，直线导轨位于箱体底板上表面滚珠丝杠的两侧；直线导轨上配合连接有滑块，滑块与工作台固定连接，直线导轨、滑块对工作台水平方向前后移动起限位作用；箱体底板上固定有用于测量工作台位移的光栅尺；
工作台通过螺母衬套和丝杠螺母与滚珠丝杠相连；交流伺服电机b通过联轴器b带动滚珠丝杠转动时，工作台、螺母衬套不发生转动，丝杠螺母相对滚珠丝杠发生前后移动，进而带动工作台水平移动，实现上下试件的混合润滑结合面相对移动。
锥齿轮传动机构包括安装在工作台上表面的交流伺服电机支座a，交流伺服电机支座a上固定安装有交流伺服电机a，交流伺服电机a输出轴通过联轴器a与小锥齿轮主轴连接；交流伺服电机支座a及轴承座固定安装在工作台表面，保证小锥齿轮主轴沿与工作台中部的大锥齿轮主轴垂直的平面安装；小锥齿轮主轴上安装有深沟球轴承、键；小锥齿轮与小锥齿轮主轴通过键连接，实现轴与齿轮之间的周向固定与以传递运动和转矩。
工作台上表面设置有下试件固定架，大锥齿轮主轴正对高精度直线运动组件安装，大锥齿轮主轴上的主要部件有圆锥滚子轴承、大锥齿轮、推力球轴承a、下试件；大锥齿轮、下试件与大锥齿轮主轴均为键连接，推力球轴承a及圆锥滚子轴承分别安装在下试件固定架的内外侧，下试件与推力球轴承连接安装；交流伺服电机b通过联轴器b带动小锥齿轮主轴进行旋转，锥齿轮啮合传动使大锥齿轮主轴进行转动，经过推力球轴承传递转到下试件，进而带动下试件旋转；通过控制交流伺服电机b可改变下试件的转向和转速，使其与上试件结合面之间发生相对旋转运动。
法向静动态施力组件和切静动态施力组件包括穿接箱体上表面且垂直于高精度直线运动组件位置的加载螺杆和力矩加载螺杆，加载螺杆与螺纹套筒通过螺纹连接、底部连接推力球轴承c，推力球轴承c底端连接法向定位块，法向定位块底部依次连接动态力传感器、传感器轴向档位块、静态力传感器；加载螺杆相对螺纹套筒向下移动，能够对试件组件施加法向静态力；动态力传感器连接在上试件的上表面；加载螺杆、推力球轴承c、法向定位块、静态力传感器、传感器轴向档位块、动态力传感器同轴连接激振结构；
力矩加载螺杆与螺纹套筒通过螺纹连接、底部连接推力球轴承b顶端，推力球轴承b底端连接力矩加载轴向定位块，力矩加载轴向定位块底部与静态力传感器连接；
静态力传感器用于检测施加到上试件的静态力大小；动态力传感器用于检测施加到上试件的动态力大小；
法向定位块使推力球轴承a与静态力传感器的轴线位于同一轴心；传感器轴向档位块使静态力传感器与动态力传感器的轴线位于同一轴心，保证加载力依次通过推力球轴承a、法向定位块、静态力传感器、传感器轴向档位块、动态力传感器后均匀地施加在上试件上表面。
激振结构包括布置在箱体上部和侧面的法向激振器和切向激振器，法向激振器连接法向激振杆，切向激振器连接切向激振杆；法向激振杆依次穿过力矩加载螺杆、推力球轴承b、法向定位块、静态力传感器、传感器轴向档位块、动态力传感器连接到上试件顶部的螺纹孔，对上试件的上部施加法向动态力；切向激振杆与上试件侧表面直接接触，通过切向激振杆向上试件加载切向激振力。
试件组件包括上下表面接触连接的上试件与下试件；上试件连接涡流位移传感器和三轴加速度传感器，三轴加速度传感器用于测量上试件相对运动时产生的加速度；涡流位移传感器可实时监测上试件与下试件在法/切向载荷作用时的相对动态位移量；下试件连接高精度直线运动组件及锥齿轮传动机构，上试件下表面和下试件上表面之间形成混合润滑结合面。
通过对上下试件构成的混合润滑结合面施加法向、切向、弯曲、扭转及其耦合载荷，可测得静动态外载荷对结合面法向和切向接触刚度及阻尼特性参数的影响；在结合面间加入不同类型的润滑液，可测得润滑液特性对其接触刚度阻尼性能的影响规律。
本发明所采用的第二种技术方案是，测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法，通过旋转加载螺杆、法/切向激振器将法/切向静、动态外载荷施加到混合润滑结合面上，通过伺服电机带动丝杠螺母间接相连的工作台使上、下试件产生相对滑动运动，通过伺服电机带动锥齿轮传动机构使下试件与上试件之间发生相对转动运动；结合面产生的位移变形由高精度非接触式涡流位移传感器测量获得，采用静态压力传感器实时监测法向载荷，通过安装在上试件的涡流位移传感器测得结合面的法向位移响应，将法向载荷对位移求导，即可获得其法向接触刚度；具体如下：
①混合润滑结合面法向静态接触刚度测试：旋转法向激振器，使其产生的法向静态力经过推力球轴承b、静态压力传感器传递至结合面，结合面产生的位移变形由高精度非接触式涡流位移传感器测量获得，采用静态压力传感器实时监测法向载荷，通过安装在上试件的涡流位移传感器测得结合面的法向位移响应，将法向载荷对位移求导，即可获得其法向接触刚度。
