專利名稱：一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種測試結(jié)合面法向動態(tài)特性的裝置，屬于機械設(shè)計與制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機械結(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，零部件之間相互結(jié)合 的表面稱為“結(jié)合面”。結(jié)合面既存在接觸剛度又存在接觸阻尼，它們對結(jié)構(gòu)動態(tài)性能影響 很大，作用機理非常復(fù)雜。影響結(jié)合面動態(tài)特性的因素很多，而且十分復(fù)雜，這些因素主要 有(1)結(jié)合面材質(zhì)(包括材料、硬度等)；(2)結(jié)合面的加工方法(常用方法車、銑、刨、磨、刮等)；(3)結(jié)合面的加工質(zhì)量(包括表面粗糙度、波紋度、平面度)；(4)結(jié)合面的介質(zhì)狀況(包括干結(jié)合面、有油結(jié)合面)；(5)結(jié)合面的法向面壓(簡稱面壓)；(6)結(jié)合面的動載荷性質(zhì)(法向力、切向力、扭矩、彎矩)和大?。?7)結(jié)合面間的相對位移性質(zhì)(法向位移、切向位移、轉(zhuǎn)角)、大小和相位差(與結(jié) 合面上的動載荷之間的相位差)；(8)振動頻率；(9)結(jié)合面的功能(固定結(jié)合面、運動結(jié)合面等)；(10)結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)類型和尺寸大小等。這么眾多的影響因素，再加之它們的影響規(guī)律又多為非線性，而且有些因素相互 間又有影響，從而無法以理論解析的方法直接確定它們的影響規(guī)律和影響程度的大小，必 須通過實驗研究的方法來予以解決。為了系統(tǒng)地研究和探明結(jié)合面動態(tài)特性與其基本影響因素之間的關(guān)系，并掌握結(jié) 合面動態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)，需要一套完整的測試結(jié)合面法向動態(tài)特性的裝置與方法，而目前 還沒有有關(guān)測試結(jié)合面法向動態(tài)特性的裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是設(shè)計一套通過激振器激振，使用LMS模態(tài)測試系統(tǒng)獲得加速 度信號，并進行模態(tài)分析，得到單位面積結(jié)合面動態(tài)特性的測試結(jié)合面法向動態(tài)特性的裝 置與方法，利用該裝置可獲得各種結(jié)合條件(即各種不同的基本影響因素)下結(jié)合面的動 態(tài)特性參數(shù)(法向和切向的剛度與阻尼)，獲取整體結(jié)構(gòu)的固有特性(模態(tài)振型、固有頻率、 阻尼比、頻響函數(shù)等)，利用頻響函數(shù)辨識出結(jié)合面的等效動力學(xué)參數(shù)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。設(shè)計一種測試結(jié)合面動態(tài) 特性裝置，包括實驗平臺、激振器、上試件、下試件、力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、 LMS模態(tài)測試系統(tǒng)和PC機。實驗平臺上固定一個倒U型支架，激振器放置在支架上面，上 試件和下試件放置在支架下面，激振器的輸出向下通過頂桿頂在上試件上面，在頂桿和上試件之間放置力傳感器；上試件下面放置下試件，上試件與下試件以平面接觸，其接觸面的 大小以不發(fā)生邊緣效應(yīng)為準(zhǔn)；激振器通過其外殼固定在支架上面，將一水平剛性平板置于 激振器上面，剛性平板通過支桿固定在激振器的外殼或支架上，將一螺桿頂于激振器上面 并穿過剛性平板，螺桿通過調(diào)節(jié)螺母固定于剛性平板；螺桿、激振器、頂桿、測力傳感器、上 試件、下試件成直線配置；上試件設(shè)有測試平臺，測試平臺上安裝加速度傳感器和位移傳感 器；力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器的輸出接至LMS模態(tài)測試系統(tǒng)，LMS模態(tài)測試系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)輸出送至PC機，LMS模態(tài)測試系統(tǒng)的測試信號輸出經(jīng)功率放大器接到激振器。所述上試件為圓柱 體，圓柱體頂面與力傳感器接觸，圓柱體底面與下試件接觸，圓 柱體中部設(shè)有以圓柱體為中心軸的圓形測試平臺；所述下試件為圓形平臺，圓形平臺中心 設(shè)有與上試件圓柱體底面對應(yīng)的圓柱形突起，圓形平臺中設(shè)有螺栓孔，下試件通過螺栓固 定于實驗平臺；上試件的圓柱體和下試件的圓柱形突起外面套有套筒。