[发明专利]结合面真实接触面积测量装置与测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及结合面理论研究领域中真实接触面积测量技术领域，尤其涉及一种结合面真实接触面积测量装置与测量方法。

背景技术

机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，相互接触的表面称之为结合面。大量结合面的存在，使得机械系统的连续性被破坏，极大程度地影响了整机静动态特性。研究表明，机床中结合面的接触刚度约占机床总刚度的60％～80％，结合面的接触阻尼占机床全部阻尼的90％以上，结合面引起的变形量约占机床总变形量的40％～60％。因此，开展结合面微观接触机理与动态特性研究是机械系统由单件分析走向整机分析的关键，是整机性能预测的基础。

由于结合面真实接触面积仅仅是名义接触面积很小一部分，且实际接触面积的大小对整体性能起着决定性的影响。而目前对真实接触面积的研究主要处于理论研究阶段，多数研究是通过建立表面接触模型，然后进行数值计算分析，在实验研究方面则相对较少。为了准确获得结合面微观接触静动态特性，系统地研究和探明结合面微观接触机理，需要一套完整的测试结合面真实接触面积的装置与方法，而目前还没有相关测试结合面真实接触面积的实验装置与测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种测试结合面真实接触面积的测量装置和测量方法。该测量装置通过力矩扳手拧紧螺栓从而获得所需的预紧力，通过力的传递将两试件紧密结合，利用超声波在没有真正接触的区域，超声波将在接触面上发生反射，在有实质性接触的区域，超声波将从接触面透射过去这一原理，获得结合面真实接触面积。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

结合面真实接触面积测量装置，包括：超声探头、上试件、支架、下试件、电涡流传感器、钢球、基座、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机；超声探头放置上试件上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件与支架紧固在一起；下试件设置于上试件与基座之间，基座与下试件之间安装有中心钢球，基座上设有针对中心钢球的中心螺纹孔，中心螺纹孔中安装有螺栓；螺栓与中心钢球接触，中心钢球与下试件接触，上试件与下试件相互接触；电涡流传感器与下试件相连，用于测试结合面的变形量；电涡流传感器的输出端通过信号采集系统连接计算机；通过超声探头通过超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡连接计算机，用于检测不同预紧力下结合面的声阻抗和穿透力相关数据，并将所得数据传送给计算机。

进一步的，所述螺栓为10.9S级高强度扭剪型螺栓；螺杆轴心处内置应变片，通过电桥和动态应变仪能够测量螺栓预紧力的大小；应变片通过动态应变仪和信号采集系统连接计算机。

进一步的，下试件与基座之间布置五个钢球，五个钢球的布置方式为：一个布置在与基座的中心处，用于传递力，另外四个均布在基座垂直轴线上，用于支撑下试件和调整下试件的同轴度。

进一步的，电涡流传感器对称布置下试件的两侧。

进一步的，上试件与支架之间的连接是过盈配合。

进一步的，通过力矩扳手调节螺栓的预紧力，能够获得不同预紧力下结合面的变形，从而能够获得结合面力与位移之间的关系，根据力与位移之间的关系获得结合面的接触刚度。

进一步的，上试件和下试件采用相同或者不同材料进行配对；两接触面的加工方式相同或不同；结合面加润滑油或不加任何润滑油。

结合面真实接触面积测量方法，基于结合面真实接触面积测量装置，当螺栓预紧力确定后，上试件和下试件相互接触，根据超声探头获得声阻抗和穿透力，通过公式运算计算出结合面真实接触面；具体包括以下步骤：

(a)通过超声探头测量上试件和下试件的声阻抗Z₁和Z₂，根据式(1)求反射系数：