②混合润滑接合面法向动态接触刚度及阻尼测试：法向激振器产生法向动态力，其值由动态力传感器测得，产生的动态变形量由涡流位移传感器实时监测获得，三轴加速度传感器可以测得动态变形量的加速度。将所获得的数据通过功率放大器传递至m+p振动与动态信号采集分析***进行处理，采集到的信号通过电荷放大器反馈至m+p振动与动态信号采集分析***中，m+p振动与动态信号采集分析***对所采集到的数据进行记录输出，处理分析采集的数据从而获得法向动态载荷作用下混合润滑结合面的接触刚度及阻尼。
③混合润滑结合面切向静态接触刚度测试：通过旋转切向激振器，采用涡流位移传感器测得混合润滑结合面的切向位移响应，将切向载荷对其产生的切向位移变形量求导，即可获得其切向接触刚度。
④混合润滑结合面切向动态接触刚度及阻尼测试：切向激振器产生切向动态力，动态力传感器测得动态力的大小，动态变形量由涡流位移传感器实时监测获得，三轴加速度传感器可以测得动态变形量的加速度。将所获得的数据通过功率放大器传递至m+p振动与动态信号采集分析***中进行处理，采集到的信号通过电荷放大器反馈至m+p振动与动态信号采集分析***中，m+p振动与动态信号采集分析***对所采集到的数据进行记录输出，处理分析采集的数据从而获得切向动态载荷作用下混合润滑结合面的接触刚度及阻尼。
本发明的特点还在于，
测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法，具体操作步骤如下：
以法向动态力作用在混合润滑接触面为例，法向动态力为正弦激振力Fnd＝Fnmcos(ωt)，其物理模型可构建为：
Fn＝Fns+Fnd＝Fns+Fnmcos(ωt)＝FnAcos(ωt) (1)
其中，FnA为法向振动幅值，Fns为法向静态力，Fnd为为法向动态力，法向等效激振力Fnmcos(ωt)在上、下试件分别产生的变形量为Xn1和Xn2，结合面的相对变形量为：
其中，为激振力与变形量之间的相位差；
相对变形速度为：结合面的运动学方程为：
其中，m1为上试件的质量；Kn和Cn分别为两试件的接触刚度及阻尼；为了获得结合面的接触刚度及阻尼，设结合面为无质量的理想接触面，可得：
将式(2)、(3)代入(5)可得，结合面的接触刚度Kn和阻尼Cn公式分别如下：
由式(6)、(7)可以发现：通过传感器可获得混合润滑结合面的法向激振幅值FnA、角频率ω、变形量幅值Xnm和相位差即可测得混合润滑结合面法向接触动态刚度及阻尼，切向接触刚度及阻尼计算公式同理；法向载荷与切向载荷共同作用时，根据FA＝FnA+FτA,可计算出FA，FτA为切向振动幅值，再求其接触刚度及阻尼参数。
本发明的有益效果是：
本发明用于测试如法向、切向、弯曲、扭转及其耦合作用下混合润滑结合面的接触刚度及阻尼特性，通过调节或改变外载荷、相对运动速度、振动频率与幅值、润滑介质、表面粗糙度等参数，揭示各因素对混合润滑结合面接触刚度及阻尼的影响规律。能够测量法向、切向、弯曲、扭转静动态载荷及其耦合作用下对混合润滑结合面法/切向动态接触刚度及阻尼的影响规律，从而为机床滑动导轨静动态性能的设计和优化提供实验数据支撑。因此，该实验平台的设计搭建，对高速精密机床装备的性能优化具有极其重要的工程应用价值。能够测量法向、切向、弯曲、扭转静动态载荷及其耦合作用下对混合润滑结合面法/切向动态接触刚度及阻尼的影响规律，从而为机床滑动导轨静动态性能的设计和优化提供实验数据支撑。
附图说明
图1是本发明装置总体结构图；
图2.是本发明装置左视图；
图3.是本发明装置俯视图；
图4是本发明装置的高精度直线运动组件结构示意图；
图5是本发明装置水平移动结构示意图；
图6是本发明装置锥齿轮传动机构示意图；
图7是本发明装置锥齿轮传动机构剖视图；
图8是本发明装置法向、切向激振组件示意图。
