本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種確定金屬材料接觸碰撞變形指數(shù)的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中，兩構(gòu)件通過點(diǎn)接觸或線接觸而構(gòu)成的高副屬于基本運(yùn)動(dòng)副之一。為了精確計(jì)算高副中兩個(gè)構(gòu)件之間在相對滑動(dòng)導(dǎo)致的磨損，往往需要獲得兩構(gòu)件之間接觸中發(fā)生的碰撞力及其材料接觸變形信息，而碰撞力與材料接觸變形的關(guān)系為冪指數(shù)(即接觸碰撞指數(shù))關(guān)系，當(dāng)然，兩種不同金屬材料構(gòu)成的構(gòu)件在接觸碰撞過程中，碰撞力與材料接觸變形的關(guān)系也為冪指數(shù)關(guān)系，而接觸碰撞的金屬材料不同，該冪指數(shù)也不同。

一旦能夠精確獲得該冪指數(shù)，則可以獲得高副中兩金屬材料之間碰撞力與材料接觸變形的精確關(guān)系，從而有利于計(jì)算高副中兩金屬材料之間的磨損壽命。

目前接觸碰撞中冪指數(shù)的計(jì)算值是通過理論推導(dǎo)出來，但是在理論推導(dǎo)中沒有考慮金屬材料特性異同這一關(guān)鍵因素，實(shí)際上，不同材料接觸碰撞，其對應(yīng)的冪指數(shù)是不一樣的，如圖1所示為兩種金屬材料(材料1與材料2)的碰撞示意圖，材料1和材料2在接觸碰撞中沿著公切線方向相對滑動(dòng)，其相對滑動(dòng)速度為V1，F(xiàn)_N和F_N'為大小相等方向相反的法向碰撞力，該碰撞力和變形量的關(guān)系是F_N＝Kδⁿ (1)，其中，K為剛度系數(shù)，δ為變形量，n為接觸變形的冪指數(shù)也即接觸碰撞的變形指數(shù)，實(shí)際碰撞力，不同材料接觸碰撞時(shí)K和n都不同，因此，理論推導(dǎo)結(jié)果與實(shí)際情況不相符，難以應(yīng)用，導(dǎo)致目前業(yè)界還未給出不同接觸碰撞的金屬材料對應(yīng)的變形指數(shù)的確定方法，也無法通過有效地試驗(yàn)裝置來確定金屬材料接觸碰撞指數(shù)。

有鑒于此，本發(fā)明人研制出一種可快速有效地確定金屬材料接觸碰撞指數(shù)的試驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種確定金屬材料接觸碰撞變形指數(shù)的試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡單易操作，適用于測量硬度差別較大的兩種金屬材料的碰撞變形指數(shù)，該變形指數(shù)與具體接觸碰撞的材料種類相關(guān)聯(lián)，獲得的變形指數(shù)更精確且更符合實(shí)際應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種確定金屬材料接觸碰撞變形指數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括硬金屬塊A、硬金屬塊B、軟金屬塊C、推力計(jì)、激光測距傳感器、推動(dòng)裝置和底座；

所述推動(dòng)裝置安裝在底座上，推力計(jì)安裝在推動(dòng)裝置上，推動(dòng)裝置可推動(dòng)推力計(jì)上下移動(dòng)，所述推力計(jì)下端安裝一頂針；

所述硬金屬塊A和B為相同金屬材料，硬金屬塊A固定在底座上，硬金屬塊B位于推力計(jì)頂針的正下方，軟金屬塊C夾置于硬金屬塊A和B之間，硬金屬塊A相對于硬金屬塊B突出，激光測距傳感器安裝在推力計(jì)上，且激光測距傳感器的測距頭對準(zhǔn)硬金屬塊A的突出部分。