所述加速度傳感器和位移傳感器通過膠或磁片固定在測試平臺上。所述加速度傳感器和位移傳感器相對力傳感器對稱放置。所述支桿安裝在磁性表座上，磁性表座吸附在激振器外殼上，既簡便也保證了剛 性平板有效與激振器作用。為了測試各種材料的結(jié)合面的特性，所述上試件和下試件的材料采用Q235-Q235 或 HT250-HT250 或 QT600-QT600。為了測試各種情況下的結(jié)合面的特性，所述上試件和下試件的表面粗糙度為精 銑_精銑或磨_磨。并且所述上試件和下試件間加20號機械油。所述激振器采用型號為HEV-2的激振器；所述位移傳感器采用型號為DT3010+U05 的位移傳感器；所述加速度傳感器采用型號為BK57084的加速度傳感器；所述力傳感器采 用型號為BK55687的力傳感器。上述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置來進行結(jié)合面等效動力學(xué)參數(shù)辨識的方法，利用辨識整體結(jié)構(gòu)的基本方程式(X1-X2) = HF其中，X1-X2表示上下試件之間的相對位移，通過位移傳感器測試獲取，H表示結(jié)合面的頻響函數(shù)，通過加速度傳感器獲取，F(xiàn)表示結(jié)合面所受的外力(簡諧力)，通過測力傳感器獲取，利用子結(jié)構(gòu)綜合法，將整體結(jié)構(gòu)分解為包含上試件的子結(jié)構(gòu)1、包含下試件的子結(jié) 構(gòu)2和結(jié)合面三個部分，子結(jié)構(gòu)1和子結(jié)構(gòu)2可通過有限元方法計算出其動態(tài)特性，結(jié)合面 部分的動態(tài)特性則可利用子結(jié)構(gòu)1，子結(jié)構(gòu)2和整體的動態(tài)特性，即可辨識出來。本實用新型的優(yōu)點在于(1)從實驗裝置(圖1)可看出，測試出來的特性參數(shù)僅僅是上下試件之間的結(jié)合 面部分特性，減少了測量的物理量的個數(shù)，而且采用的是直接測量法；(2)為了便于對影響結(jié)合面動態(tài)特性的各基本影響因素進行研究，本實驗裝置中 的試件易于更換、易于定位；(3)由于僅僅是測試上下試件之間結(jié)合面的動態(tài)特性，所以能夠保證結(jié)合面動態(tài) 特性從實驗裝置系統(tǒng)的動特性中較容分離出來。
圖1是本實用新型測試結(jié)合面法向動態(tài)特性的原理圖。圖2是本實用新型測試結(jié)合面法向動態(tài)特性裝置一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2所示實施例中的上試件主視圖。圖4是圖2所示實施例中的下試件俯視圖。圖5是本實用新型所用子結(jié)構(gòu)綜合法中的結(jié)合部等效模型圖。圖中1、實驗平臺，2、支架，3、加速度傳感器，4、頂桿，5、剛性平板，6、支桿，7、螺 桿，8、激振器，9、磁性表座，10、力傳感器，11、位移傳感器，12、上試件，13、套筒，14、下試件， 15、測試平臺。
具體實施方式
下面結(jié)合工作原理和結(jié)構(gòu)附圖對本實用新型的測試合面法向動態(tài)特性裝置作進 一步詳細(xì)說明。如圖1至4所示，下試件14通過螺栓孔用螺栓固定在實驗平臺1，下試件14中心 有圓柱形突起的與上試件12對應(yīng)的結(jié)合面，下試件14通過突起的結(jié)合面與圓柱形上試件 12的端面接觸。在上試件12與下試件14結(jié)合處套一個套筒13，這樣既保證了上、下試件 之間的充分結(jié)合，又保證了上、下試件之間的同軸度。上試件12的另一端面通過頂桿4接于激振器8的輸出端，在上試件12的端面與 頂桿4之間放置力傳感器10。激振器8通過支架2安裝在上、下試12、14件的上部。并且設(shè)置一個剛性平板5在 激振器8上面，剛性平板5利用吸于激振器8外殼上的磁性表座9及磁性表座9上的支桿 6安裝在激振器8上面(如圖1)。激振器8頂部豎直安裝螺桿7，螺桿7穿過剛性平板5， 螺桿7上在剛性平板5兩側(cè)旋有調(diào)節(jié)螺母。螺桿7、頂桿4、上試件12、下試件14成直線配 置，通過螺桿7上的調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)結(jié)合面的面壓，使上試件12與下試件14充分地結(jié)合。在上試件12上設(shè)置測試平臺15，在測試平臺15上對稱安裝加速度傳感器3和位 移傳感器11，加速度傳感器3和位移傳感器11通過磁片固定在測試平臺上。力傳感器10、 加速度傳感器3、位移傳感器11的輸出接至LMS模態(tài)測試系統(tǒng)，LMS模態(tài)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸 出送至PC機，LMS模態(tài)測試系統(tǒng)的測試信號輸出經(jīng)功率放大器接到激振器8，該測試信號可 通過PC機調(diào)節(jié)頻率和振幅。