图中：1.法向激振器，2.静态力传感器，3.上试件，4.箱体，5.切向激振杆，6.切向激振器，7.交流伺服电机a，8.滚珠丝杠，9.电机支座a，10.联轴器a，11.轴承座，12.连接板，13.光栅尺，14.工作台，15.箱体底板，16.交流伺服电机b，17.激光位移传感器，18.下试件，19.下试件固定架，20.推力球轴承a，21.激光温度传感器，22.定位轴销，23.滑块，24.直线导轨，25.丝杠螺母，26.电机支座b，27.联轴器b，28.大锥齿轮主轴，29.读数头，30.滚珠丝杠支撑座，31.大锥齿轮32.圆锥滚子轴承，33.小锥齿轮，34.深沟球轴承，35.小锥齿轮主轴，36.力矩加载螺杆，37.推力球轴承b，38.力矩加载轴向定位块，39.三轴加速度传感器，40.动态力传感器，41.传感器轴向档位块，42.加载螺杆，43.推力球轴承c，44.涡流位移传感器，45.螺母衬套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置。如图1、图2及图3所示，该装置主要由激振结构、高精度直线运动组件、试件组件、锥齿轮传动机构及箱体等部分构成。高精度直线运动组件固定安装在箱体底板15上；法向静动态动力组件穿接于箱体4顶部，且垂直于高精度直线运动组件连接的工作台14；安装锥齿轮传动机构及试件组件在高精度直线运动组件与法向静动态动力组件之间，通过施加载荷使上下试件内部形成相对运动结合面；切向静动态施力组件施加作用力在上下试件的切向方向，产生切向方向的静动态力，法向与切向施力组件共同作用，使上下试件之间形成的混合润滑结合面在复杂载荷作用下的产生相对振动。
实施例2
与实施例1的区别在于，
高精度直线运动组件中箱体4、滚珠丝杠支撑座30、滚珠丝杠8、导轨24及光栅尺13固定安装在箱体底板15上。法向静动态动力组件穿接于箱体4顶部，且垂直于高精度直线运动组件工作台14。安装锥齿轮传动机构及试件组件在高精度直线运动组件与法向静动态施力组件之间，通过施加载荷使上下试件内部形成相对运动结合面，滚珠丝杠8旋转带动工作台14沿水平方向直线运动，交流伺服电机a7带动锥齿轮传动机构转动，共同作用可以使下试件18水平移动或转动，与上试件3之间形成相对运动。同理，与水平方向平行的切向静动态施力组件施加作用力在上下试件的切向方向，产生切向方向的静动态力。法/切向载荷共同作用，上下试件之间形成的混合润滑结合面由于处在复杂载荷作用会产生相对振动。
图4所示为实验平台装置的高精度直线运动组件。箱体底板15通过电机支座b26固定交流伺服电机b16，使交流伺服电机b16的电机轴与箱体底板15水平面保持平行，交流伺服电机b16输出轴通过联轴器b27与滚珠丝杠8连接，滚珠丝杠8末端安装的滚珠丝杠支撑座30在固定安装在箱体底板15上表面。直线导轨24与中空机构的工作台14连接，固定安装在箱体底板15上表面，工作台14通过螺丝与丝杠螺母衬套45固定连接，丝杠螺母25与螺母衬套45固定连接，衬套固定连接在工作台14下表面，交流伺服电机b16通过联轴器b27带动滚珠丝杠8转动时，工作台14、螺母衬套45不发生转动，丝杠螺母25相对滚珠丝杠8发生前/后移动，进而带动工作台14水平移动，实现上下试件混合润滑结合面的相对移动。下试件固定架19、锥齿轮传动机构安装在工作台14上表面。交流伺服电机b16带动滚珠丝杠8转动时，工作台14沿滚珠丝杠8进行轴向方向水平前/后移动。箱体底板15上固定光栅尺的主尺，工作台14通过光栅尺头连接板12连接滑尺，滑尺上固定连接有读数头29，通过主尺、滑尺及读数头组合形成光栅尺13，光栅尺13用于测量工作台14的位移。
直线导轨24位于箱体底板15上表面滚珠丝杠两侧，导轨上配合连接滑块23，滑块23与工作台14固定连接。直线导轨24、滑块23对工作台14水平方向前/后移动起限位作用，确保工作台14沿固定方向移动，防止发生偏转，造成水平方向力矩不对称，导致工作台14在运动过程中发生振动对实验结果造成严重的影响。
如图2所示，定位轴销22用于限制上试件与的箱体相对位置，保证上下试件不会受其他因素位置发生偏移。
图6及图7展示了锥齿轮传动机构。工作台14上表面安装交流伺服电机支座a9，交流伺服电机a7通过联轴器a10与小锥齿轮主轴35连接，安装在工作台14平面上。电机支座a9及轴承座11固定安装在工作台14表面，保证小锥齿轮主轴35沿与中部工作台14垂直的平面安装。小锥齿轮主轴35上主要安装零部件包括小锥齿轮33、键及深沟球轴承34等。小锥齿轮33与主轴35通过键连接，实现轴与齿轮之间的周向固定与以传递运动和转矩。
下试件固定架19固定安装于工作台14上表面，大锥齿轮主轴28正对高精度直线运动组件(沿垂直于水平面)安装，主轴上的主要部件有圆锥滚子轴承32、大锥齿轮31、推力球轴承a20、下试件18等，大锥齿轮31、下试件18与主轴之间均通过键连接进行安装，推力球轴承a20及圆锥滚子轴承32分别安装在下试件固定架19的内/外侧，下试件18与推力球轴承a20连接安装。交流伺服电机a7通过联轴器a10带动小齿轮主轴35进行旋转，锥齿轮啮合使大锥齿轮主轴28进行转动，经过推力球轴承a20传递转到到下试件18，进而带动下试件18旋转。通过控制交流伺服电机a7可改变下试件18的转向和转速，使其与上试件3结合面之间发生相对旋转运动。
