系统特征频率获取表面接触刚度的方法和检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种可在不同接触状况下评价表面接触的检测技术，具体涉及一 种基于系统二阶特征频率获取表面接触刚度的检测方法和检测装置。
【背景技术】
[0002] 在工程应用领域，零部件之间相互接触，如导轨、机械手、齿轮啮合面、组合转子 等，其接触状况直接影响到整个机械的工作可靠性、使用性能、长时间工作稳定性、承载能 力等等，而零件表面的接触状况在很大程度上与表面实际接触状况的评估有关。宏观上平 滑的接触表面在微观上却是由许多微凹凸表面构成，试验表明，宏观上的零件表面接触实 际上是这些微凹凸表面的一部分相互接触，并且这些微凹凸接触的多少和各点接触面积的 大小会随着载荷压力的变化而改变，从而使零件接触状况的外在表现之一的表面接触刚度 发生变化，导致机械的工作状况发生变化。接触刚度就是零件接触表面在外力作用下抵抗 接触变形的能力，直接影响机械结构的机械性能，而机器的整体刚度在很大程度上取决于 各零件之间的接触刚度。因此，获得接触副表面接触刚度是十分必要的。
[0003] 目前，人们展开了表面接触刚度的广泛研究，但表面接触刚度的检测手段还十分 有限。如何通过装置较准确地检测接触副表面接触刚度仍然是现阶段迫切需要解决的问 题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能够在模仿接触副实际工作状况下的表面接触刚度检 测方法，设计相应的检测装置，解决现有技术检测接触副表面接触刚度困难的问题，实现任 意两种不同材料、不同初始压力、不同接触面形状条件下接触副的表面接触刚度检测。
[0005] 本发明采用的检测方法是，设计两个已知参数的单自由度单元子系统，其中构成 被检测接触副的两个物体分别联接其中的一个单元子系统，然后模仿实际工作状况使两个 物体表面接触，两个单自由度单元子系统耦合组成二自由度振动系统，接触表面即为被检 测接触副，忽略阻尼的情况下，等效为接触刚度。设两个单自由度单元子系统的结构参数分 别为质量nu、刚度h和质量m 2、刚度k2,则两单自由度单元子系统耦合成二自由度振动系统， 设接触面接触刚度为k，其微分方程为：
[0006]
[0007] 由该方程决定的接触刚度k与系统固有模态频率ω关系为
[0008]
[0009]其中，ω 01、ω 02分别代表两个单自由度单元子系统自身的固有频率，因此，对接触 副进行接触刚度检测时，只要在耦合两个单自由度单元子系统成二自由度振动系统之前， 分别测试并获得两个单自由度单元子系统的刚度I coQ1和k2、ω〇2,即可根据二自由度振动 系统固有模态频率ω求取接触刚度值k。
[0010] 本发明所采取的技术方案是，检测装置包括底座、上单自由度弹性机构、下单自由 度弹性机构、接触试样对准机构、初始参数测试机构、振动信息采集装置等，其中，所述下单 自由度弹性机构固定在底座上，所述上单自由度弹性机构位于下弹性机构的正上方、固定 在立柱上且相对于下单自由度弹性机构可做平行的横向移动，上单自由度弹性机构与下单 自由度弹性机构通过对接触试样施加正向压力构成试样接触副;所述正向压力由上单自由 度弹性机构的可升降支撑柱提供;所述振动信息采集装置采集耦合系统的振动信息以检测 接触副表面接触刚度。
[0011] 所述的上单自由度弹性机构和下单自由度弹性机构的弹性参数是可调的，上、下 单自由度弹性机构的弹性梁中间开有导槽，通过上梁紧固滑座和下梁紧固滑座可改变接触 试样在梁上的位置，从而改变上、下单自由度弹性机构的结构参数，从而改变系统特征频 率，获得适合的测试参数。
[0012] 所述的上单自由度弹性机构由T型块、可动支撑柱、上弹性梁、上导槽、试样一、试 样一固定座、上梁紧固滑座等组成，其中，可动支撑柱包括带有外螺纹的上、下柱和带有内 螺纹的套筒，可动支撑柱沿底座T形导槽移动，上弹性梁一端固定在可动支撑柱上，上弹性 梁另一端通过上梁紧固滑座与试样固定座固定连接，试样一固定在试样固定座上。
