[发明专利]一种两交叉抛物柱体切向刚度测量装置

权利要求书

1.一种两交叉抛物柱体切向刚度测量装置，其特征在于：该装置包括旋转平台、激振装置、夹紧装置以及测量装置；

整个测量装置放置在减振垫上，其目的是在测量过程中起到减振的作用；旋转平台由减速电机驱动进行上下移动与旋转，通过旋转下试件来调节试件之间的轴线交叉角度，以达到测量不同轴线交叉角度下试件切向刚度的目的；同时其上放置夹紧装置和激振装置，也会随着旋转平台一起旋转；

激振装置包括激振器和激振杆；激振器通过螺栓固定在旋转平台上，通过不断地对下试件进行激振从而达到施加载荷的作用；同时力信号和位移信号会被安装在下试件上的力传感器和涡流位移传感器进行收集；

夹紧装置包括夹紧下试件的下夹具和夹紧上试件的上夹具；下夹具通过螺栓固定在旋转平台上，并且可以通过旋转平台上的导轨，调节左右位移；上夹具固定在支撑结构上，同时在上夹具上通过预压紧螺钉调节上试件和下试件之间的法向力，并且通过力传感器来监测法向力的变化；通过对上试件施加法向力，使得试件之间产生接触并产生接触区域；上下试件安装在同一中轴线上，并通过导轨来调节；

测量装置包括检测法向力和切向力的力传感器，以及检测切向位移的涡流位移传感器；

两交叉抛物柱体切线刚度测量装置在使用时，首先将抛物柱体上试件和下试件分别安装在上夹具和下夹具上并夹紧；然后将安装好的下试件在导轨上进行调整位置与上试件进行对中；与此同时通过旋转平台旋转整个下试件以此来获得需要测量的角度；通过旋转平台的上下移动使上下试件接触；在支撑机构上通过预压紧螺钉对上试件加载法向力使得上下试件接触；打开激振器，调节不同的激振力，使得激振杆与下试件进行接触，开始测量；

在实验过程中，可不断通过预压紧螺钉调节试件之间的法向力，同时也可以通过激振器来调节试件之间的切向力；

假设两抛物柱体的焦距均为p，材料相同，在没加载之前仅为点接触；在法向载荷P作用后，根据赫兹理论，接触面为椭圆，e为接触椭圆离心率；抛物柱体在法向产生变形；在切向载荷F作用后，接触面仍为椭圆，抛物柱体在切向产生变形；两抛物柱体的接触面部分具有摩擦，摩擦系数为μ，摩擦类型为库伦摩擦；根据赫兹理论，两抛物柱体接触表面的位移为：

式中:G为抛物柱体等效剪切模量，E为两抛物柱体等效弹性模量，E₁、E₂为两抛物柱体的弹性模量，υ为泊松比，υ₁、υ₂为两抛物柱体的泊松比，R₁为接触椭圆上任意一点(x’，y’)到指定点(x，y)之间的距离，为极角；

用已知的切应力分布公式的组合来构造一个正确的切应力分布，通过两个赫兹应力的叠加，得到新的满足边界条件的切应力分布：

在此切应力分布条件下，两抛物柱体会形成相应的接触面，其中a为接触大椭圆的长轴，b为接触大椭圆的短轴；c为接触小椭圆的长轴，d为接触小椭圆的短轴；τ₁为接触大椭圆中心处的切应力，τ₂为接触小椭圆中心处的切应力；τ₁＝μp_o，p_o为接触椭圆中点处的法向应力；

因此，在切应力分布条件下，抛物柱体切向位移解析表达式为:

式中K为一积分常数：

接触大椭圆长轴a由下式定义：

其中K_(e)为第一类椭圆积分、E_(e)为第二类椭圆积分：

接触椭圆离心率e由定义，其中θ为两抛物柱体之间轴线交叉角度；

则根据抛物柱体切向位移解析表达式知切向刚度

从切向刚度的解析表达式得知，切向刚度与法向力和切向力以及切向位移相关，在实验过程中，在已知材料的情况下，通过实验传感器测量的数据，得到两交叉抛物柱体的切向刚度。