箱体4上还安装有激光位移传感器17，激光位移传感器17安装高度与上试件3处于同一水平线，用于测量上试件的变形参数。
图8展示了法向和切向静动态施力组件，包括穿接箱体4上表面且垂直于高精度直线运动组件位置的螺纹套筒，加载螺杆42与螺纹套筒通过螺纹连接，底部连接推力球轴承c43，推力球轴承c43底端连接法向定位块，法向定位块底部依次连接动态力传感器40、传感器轴向档位块41、静态力传感器2；力矩加载螺杆36与螺纹套筒通过螺纹连接、底部连接推力球轴承b37顶端，推力球轴承b37底端连接力矩加载轴向定位块38，力矩加载轴向定位块38底部与静态力传感器2连接。拧动加载螺杆42，加载螺杆42相对螺纹套筒向下移动，对试件组件施加法向静态力，动态力传感器40底部连接试件组件的上表面，加载螺杆42、推力球轴承c43、法向定位块、静态力传感器2、传感器轴向档位块41、动态力传感器40同轴连接激振结构；激振杆底部的螺纹连接上试件3顶部的螺纹孔，通过激振结构能够对试件组件的上部施加法向动态力。切向激振器6的切向激振杆5与上试件3侧表面直接接触，可通过其向试件结构加载切向激振力，并通过传感器进行测量。
静态力传感器2检测施加到上试件3的静态力大小；动态力传感器40检测施加到上试件3的动态力大小。
本发明的推力球轴承c43可以确保混合如润滑结合面上的压力分布均匀；法向定位块使推力球轴承c43与静态力传感器2的轴线位于同一轴心；传感器轴向档位块41使静态力传感器2与动态力传感器40的轴线位于同一轴心，保证加载力依次通过推力球轴承c43、法向定位块、静态力传感器2、传感器轴向档位块、动态力传感器40后均匀地施加在上试件3上表面。
激振结构包括布置在箱体上部和侧面的法向激振器1和切向激振器6，法向激振器1连接法向激振杆，切向激振器6连接切向激振杆5；法向激振杆依次穿过力矩加载螺杆36、推力球轴承b37、法向定位块、静态力传感器2、传感器轴向档位块41、动态力传感器40连接到上试件3顶部的螺纹孔，对上试件3的上部施加法向动态力；切向激振杆5与上试件3侧表面直接接触，切向激振器6通过切向激振杆5向上试件3加载切向激振力。
图7展示了试件组件，上试件3与下试件18上表面内部接触连接，并连接涡流位移传感器44和三轴加速度传感器39，三轴加速度传感器39可用于测量上试件3相对运动时产生的加速度，涡流位移传感器44可实时监测上试件3与下试件18在法/切向载荷作用时的相对动态位移量。上试件3连接法/切向静动态施力组件，下试件18连接高精度直线运动组件及齿轮传动机构，上试件3下表面和下试件18上表面直线形成混合润滑结合面。
如图8所示，上试件3、下试件18底部均为平面，下试件18上正对上试件3的区域加工限位槽，保证上试件3可在限位槽内滑动，限位槽内接触表面由10mm×10mm的均匀分布平面构成，用于存储润滑介质。
该试验装置通过旋转力矩加载螺杆、法/切向激振器将法/切向静、动态外载荷(Fns,Fnd)/(Fτs,Fτd)施加到混合润滑结合面上，通过伺服电机带动丝杠螺母25间接相连的工作台14使上、下试件18产生相对滑动运动，通过伺服电机带动锥齿轮传动机构使下试件18与上试件3之间发生相对转动运动。
以法向动态力作用在混合润滑接触面为例，假设，法向动态力为正弦激振力Fnd＝Fnmcos(ωt)，其物理模型可构建为：
Fn＝Fns+Fnd＝Fns+Fnm cos(ωt)＝FnA cos(ωt) (1)
其中，FnA为法向振动幅值，法向等效激振力Fnmcos(ωt)Fnmcos(ωt)在上试件3、下试件18分别产生的变形量为Xn1和Xn2，结合面的相对变形量为：
为激振力与变形量之间的相位差。相对变形速度为：
结合面的运动学方程为：
m1为上试件3质量；Kn和Cn分别为两试件的接触刚度及阻尼。为了获得结合面的接触刚度及阻尼，假设结合面为无质量的理想接触面，可得：
将式(2)、(3)代入(5)可得，结合面的接触刚度和阻尼公式分别如下分别为：
由式(6)、(7)可以发现：通过传感器可获得混合润滑结合面的法向振动幅值幅值FnA、角频率ω、变形量幅值Xnm和相位差即可测得混合润滑结合面法向接触动态刚度及阻尼(切向接触刚度及阻尼计算公式同理)。法向载荷与切向载荷共同作用时，根据FA＝FnA+FτA,可计算出FA，FτA为切向振动幅值，再求其接触刚度及阻尼参数。
实施例3
本发明用于测试混合润滑结合面接触刚度及阻尼，其安装使用方法为：