[0013] 所述的下单自由度弹性机构由固定支撑柱、下弹性梁、下导槽、试样二、试样二固 定座、下梁紧固滑座等组成;其中，固定支撑柱固定在底座上，下弹性梁一端固定在固定支 撑柱上，下弹性梁另一端通过下梁紧固滑座与试样固定座固定连接，试样二固定在试样固 定座上。
[0014] 所述的接触试样对准机构即为在上弹性梁、下弹性梁及底座的导槽旁，平行设置 三个等刻度线标尺，通过下单自由度弹性机构的可动支撑柱移动距离为试样一移动读数与 试样二移动读数之差来实现接触试样的水平对准。
[0015] 所述的初始参数测试机构包括百分表、表架、位移传感器、静位移测试台、测力传 感器、接触力测试台、支座测力座等组成，由百分表测量接触力作用下的静位移量，由测力 传感器测量初始接触压力，从而检测上、下单自由度弹性机构的弹性参数，在特征频率获取 表面接触刚度的测试过程中，初始参数测试机构脱离，不参与作用。
[0016] 所述的振动信息采集装置由非接触式位移传感器及表架组成，检测和采集接触试 样附近的系统振动位移信号。
[0017] 本发明装置的优点在于：
[0018] (1)上单自由度弹性机构、下单自由度弹性机构及底座的导槽式可移动设计，接触 试样的接触压力可调，另外还有刻度标尺式设计，使得测试装置易于调节、易于定位、易于 更换，有效保证了实验的可重复性。
[0019] (2)采用竖直连接杆方式固定接触试样，使得接触副是在法向方向上振动，系统振 动模型简单，保证检测结果的可靠性。
[0020] (3)使用的是位移传感器，为非接触式测量，尽量减少了传感器自身所带来的对整 个振动系统的影响，提尚检测精度。
[0021] (4)下单自由度弹性机构的固定柱用法兰式固定在底座上，上单自由度弹性机构 的可动支撑柱在移动后用螺栓固定，最大限度减少其振动对测量的影响。
【附图说明】
[0022]图1表面接触刚度检测装置结构图
[0023] 1.底座11.T型导槽12.刻度一 2.上弹性机构21. T型块
[0024] 22.可动支撑柱221.下柱222.套筒223.上柱23.上弹性梁
[0025] 231.上导槽232.刻度二24.试样一 25.试样一固定座26.上梁紧固滑座
[0026] 27.静位移测试台3.下弹性机构31.固定支撑柱32.下弹性梁321.下导槽
[0027] 322.刻度三33.试样二34.试样二固定座35.下梁紧固滑座36.接触力测 试台
[0028] 41.百分表42.表架43.位移传感器44.测力传感器45.测力座
【具体实施方式】
[0029]下面结合工作原理和结构附图对本发明作进一步详细说明。
[0030]如图1，本发明的表面接触刚度检测装置，包括底座（1)、上弹性机构(2)、下弹性机 构（3)、接触试样对准机构（图中未标注）、初始条件测试机构（图中未标注）、振动信息采集 机构（图中未标注)和计算机(图中未显示)等组成。
[0031 ]上单自由度弹性机构由T型块（21 )、可动支撑柱（22 )、上弹性梁（23 )、上导槽 (231)、试样一(24)、试样一固定座(25)、上梁紧固滑座(26)等组成，其中，可动支撑柱(22) 包括带有外螺纹的上柱(223)、下柱(221)和带有内螺纹的套筒(222)组成，可动支撑柱(22) 可沿底座（1)的T形导槽（11)移动，上弹性梁(23) -端固定在可动支撑柱（22)上，另一端通 过上梁紧固滑座（26)与试样固定座（25)固定连接，试样一（24)固定在试样一固定座（25) 上。
[0032] 下单自由度弹性机构由固定支撑柱（31)、下弹性梁（32)、下导槽（321)、试样二 (33) 、试样二固定座(34)、下梁紧固滑座(35)等组成;其中，固定支撑柱(3