結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量裝置與測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及結(jié)合面理論研究領(lǐng)域中真實(shí)接觸面積測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種結(jié) 合面真實(shí)接觸面積測量裝置與測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械結(jié)構(gòu)是由許多零部件按一定功能要求結(jié)合起來的整體，相互接觸的表面稱之 為結(jié)合面。大量結(jié)合面的存在，使得機(jī)械系統(tǒng)的連續(xù)性被破壞，極大程度地影響了整機(jī)靜 動態(tài)特性。研究表明，機(jī)床中結(jié)合面的接觸剛度約占機(jī)床總剛度的60 %~80 %，結(jié)合面的 接觸阻尼占機(jī)床全部阻尼的90 %W上，結(jié)合面引起的變形量約占機(jī)床總變形量的40 %~ 60%。因此，開展結(jié)合面微觀接觸機(jī)理與動態(tài)特性研究是機(jī)械系統(tǒng)由單件分析走向整機(jī)分 析的關(guān)鍵，是整機(jī)性能預(yù)測的基礎(chǔ)。
[0003] 由于結(jié)合面真實(shí)接觸面積僅僅是名義接觸面積很小一部分，且實(shí)際接觸面積的大 小對整體性能起著決定性的影響。而目前對真實(shí)接觸面積的研究主要處于理論研究階段， 多數(shù)研究是通過建立表面接觸模型，然后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，在實(shí)驗(yàn)研究方面則相對較少。 為了準(zhǔn)確獲得結(jié)合面微觀接觸靜動態(tài)特性，系統(tǒng)地研究和探明結(jié)合面微觀接觸機(jī)理，需要 一套完整的測試結(jié)合面真實(shí)接觸面積的裝置與方法，而目前還沒有相關(guān)測試結(jié)合面真實(shí)接 觸面積的實(shí)驗(yàn)裝置與測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種測試結(jié)合面真實(shí)接觸面積的測量 裝置和測量方法。該測量裝置通過力矩扳手梓緊螺栓從而獲得所需的預(yù)緊力，通過力的傳 遞將兩試件緊密結(jié)合，利用超聲波在沒有真正接觸的區(qū)域，超聲波將在接觸面上發(fā)生反射， 在有實(shí)質(zhì)性接觸的區(qū)域，超聲波將從接觸面透射過去運(yùn)一原理，獲得結(jié)合面真實(shí)接觸面積。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：
[0006] 結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量裝置，包括：超聲探頭、上試件、支架、下試件、電滿流傳 感器、鋼球、基座、螺栓、應(yīng)變片、電橋、動態(tài)應(yīng)變儀、力矩扳手、超聲波發(fā)生器/接收器、超聲 波數(shù)據(jù)采集卡、信號采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；超聲探頭放置上試件上，用于測量結(jié)合面真實(shí)接觸 面積的大小；上試件與支架緊固在一起；下試件設(shè)置于上試件與基座之間，基座與下試件 之間安裝有中屯、鋼球，基座上設(shè)有針對中屯、鋼球的中屯、螺紋孔，中屯、螺紋孔中安裝有螺栓； 螺栓與中屯、鋼球接觸，中屯、鋼球與下試件接觸，上試件與下試件相互接觸；電滿流傳感器與 下試件相連，用于測試結(jié)合面的變形量；電滿流傳感器的輸出端通過信號采集系統(tǒng)連接計(jì) 算機(jī)；通過超聲探頭通過超聲波發(fā)生器/接收器和超聲波數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)，用于檢 測不同預(yù)緊力下結(jié)合面的聲阻抗和穿透力相關(guān)數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。
[0007] 進(jìn)一步的，所述螺栓為10. 9S級高強(qiáng)度扭剪型螺栓；螺桿軸屯、處內(nèi)置應(yīng)變片，通過 電橋和動態(tài)應(yīng)變儀能夠測量螺栓預(yù)緊力的大小；應(yīng)變片通過動態(tài)應(yīng)變儀和信號采集系統(tǒng)連 接計(jì)算機(jī)。
[0008] 進(jìn)一步的，下試件與基座之間布置五個鋼球，五個鋼球的布置方式為：一個布置在 與基座的中屯、處，用于傳遞力，另外四個均布在基座垂直軸線上，用于支撐下試件和調(diào)整下 試件的同軸度。
[0009] 進(jìn)一步的，電滿流傳感器對稱布置下試件的兩側(cè)。
[0010] 進(jìn)一步的，上試件與支架之間的連接是過盈配合。