箱体底板15上先安装交流伺服电机b16、联轴器b27及滚珠丝杠螺母25副部件，并完成直线导轨24、滑块23及光栅尺13的固定安装，再将工作台14与滑块23通过螺钉固定连接。工作台14上，依次安装交流伺服电机a7、联轴器a10、轴承座11及小锥齿轮结构，然后将交流伺服电机b16驱动滚珠丝杠8，使工作台14移至便于安装下试件18的位置；将大锥齿轮主轴28安装在下试件18下侧固定位置，并依次安装轴承、键、大锥齿轮等部件，安装完成后利用螺钉将下试件18固定架固定在工作台表面，并完成整个锥齿轮传动结构。将上试件3放于试件固定环处，使上试件3与试件固定环同心；随后交流伺服电机b16驱动滚珠丝杠8，使工作台14中心位于施力组件中线下，将上试件3放入与工作台14相连的下试件18上，使上试件3的下表面与下试件18的上表面重合；将力矩加载螺杆拧入螺纹套筒中；再将力矩加载螺杆、推力球轴承c43、法向定位块、静态力传感器2、传感器轴向档位块、动态力传感器40依次从力矩加载螺杆底部放入；随后拧动力矩加载螺杆，使动态力传感与上试件3接触；随后在上试件3上装入三轴加速度传感器39及涡流位移传感器44。随后在下试件18上表面加入润滑介质，高精度直线运动组件带动下试件18与上试件3作相对匀速运动形成混合润滑结合面。
施加静态力时，通过旋转力矩加载螺杆，使其通过安装在箱体4上螺纹套筒产生向下运动，向下运动过程中力矩加载螺杆底部压住推力球轴承c43，将静态力均匀地传递给法向定位块，再通过静态力传感器2施加在传感器轴向挡块和动态力传感器40上，使动态力传感器40压在上试件3上表面，通过静态力传感器2可测得施加到上试件3的静态力。上试件3下表面与下试件18上表面接触，形成混合润滑结合面。对称分布在上试件3侧边的两个高精度非接触涡流位移传感器44用来实时监测上试件3与下试件18在法向的相对动态位移量，安装在上试件3的三轴加速度传感器39用于测量上试件3相对于下试件18的加速度。两试件的相对位移量通过安装在底板的光栅尺13主尺和安装在工作台14侧边的滑尺进行测量，间接获得上、下试件18的相对位移量，并与伺服电机驱动器给定的信号进行比较，从而采用差值实现位置的精确控制。通过伺服电机中的编码器获得伺服电机的旋转角速度，再根据丝杠螺母25的导程推算出两试件的相对运动速度。
施加法向动态力时，激振杆的顶部与激振器的轴端固定，采用橡皮筋将激振器悬挂至试验平台***的顶部，可以减少共振。激振力通过激振杆施加至上试件3。通过德国m+p公司开发的SOAnalyzer振动噪声试验***设定振动信号幅值及频率，通过m+p VibPilot输出到功率放大器，放大功率后传递给法向激振器1，控制激振器产生相应幅值和频率的激振力，激振力通过激振杆传递至上试件3，进而使其产生法向相对振动，动态变形量幅值及相位差通过动态力传感器40测得。将获得的数据代入至式(6)、(7)，即可获得混合润滑结合面法向动态接触刚度及阻尼。
施加切向动态力时，将激振杆的顶部与上试件3的侧端固定连接。激振力通过激振杆施加至上试件3。通过德国m+p公司开发的SOAnalyzer振动噪声试验***设定振动信号幅值及频率，通过m+p VibPilot输出到功率放大器，放大功率后传递给切向激振器6，控制激振器产生相应幅值和频率的激振力，激振力通过激振杆传递至上试件3，进而使其产生切向相对振动，动态变形量幅值及相位差通过动态力传感器40测得。将获得的数据代入至式(6)、(7)，即可获得混合润滑结合面切向动态接触刚度及阻尼。
通过旋转力矩加载螺杆、改变激振器的振动频率和幅值可实现静动态载荷大小的改变，获得法/切向载荷单独作用下外载荷对混合润滑结合面接触特性的影响规律及同时作用下的外载荷对混合润滑结合面接触特性的影响规律；通过改变试验装置中的试件材质、接触表面的加工方法及润滑介质，即可获得不同的材料性能、表面形貌特征及润滑介质属性对混合润滑结合面静动态接触性能的影响；通过改变上试件3下表面的加工方式，使上试件3与下试件18产生不同的匹配方式，获得接触各向同/异性对混合润滑结合面接触刚度及阻尼的影响；通过调节伺服电机的转速，改变上、下试件18的相对运动速度，获得相对速度对混合润滑结合面动态接触性能的影响。
Claims (10)
1.测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，包括激振结构、高精度直线运动组件、试件组件、锥齿轮传动机构；所述高精度直线运动组件固定安装在箱体底板(15)上；法向静动态动力组件穿接于箱体(4)顶部，且垂直于高精度直线运动组件连接的工作台(14)；安装锥齿轮传动机构及试件组件在高精度直线运动组件与法向静动态动力组件之间，通过施加载荷使上下试件内部形成相对运动结合面；切向静动态施力组件施加作用力在上下试件的切向方向，产生切向方向的静动态力，法向与切向载荷共同作用，使上下试件之间形成的混合润滑结合面在复杂载荷作用下产生相对振动。