所述推動(dòng)裝置包括導(dǎo)軌、移動(dòng)臺(tái)、橫桿及螺栓桿，所述導(dǎo)軌豎向安裝在底座上，橫桿安裝在導(dǎo)軌上端，移動(dòng)臺(tái)套置在導(dǎo)軌上，橫桿開設(shè)通孔，移動(dòng)臺(tái)開設(shè)與通孔同心的螺孔，螺栓桿從橫桿上方穿過通孔后旋入移動(dòng)臺(tái)的螺孔，所述推力計(jì)固定在移動(dòng)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)螺栓桿可帶動(dòng)移動(dòng)臺(tái)和推力計(jì)沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。

所述螺栓桿上端安裝一旋轉(zhuǎn)手柄。

所述導(dǎo)軌由兩根不銹鋼柱組成，兩根不銹鋼柱平行安裝在底座上，螺栓桿位于兩根不銹鋼柱之間。

所述硬金屬塊A和B均為方塊形，軟金屬塊C為圓柱形。

所述還包括一門型架，硬金屬塊A、硬金屬塊B、軟金屬塊C與推力計(jì)均位于門型架內(nèi)。

采用上述方案后，本發(fā)明工作原理如下：硬金屬塊A、硬金屬塊B、軟金屬塊C構(gòu)成一個(gè)碰撞體系，推動(dòng)裝置帶動(dòng)推力計(jì)下移，以推動(dòng)硬金屬塊B下壓，使軟金屬塊C在硬金屬塊A與硬金屬塊B的擠壓下變形，此過程中，推力計(jì)記錄碰撞力F_N，激光測距傳感器的測距頭對準(zhǔn)硬金屬塊A的突出部分，從而記錄激光測距傳感器與硬金屬塊A的距離變化值，該距離變化值即為碰撞位移ε_i(即變形量)，重復(fù)進(jìn)行多組測試，獲得多組碰撞力和碰撞位移數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出冪指數(shù)n的參數(shù)辨識(shí)(包括冪指數(shù)和剛度系數(shù))。

本發(fā)明的有益效果是：試驗(yàn)裝置簡單易行，成本低，能夠通過該裝置測得碰撞數(shù)據(jù)，從而確定任意硬度且差別較大的接觸碰撞金屬材料之間的碰撞冪指數(shù)，進(jìn)而獲得接觸碰撞金屬材料的碰撞力與接觸變形的精確數(shù)學(xué)關(guān)系，為高副中兩接觸碰撞金屬材料的磨損情況及其壽命評估提供必要條件。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1是兩種金屬材料碰撞示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明碰撞體系下待測金屬材料的受載變形的示意圖。

標(biāo)號(hào)說明

硬金屬塊A 1

硬金屬塊B 2

軟金屬塊C 3

推力計(jì) 4 頂針 41

激光測距傳感器 5

推動(dòng)裝置 6 導(dǎo)軌 61

移動(dòng)臺(tái) 62 橫桿 63

螺栓桿 64 旋轉(zhuǎn)手柄 65

底座 7 門型架 8。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本發(fā)明揭示的一種確定金屬材料接觸碰撞變形指數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括硬金屬塊A1、硬金屬塊B2、軟金屬塊C3、推力計(jì)4、激光測距傳感器5、推動(dòng)裝置6和底座7；

所述推動(dòng)裝置6安裝在底座7上，推力計(jì)4安裝在推動(dòng)裝置6上，推動(dòng)裝置6可推動(dòng)推力計(jì)4上下移動(dòng)，所述推力計(jì)4下端安裝一頂針；

所述硬金屬塊A1和B2為相同金屬材料，硬金屬塊A1固定在底座7上，硬金屬塊B2位于推力計(jì)頂針41的正下方，軟金屬塊C3夾置于硬金屬塊A和B之間，硬金屬塊A相對于硬金屬塊B突出，激光測距傳感器安裝在推力計(jì)上，且激光測距傳感器的測距頭對準(zhǔn)硬金屬塊A的突出部分。