使用時，保持激振器8的激振頻率不變，改變激振力幅值，對上試件12進行激振， 通過測力傳感器10來獲取測量結(jié)合面靜態(tài)預(yù)載荷大小，和檢測動態(tài)激勵力，通過位移傳感 器11來檢測結(jié)合面間法向動態(tài)相對位移的大小，通過加速度傳感器3來獲取被測試件的頻 響函數(shù)。獲取不同激勵信號下的響應(yīng)后，運用頻響函數(shù)辨識法即可獲取結(jié)合面動態(tài)特性參 數(shù)。調(diào)整螺桿7上的調(diào)節(jié)螺母可多次改變面壓值，最終，通過不同面壓來研究結(jié)合面法向動 剛度受面壓的影響。利用本裝置可以做下面兩類實驗(1)在一定的結(jié)合條件下(結(jié)合面的面積、粗糙度、結(jié)合面之間的介質(zhì)等一定的情 況下)，對結(jié)合面施加某一面壓(改變面壓)，激振頻率和激振力幅值保持不變，來探討和研 究結(jié)合面面壓對結(jié)合面法向動剛度的影響。[0048](2)在一定的結(jié)合條件下(結(jié)合面的面積、粗糙度、結(jié)合面之間的介質(zhì)等一定的情 況下)，對結(jié)合面施加某一面壓(保持面壓一定)，保持激振頻率保持不變，通過改變激振力 幅值以改變結(jié)合面間的動態(tài)相對位移幅值大小，來探討和研究結(jié)合面動態(tài)特性與結(jié)合面間 的動態(tài)相對位移幅值間的關(guān)系。實驗時，上試件12和下試件14可以更換不同類型，可以是如Q235-Q235、 HT250-HT250、QT600-QT600等不同材料，可以是精銑-精銑、磨-磨等不同表面粗糙度。還 可以在上試件12和下試件14之間加介質(zhì)，如20號機械油。獲取結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)是利用頻響函數(shù)法進行結(jié)合面等效動力學(xué)參數(shù)辨識，其 辨識整體結(jié)構(gòu)的基本方程式為(X1-X2)=HF 其中，X1-X2表示上下試件之間的相對位移，可以通過位移傳感器(11)測試獲??；H 表示結(jié)合面的頻響函數(shù)，通過加速度傳感器3來獲??；F表示結(jié)合面所受的外力(簡諧力)， 通過測力傳感器10來獲取。整體結(jié)構(gòu)中包含有結(jié)合面的部分，所以，利用子結(jié)構(gòu)綜合法，將整體結(jié)構(gòu)分解為子 結(jié)構(gòu)1 (上試件)、子結(jié)構(gòu)2 (下試件)和結(jié)合面三個部分，子結(jié)構(gòu)1和子結(jié)構(gòu)2可通過有限 元方法計算出其動態(tài)特性，結(jié)合面部分的動態(tài)特性則可利用子結(jié)構(gòu)1，子結(jié)構(gòu)2和整體的動 態(tài)特性，即可辨識出來。具體辨識過程如下1.建立動力學(xué)模型任何結(jié)構(gòu)都可通過要辨識的結(jié)合部將結(jié)構(gòu)分成子結(jié)構(gòu)1與子結(jié)構(gòu)2。如圖5所示， “a”，“b”分別表示子結(jié)構(gòu)1與子結(jié)構(gòu)2的非結(jié)合部區(qū)域；“C”表示子結(jié)構(gòu)1，2的結(jié)合部區(qū)域。根據(jù)子結(jié)構(gòu)方法，子結(jié)構(gòu)1的頻響函數(shù)表達式為
l^jJ'Lt^Ji [Hbb\\\{fb}x\子結(jié)構(gòu)2的頻響函數(shù)表達式為
{^}2)_ΓΚ]2 Κ]21 {Λ}21…
iw2}一Ikj2 KLjli/jj(2)其中，[H]表示頻響函數(shù)；下標(biāo)“1 2”表示子結(jié)構(gòu)1和子結(jié)構(gòu)2。為了符合各子結(jié)構(gòu)與連接部分的力平衡條件{fb}1+{fb}2 = {f}(3)其中，{fb}17此}2表示結(jié)合部處所產(chǎn)生的內(nèi)力；{f}表示結(jié)合部處所受的外力。假設(shè)結(jié)合部處不受外力的作用，即{f} = 0，則{fb}1 = -{fb}2(4)由⑷式可知，子結(jié)構(gòu)1與子結(jié)構(gòu)2所受到的內(nèi)力方向相反，幅值相同。依據(jù)頻響函數(shù)的定義{xb}1-{xb}2 = [Hj] {fb}1(5)其中，{xb}1-{xb}2 表示結(jié)合部處受到內(nèi)力所產(chǎn)生的位移；[Hj]表示結(jié)合部處的頻 響函數(shù)。