2.根据权利要求1所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述高精度直线运动组件包括交流伺服电机b(16)，所述交流伺服电机b(16)固定在电机支座b(26)上；所述交流伺服电机b(16)的电机轴与箱体底板(15)水平面保持平行；所述交流伺服电机b(16)输出轴通过联轴器b(27)与滚珠丝杠(8)连接，滚珠丝杠(8)的末端安装的滚珠丝杠支撑座(30)固定安装在箱体底板(15)上表面，所述箱体底板(15)上设置有直线导轨(24)，所述直线导轨(24)位于箱体底板上表面滚珠丝杠(8)的两侧；所述直线导轨(24)上配合连接有滑块(23)，所述滑块(23)与工作台(14)固定连接，所述直线导轨(24)、滑块(23)对工作台(14)水平方向前后移动起限位作用；所述箱体底板(15)上固定有用于测量工作台(14)位移的光栅尺(13)；
所述工作台(14)通过螺母衬套(45)和丝杠螺母(25)与滚珠丝杠(8)相连；所述交流伺服电机b(16)通过联轴器b(27)带动滚珠丝杠(8)转动时，工作台(14)、螺母衬套(45)不发生转动，丝杠螺母(25)及螺母衬套(45)相对滚珠丝杠(8)发生前后移动，进而带动工作台(14)水平移动，实现上下试件的混合润滑结合面相对移动。
3.根据权利要求2所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述锥齿轮传动机构包括安装在工作台(14)上表面的交流伺服电机支座a(9)，所述交流伺服电机支座a(9)上固定安装有交流伺服电机a(7)，所述交流伺服电机a(7)输出轴通过联轴器a(10)与小锥齿轮主轴(35)连接；交流伺服电机支座a(9)及轴承座(11)固定安装在工作台(14)表面，保证小锥齿轮(33)主轴沿与工作台(14)中部的大锥齿轮主轴(28)垂直的平面安装；所述小锥齿轮主轴(35)上安装有深沟球轴承(34)、键及小锥齿轮(33)；小锥齿轮(33)与小锥齿轮主轴(35)通过键连接，实现轴与齿轮之间的周向固定与以传递运动和转矩。
4.根据权利要求3所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述工作台(14)上表面安装有下试件固定架(19)，所述大锥齿轮主轴(28)垂直正对高精度直线运动组件安装，大锥齿轮主轴(28)上的主要部件有圆锥滚子轴承(32)、大锥齿轮(31)、推力球轴承a(20)、下试件(18)和键；所述大锥齿轮(31)、下试件(18)与大锥齿轮主轴(28)之间均为键连接，推力球轴承a(20)及圆锥滚子轴承(32)分别安装在下试件固定架(19)的内外侧，下试件(18)与推力球轴承a(20)连接安装；所述交流伺服电机b(16)通过联轴器b(27)带动小锥齿轮主轴(35)进行旋转，锥齿轮啮合传动使大锥齿轮主轴(28)进行转动，经过推力球轴承a(20)传递转到下试件(18)，进而带动下试件(18)旋转；通过控制交流伺服电机a(10)可改变下试件(18)的转向和转速，使其与上试件(3)结合面之间发生相对旋转运动。
5.根据权利要求4所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述法向静动态施力组件和切静动态施力组件包括穿接箱体上表面且垂直于高精度直线运动组件位置的加载螺杆(42)和力矩加载螺杆(36)，所述加载螺杆(42)与螺纹套筒通过螺纹连接、底部连接推力球轴承c(43)，推力球轴承c(43)底端连接法向定位块，法向定位块底部依次连接动态力传感器(40)、传感器轴向档位块(41)、静态力传感器(2)；所述加载螺杆(42)相对螺纹套筒向下移动，能够对试件组件施加法向静态力；所述动态力传感器(40)连接在上试件(3)的上表面；加载螺杆(42)、推力球轴承c(43)、法向定位块、静态力传感器(2)、传感器轴向档位块(41)、动态力传感器(40)同轴连接激振结构；
所述力矩加载螺杆(36)与螺纹套筒通过螺纹连接、底部连接推力球轴承b(37)顶端，推力球轴承b(37)底端连接力矩加载轴向定位块(38)，力矩加载轴向定位块(38)底部与静态力传感器(2)连接；