本實(shí)施例中，推動(dòng)裝置6包括導(dǎo)軌61、移動(dòng)臺(tái)62、橫桿63及螺栓桿64，所述導(dǎo)軌61豎向安裝在底座7上，橫桿63安裝在導(dǎo)軌61上端，移動(dòng)臺(tái)62套置在導(dǎo)軌61上，橫桿63開設(shè)通孔，移動(dòng)臺(tái)62開設(shè)與通孔同心的螺孔，螺栓桿64從橫桿63上方穿過通孔后旋入移動(dòng)臺(tái)62的螺孔，所述推力計(jì)4固定在移動(dòng)臺(tái)62上，旋轉(zhuǎn)螺栓桿64可帶動(dòng)移動(dòng)臺(tái)62和推力計(jì)4沿導(dǎo)軌61上下移動(dòng)。

為了便于旋轉(zhuǎn)螺栓桿64，所述螺栓桿64上端安裝一旋轉(zhuǎn)手柄65。

所述導(dǎo)軌61由兩根不銹鋼柱組成，兩根不銹鋼柱平行安裝在底座上，螺栓64位于兩根不銹鋼柱之間，兩根不銹鋼柱構(gòu)成的導(dǎo)軌是移動(dòng)臺(tái)62上下移動(dòng)是更平穩(wěn)。

為了增加接觸碰撞的穩(wěn)定性，所述硬金屬塊A和B均為方塊形，軟金屬塊C為圓柱形。

為了進(jìn)一步增加接觸碰撞的穩(wěn)定性，所述還包括一門型架，硬金屬塊A、硬金屬塊B、軟金屬塊C與推力計(jì)均位于門型架內(nèi)。

以下為本發(fā)明的試驗(yàn)原理：

硬金屬塊A1、硬金屬塊B2、軟金屬塊C3構(gòu)成一個(gè)碰撞體系，推動(dòng)裝置6帶動(dòng)推力計(jì)4下移，以推動(dòng)硬金屬塊B2下壓，使軟金屬塊C3在硬金屬塊A1與硬金屬塊B2的擠壓下變形，此過程中，推力計(jì)4記錄碰撞力F_N，激光測距傳感器5的測距頭對準(zhǔn)硬金屬塊A的突出部分，從而記錄激光測距傳感器5與硬金屬塊A1的距離變化值，該距離變化值即為碰撞位移εⁱ(即變形量)，重復(fù)進(jìn)行多組測試，獲得多組碰撞力和碰撞位移數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出冪指數(shù)n的參數(shù)辨識(shí)。

如圖3所示，硬金屬塊A1、硬金屬塊B2、軟金屬塊C3在碰撞時(shí)，實(shí)際有變形量δ₁和δ₂，δ_總＝δ_總＝δ₁+δ₂。

下表1為5組碰撞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

由于硬金屬塊B擠壓軟金屬塊C之前還有一段空行程Δ(為一個(gè)常數(shù))，因此接觸時(shí)的變形為：

${\mathrm{\δ}}_1^i={\mathrm{\δ}}_2^i=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-\mathrm{\Δ}}{2}---\left(2\right)$

結(jié)合式(1)和式(2)可得式(3)，如下：

$F_N^i=K{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-\mathrm{\Δ}}{2}\right)}^n---\left(3\right),$

進(jìn)一步得：

$\frac{F_N^i}{F_N^{i+1}}={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\ϵ}}_{i+1}-\mathrm{\Δ}}\right)}^n---\left(4\right);$

最后，對于表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過求解下述優(yōu)化函數(shù)，從而獲得對空行程Δ和冪指數(shù)n的參數(shù)辨識(shí)；

$\min F(\mathrm{\Δ},n)=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{F_N^i}{F_N^{i+1}}-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\ϵ}}_{i+1}-\mathrm{\Δ}}\right)}^n---\left(5\right)$

最后，可以計(jì)算出的空行程Δ和冪指數(shù)n分別為0.005mm和1.1。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并非對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限定。凡依本案的設(shè)計(jì)思路所做的等同變化，均落入本案的保護(hù)范圍。