權(quán)利要求一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，包括實驗平臺(1)、激振器(8)、上試件(12)、下試件(14)、力傳感器(10)、加速度傳感器(3)、位移傳感器(11)、LMS模態(tài)測試系統(tǒng)和PC機；其特征在于實驗平臺(1)上固定一個倒U型支架(2)，激振器(8)放置在支架(2)上面，上試件(12)和下試件(14)放置在支架(2)下面，激振器(8)的輸出向下通過頂桿(4)頂在上試件(12)上面，在頂桿(4)和上試件(12)之間放置力傳感器(10)；上試件(12)下面放置下試件(14)，上試件(12)與下試件(14)以平面接觸，其接觸面的大小以不發(fā)生邊緣效應(yīng)為準(zhǔn)；激振器(8)通過其外殼固定在支架(2)上面，將一水平剛性平板(5)置于激振器(8)上面，剛性平板通過支桿(6)固定在激振器(8)的外殼或支架(2)上，將一螺桿(7)頂于激振器(8)上面并穿過剛性平板(5)，螺桿(7)通過調(diào)節(jié)螺母固定于剛性平板(5)；螺桿(7)、激振器(8)、頂桿(4)、測力傳感器(10)、上試件(12)、下試件(14)成直線配置；上試件(12)設(shè)有測試平臺，測試平臺上安裝加速度傳感器(3)和位移傳感器(11)；力傳感器(10)、加速度傳感器(3)、位移傳感器(11)的輸出接至LMS模態(tài)測試系統(tǒng)，LMS模態(tài)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出送至PC機，LMS模態(tài)測試系統(tǒng)的測試信號輸出經(jīng)功率放大器接到激振器(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于所述上試件 (12)為圓柱體，圓柱體頂面與力傳感器(10)接觸，圓柱體底面與下試件(14)接觸，圓柱體 中部設(shè)有以圓柱體為中心軸的圓形測試平臺；所述下試件(14)為圓形平臺，圓形平臺中心 設(shè)有與上試件(12)圓柱體底面對應(yīng)的圓柱形突起，圓形平臺中設(shè)有螺栓孔，下試件(14)通 過螺栓固定于實驗平臺(1)；上試件(12)的圓柱體和下試件(14)的圓柱形突起外面套有 套筒(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于加速度傳 感器(3)和位移傳感器(11)通過膠或磁片固定在測試平臺上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于加速度傳感器 (3)和位移傳感器(11)相對力傳感器(10)對稱放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于所述支桿 (6)安裝在磁性表座(9)上，磁性表座(9)吸附在激振器⑶外殼上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于所述上試 件(12)和下試件(14)的材料采用 Q235-Q235 或 HT250-HT250 或 QT600-QT600。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置及方法，其特征在于所 述上試件(12)和下試件(14)的表面粗糙度為精銑-精銑或磨-磨。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于所述上試 件(12)和下試件(14)間加20號機械油。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，其特征在于所述激振 器采用型號為HEV-2的激振器；所述位移傳感器采用型號為DT3010+U05的位移傳感器；所 述加速度傳感器采用型號為BK57084的加速度傳感器；所述力傳感器采用型號為BK55687 的力傳感器。
專利摘要一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置，屬于機械設(shè)計與制造領(lǐng)域。將激振器(8)與力傳感器(10)通過頂桿(4)相連接，上試件(12)連接在力傳感器(10)的另一端，位移傳感器(11)與加速度傳感器(3)對稱布置在上試件(12)的兩側(cè)。用激振器激振上試件，獲取加速度信號、位移信號和力信號，將各信號傳送給LMS模態(tài)測試系統(tǒng)，經(jīng)過LMS模態(tài)測試系統(tǒng)處理后送至計算機，計算機根據(jù)加速度、位移與力信號獲取被測試件的頻響函數(shù)，根據(jù)頻響函數(shù)即可辨識出上、下試件之間結(jié)合面法向動態(tài)特性參數(shù)。本實用新型解決了結(jié)合面處動態(tài)特性難以測試的問題，可以方便的將結(jié)合面法向動態(tài)特性從實驗裝置系統(tǒng)的動特性中分離出來。
文檔編號G01M99/00GK201773012SQ201020507710
公開日2011年3月23日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者劉志峰, 李玲, 蔡力鋼, 郭鐵能 申請人:北京工業(yè)大學(xué)