[0011] 進(jìn)一步的，通過力矩扳手調(diào)節(jié)螺栓的預(yù)緊力，能夠獲得不同預(yù)緊力下結(jié)合面的變 形，從而能夠獲得結(jié)合面力與位移之間的關(guān)系，根據(jù)力與位移之間的關(guān)系獲得結(jié)合面的接 觸剛度。
[0012] 進(jìn)一步的，上試件和下試件采用相同或者不同材料進(jìn)行配對；兩接觸面的加工方 式相同或不同；結(jié)合面加潤滑油或不加任何潤滑油。
[0013] 結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量方法，基于結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量裝置，當(dāng)螺栓預(yù)緊 力確定后，上試件和下試件相互接觸，根據(jù)超聲探頭獲得聲阻抗和穿透力，通過公式運(yùn)算計(jì) 算出結(jié)合面真實(shí)接觸面；具體包括W下步驟：
[0014] (a)通過超聲探頭測量上試件和下試件的聲阻抗Zi和Z2,根據(jù)式（1)求反射系數(shù)：
[001 引
(1)
[0016] 化）通過超聲探頭測量接觸區(qū)和非接觸區(qū)的穿透力，根據(jù)（2)求得結(jié)合面處超聲 波的穿透力：
[0017] h=h，+h" 似
[0018] 式中，h'表示非接觸區(qū)超聲波的反射穿透力，h"表示接觸區(qū)超聲波的反射穿透 力；
[0019] (C)根據(jù)式（1)和式似，計(jì)算結(jié)合面的接觸率：
[0020]
巧）
[0021] 式中，h。表示無結(jié)合面結(jié)構(gòu)的反射穿透力；
[0022] (d)根據(jù)接觸率和名義接觸面積，求得真實(shí)接觸面積：
[0023] Ar=An (4)
[0024] 式中，A表示名義接觸面積。
[0025] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0026] (1)從實(shí)驗(yàn)裝置可看出，測試出來的相關(guān)數(shù)據(jù)僅僅是上下試件結(jié)合面中所包含的 相關(guān)信息，無需甄別、分離和提取其他因素?cái)z入的信息，而且采用的是直接測量法。
[0027] (2)為了便于研究表面粗糖度、材料、介質(zhì)等因素對結(jié)合面微觀接觸特性的影響， 本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于更換、易于定位，能夠進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。
[0028] (3)在下試件中設(shè)置兩個電滿流傳感器，既可保證裝置的同軸度，又可檢驗(yàn)上下試 件接觸時(shí)變形量是否相同，從而可驗(yàn)證模型正確性。
[0029] (4)通過將螺栓中植入應(yīng)變片的方法，可W方便獲取螺栓預(yù)緊力的大小，從而能夠 獲得不同預(yù)緊力與結(jié)合面真實(shí)接觸面積之間的關(guān)系。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量裝置的原理圖。
[0031] 圖2是本測量裝置上試件圖。
[0032] 圖3是本測量裝置下試件圖。
[0033] 圖4是本測量裝置基座俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 如圖1至圖4所示，本發(fā)明一種結(jié)合面真實(shí)接觸面積測量裝置包括：超聲探頭1、 上試件2、支架3、下試件4、電滿流傳感器5、鋼球6、基座7、螺栓8、應(yīng)變片、電橋、動態(tài)應(yīng)變 儀、力矩扳手、超聲波發(fā)生器/接收器、超聲波數(shù)據(jù)采集卡、信號采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。
[0035] 超聲探頭1放置上試件2上，用于測量結(jié)合面真實(shí)接觸面積的大?。簧显嚰?與支 架3緊固在一起；下試件4設(shè)置于上試件2與基座7之間，基座7與下試件4之間安裝有中 屯、鋼球6,基座7上設(shè)有針對中屯、鋼球6的中屯、螺紋孔，中屯、螺紋孔中安裝有螺栓8 ;通過力 矩扳手給螺栓8施加預(yù)緊力，使得螺栓8與中屯、鋼球6接觸，中屯、鋼球6與下試件4接觸， 最終使得上試件2與下試件4相互接觸；電滿流傳感器5與下試件4相連，通過預(yù)緊力的改 變，可測試結(jié)合面的變形量；電滿流傳感器5的輸出端通過信號采集系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)；通過 超聲探頭1、超聲波發(fā)生器/接收器和超聲波數(shù)據(jù)采集卡，可檢測不同預(yù)緊力下結(jié)合面的聲 阻抗和穿透力相關(guān)數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。
[0036] 螺栓8為10. 9S級高強(qiáng)度扭剪型螺栓，可W重復(fù)使用而不改變其力學(xué)性