所述静态力传感器(2)用于检测施加到上试件的静态力大小；所述动态力传感器(40)用于检测施加到上试件的动态力大小；
所述法向定位块使推力球轴承a(20)与静态力传感器(2)的轴线位于同一轴心；所述传感器轴向档位块(41)使静态力传感器(2)与动态力传感器(40)的轴线位于同一轴心，保证加载力依次通过推力球轴承a(20)、法向定位块、静态力传感器(2)、传感器轴向档位块(41)、动态力传感器(40)后均匀地施加在上试件(3)上表面。
6.根据权利要求5所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述激振结构包括布置在箱体上部和侧面的法向激振器(1)和切向激振器(6)，所述法向激振器(1)连接法向激振杆，所述切向激振器(6)连接切向激振杆(5)；所述法向激振杆依次穿过力矩加载螺杆(36)、推力球轴承b(37)、法向定位块、静态力传感器(2)、传感器轴向档位块(41)、动态力传感器(40)连接到上试件(3)顶部的螺纹孔，对上试件(3)的上部施加法向动态力；所述切向激振杆(5)与上试件(3)侧表面直接接触，切向激振器(6)通过切向激振杆(5)向上试件(3)加载切向激振力。
7.根据权利要求3所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述试件组件包括上下表面接触连接的上试件(3)与下试件；所述上试件(3)连接涡流位移传感器(44)和三轴加速度传感器(39)，所述三轴加速度传感器(39)用于测量上试件(3)相对运动时产生的加速度；所述涡流位移传感器(44)可实时监测上试件(3)与下试件(18)在法/切向载荷作用时的相对动态位移量；所述下试件(18)连接高精度直线运动组件及齿轮传动机构，所述上试件(3)下表面和下试件(18)上表面直线形成混合润滑结合面。
8.根据权利要求7所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置，其特征在于，所述上试件(3)与下试件(18)底部均为平面，下试件(18)上正对上试件(3)的区域加工限位槽，保证上试件(3)可在限位槽内滑动，限位槽内接触表面由10mm×10mm的均匀分布平面构成，用于存储润滑介质。
9.测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法，其特征在于，通过旋转力矩加载螺杆、法/切向激振器将法/切向静、动态外载荷施加到混合润滑结合面上，通过伺服电机带动丝杠螺母间接相连的工作台使上、下试件产生相对滑动运动，通过伺服电机带动锥齿轮传动机构使下试件与上试件之间发生相对转动运动。
10.根据权利要求9所述的测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
以法向动态力作用在混合润滑接触面为例，法向动态力为正弦激振力Fnd＝Fnmcos(ωt)，其物理模型可构建为：
Fn＝Fns+Fnd＝Fns+Fnmcos(ωt)＝FnAcos(ωt) (1)
其中，FnA为法向振动幅值，Fns为法向静态力，Fnd为法向动态力，法向等效激振力Fnmcos(ωt)在上、下试件分别产生的变形量为Xn1和Xn2，结合面的相对变形量为：
其中，为激振力与变形量之间的相位差；
相对变形速度为：
结合面的运动学方程为：
其中，m1为上试件的质量；Kn和Cn分别为两试件的接触刚度及阻尼；为了获得结合面的接触刚度及阻尼，设结合面为无质量的理想接触面，可得：
将式(2)、(3)代入(5)可得，结合面的接触刚度Kn和阻尼Cn公式分别如下：
由式(6)、(7)可以发现：通过传感器可获得混合润滑结合面的法向激振幅值FnA、角频率ω、变形量幅值Xnm和相位差即可测得混合润滑结合面法向接触动态刚度及阻尼，切向接触刚度及阻尼计算公式同理；法向载荷与切向载荷共同作用时，根据FA＝FnA+FτA,可计算出FA，FτA为切向振动幅值，再求其接触刚度及阻尼参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311579355.6A CN117606773A (zh) | 2023-11-23 | 2023-11-23 | 测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311579355.6A CN117606773A (zh) | 2023-11-23 | 2023-11-23 | 测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117606773A true CN117606773A (zh) | 2024-02-27 |
Family
ID=89954296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311579355.6A Pending CN117606773A (zh) | 2023-11-23 | 2023-11-23 | 测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117606773A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117944095A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 变力矩式可控时变刚度柔性基座 |
-
2023
- 2023-11-23 CN CN202311579355.6A patent/CN117606773A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117944095A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 变力矩式可控时变刚度柔性基座 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103712791B (zh) | 一种主轴轴向动刚度测试装置 | |
| CN106525412B (zh) | 一种回转工作台部件综合性能检测平台及检测方法 | |
| CN103926077B (zh) | 一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置 | |
| CN103389205B (zh) | 一种检测滚珠丝杠副加载状态下综合性能的装置 | |
| CN201974359U (zh) | 一种端面扭动摩擦磨损试验机 | |
| CN117606773A (zh) | 测试复杂载荷下润滑结合面接触刚度及阻尼的装置和方法 | |
| CN105588718A (zh) | 机床主轴综合性能检测/监测试验***及方法 | |
| CN103940471B (zh) | 直线导轨摩擦力及制造安装误差综合测量装置 | |
| CN107238497B (zh) | 一种卧式往复旋转减速机产品综合试验测试台 | |
| CN104880308B (zh) | 一种主轴轴向力等静压加载装置 | |
| CN105651511A (zh) | 圆柱齿轮动力学性能实验装置 | |
| CN205426517U (zh) | 机床主轴综合性能检测/监测试验*** | |
| CN110207981B (zh) | 一种无损滚珠丝杠副静刚度测量装置 | |
| CN103900813A (zh) | 一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置 | |
| CN206002306U (zh) | 丝杠、导轨应用***模拟工况实验台 | |
| CN104792640B (zh) | 一种滚珠丝杠副磨损测量试验台 | |
| CN212931871U (zh) | 一种油膜测量仪的可旋转自动加载装置 | |
| CN108490878B (zh) | 一种数控机床组合直线进给单元磨损规律试验方法 | |
| CN110455247B (zh) | 一种适用于粗糙度轮廓仪的齿轮夹具 | |
| CN107598194B (zh) | 一种能模拟工况条件的机床主轴试车平台 | |
| CN110887590A (zh) | 一种高速轴承摩擦试验机 | |
| Xu et al. | Load-dependent stiffness model and experimental validation of four-station rotary tool holder | |
| CN109187330B (zh) | 一种变工况条件下摩擦系数测量方法 | |
| JP2000105170A (ja) | 主軸ユニットの耐久試験装置 | |
| CN214250916U (zh) | 一种以中心孔为轴线基准的轴类零件测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |