一种搭接接头微动实验装置与实验方法

摘要

本发明公开了一种搭接接头微动实验装置，包括支撑架、三轴力称重传感器、固定样品、移动样品、预紧力调节件、压力促动器和位移测量机构，三轴力称重传感器固定在支撑架上；固定样品固定设置于三轴力称重传感器的上表面，且设有固定样品工作面；移动样品位于固定样品的正上方，固定样品的上表面和移动样品的下表面平行，且设有移动样品工作面，移动样品工作面和固定样品工作面通过预紧力螺栓连接；压力促动器垂直位于移动样品的上方，在压力促动器的作用下，移动样品和固定样品之间发生位移；位移测量机构用于测量移动样品和固定样品之间的相对位移量。还提供了实验方法。真实模拟了两个平面发生微动时的受力与位移分析，实验结果精准可靠。

说明书

技术领域

本发明属于微动运动分析技术研究领域，尤其涉及一种搭接接头微动实验装置与实验方法。

背景技术

一些机械组件使用螺栓连接，螺栓连接的一个显著优点是可以轻松组装和拆卸。当两个接触的表面经受周期性小幅度切向载荷时，沿着接触界面的这种小的振动位移会导致材料由于磨损而失效，或者由于循环接触应力而导致裂纹的产生，这种小幅度切向运动称为微动。由包含搭接关节的结构部件上的振动引起的振动负载可能会在连接界面上引起较小的振动位移，在这些负载条件下，接触件可能会表现出粘着、局部滑移或整体滑移行为。在粘着状态下，接触表面之间的相对位移非常小，切向力(界面摩擦力)与切向位移几乎是线性关系。在整体滑移状态下，位移较大，并且切向力已饱和到最大摩擦力。局部滑移是这两种状态之间的过渡阶段。微动会导致裂纹成核和磨损碎屑，进而降低接合部件的整体运行。而且，搭接界面的微动过程中打滑是能量损失的主要来源，也是阻尼的主要来源。据估计，螺栓连接的阻尼引起的能量损失约占总能量损失的90％。

众所周知，即使位移幅度在亚微米范围内，也会导致磨损损坏。当组件的功能降低或由于引起的材料损坏而缩短其使用寿命时，在严重的情况下，物质损坏会引发或促进其它故障机制。尤其是在对具有粗糙表面的预加载接头施加低振幅的振荡切向力或位移时，在内部接触区域的边缘保持接触的同时，滑动会在接触区域的边缘发生。随着切向力的增加，滑动区域将向内扩展。当切向力接近动摩擦力时，粘附区域消失，界面处在相对滑动的临界点。因此，微动就成为了研究的重要方面。

受精度影响，目前在国内微米级搭接微动实验台较少。在微动搭接接头实验中，切向载荷通常是由受控位移或受控力施加在接触平面的一侧，而摩擦力是从相对侧测量的。此外，应准确知道接触面相对于彼此的位移，以充分确定微动响应。

现有技术中，采用图1所示的装置进行紧固件横向振动试验方法，精度达不到微米级；另外有文献测距是用的电涡流位移式传感器，是利用磁场的原理探测距离，容易受到噪音干扰，并且只有模拟量输出。也有的是用加速度计来测量移动端平面的位移，没办法测量移动端和固定端的相对位移，并且要经过换算才能将加速度转化成位移，降低位移数据的精度，国内搭建这个实验台的实验室也极少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搭接接头微动实验装置及实验方法，该装置结构简单，易于装配，操作容易，能够进行各种不同预紧力与不同规格材料试样的微动应力实验，控制与测量精度高，实验数据精确可靠，重复性好。

为达到上述目的，本发明提供一种搭接接头微动实验装置，包括支撑架、三轴力称重传感器、固定样品、移动样品、预紧力调节件、压力促动器和位移测量机构，

所述三轴力称重传感器固定在所述支撑架上；

所述固定样品固定设置于所述三轴力称重传感器的上表面，且在所述固定样品上设有固定样品工作面；

所述移动样品位于所述固定样品的正上方，所述固定样品的上表面和所述移动样品的下表面平行，且在所述移动样品上设有移动样品工作面，所述移动样品工作面和所述固定样品工作面通过所述预紧力调节件连接；

所述压力促动器垂直位于所述移动样品的上方，且所述压力促动器的与所述移动样品连接，在所述压力促动器的作用下，所述移动样品和所述固定样品之间发生位移；

所述位移测量机构用于测量所述移动样品和所述固定样品之间的相对位移量。由于设备刚度以及装配误差的影响，压力促动器产生的位移并不是完全等于移动样品与固定样品之间的相对位移，所以通过设置位移测量机构来测量固定样品和移动样品之间的位移量，可以精确获得两者之间的相对位移量。

进一步地，还包括第一摩擦副和第二摩擦副，所述第一摩擦副和所述第二摩擦副位于所述固定样品和所述移动样品之间，所述第一摩擦副与所述固定样品可拆卸连接，所述第二摩擦副与所述移动样品可拆卸连接，且所述第一摩擦副和所述第二摩擦副相互接触。通过该方案，将原本固定样品与移动样品的摩擦转变为摩擦副之间的摩擦，把对不同表面粗糙度、不同材料的样品接触部分的研究转变成摩擦副表面的研究，只需更换摩擦副就可以进行不同实验，更易操作。进一步地，所述三轴力称重传感器、所述固定样品上的摩擦副、所述移动样品上的摩擦副和压力促动器位于同一中心轴线上，且所述中心轴线与所述支撑架的中轴线重合。本发明所采用的实验装置对称分布，可以让实验装置的内力相互平衡，使由设备刚度引起的未对准力减到最小。

进一步地，所述过渡部件与所述压力促动器之间、所述过渡部件和所述移动样品之间均为可拆卸连接。压力促动器和三轴力称重传感器都是高精度设备，反复的拆卸会对其精度造成影响，过渡部件的设置可以满足更换不同的固定样品和移动样品时，不需要将固定样品以上的部分全部拆开重装，只需将过渡部件与移动样品处拆开，就可以便捷地进行更换实验材料，在最大程度上减少了对设备的损伤，进一步简化了操作。

进一步地，所述位移测量机构包括棱镜、反光镜片和同轴激光，所述棱镜固定设置在所述固定样品上，所述反光镜片固定设置在所述移动样品上，且所述反光镜片和所述棱镜相对设置，所述同轴激光的激光头靠近所述棱镜设置，所述激光头发出的激光通过所述棱镜照射到所述反光镜片上。利用同轴激光-棱镜-反光镜片的组合来测量两平面的相对距离，相比用一个同轴激光测移动样品上反光玻璃的位移，考虑到了三轴力称重传感器刚度的影响；相比于两同轴激光分别测量，可以节省成本，同时精度会更高，减少后处理带来的误差。

进一步地，还包括隔振台，所述支撑架的底部固定在所述隔振台上，所述和同轴激光固定在所述隔振台上。将支撑架固定在隔振台上，可以避免支撑台面与实验装置之间的相对震动，从而可以减少外界环境对整个实验的影响。同轴激光独立固定在隔振台上，可以保证同轴激光相对于隔振台的位置固定不变，避免同轴激光的相对移动造成测量的样本相对位移精度不足，影响实验结果。

进一步地，还包括双头螺柱和固定螺栓，

所述压力促动器的顶部开设有螺纹孔，所述双头螺柱与所述螺纹孔相连接固定，所述固定螺栓的底面的螺纹孔与所述双头螺柱顶部螺纹连接，所述固定螺栓与所述支撑架的顶部螺纹连接。利用双头螺柱和定制螺栓的螺纹连接，由于螺纹连接的对中性好，可以保证压力促动器施加的力一定是竖直向下的，且与中轴线重合，进一步减小因装配问题而产生的未对准力，也可以避免压力促动器受到剪切力、侧向力以及扭矩，防止压力促动头因使用不当而造成损坏。

进一步地，还包括数据采集器，所述数据采集器与所述三轴力称重传感器连接。

进一步地，所述压力促动器与所述移动样品之间螺纹连接固定。

本发明还提出了一种搭接接头微动实验装置的实验方法，包括如下步骤：

拧动所述预紧力调节件，计算预紧力；

控制所述压力促动器使其输出位移，并施力于所述移动样品上，使得所述移动样品相对于所述固定样品产生移动；

通过所述同轴激光、棱镜和反光镜片可以测出所述固定样品与所述移动样品之间的相对位移；

所述三轴力称重传感器和所述数据采集器采集所述固定样品和所述移动样品之间产生的摩擦力以及未对准力。

本发明用于测力的仪器为三轴力称重传感器，既可以保证准确测量施加位移方向上的摩擦力，也可以测出另外两个方向上的未对准力，并且可以根据未对准力的大小，来分析实验装置的结构能否满足要求，从而可以进一步完善实验装置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

本发明通过设置固定样品、移动样品以及压力促动器，控制压力促动器产生位移，即可施力于移动样品，使得移动样品相对于固定样品产生位移，采用位移测量机构来测量固定样品和移动样品之间的相对位移量，真实模拟了两个平面发生微动时的受力与位移分析。本实验装置组装方便、操作简单、测试精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是现有技术中振动试验机的结构示意图。

图2为本发明的实施例中提供的搭接接头微动实验装置示意图。

图3为本发明的实施例中工作部分放大示意图。

图4为本发明的实施例中固定端的装配放大示意图。

图5为本发明的实施例中测量固定样品与移动样品相对位移的原理图。

图6为本发明的实施例中提供的搭接接头微动实验装置立体示意图。

图7为本发明的实施例中提供的搭接接头微动实验装置只剖开支撑架立体示意图。

附图标记说明：

1－支撑架；2－三轴力称重传感器；3－固定样品；4－移动样品；5－预紧力调节件；6－压力促动器；7－双头螺柱；8－定制螺栓；9－同轴激光；10－第一摩擦副；11－过渡部件；12-第二摩擦副；13-棱镜；14-反光镜片；21-偏心处；22-连杆；23-横向力测量装置；24-连接板；25-试验螺栓；26-位移传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例以Q235为材料来加工支撑架，由于其具有很好的硬度，从而可以保证压电促动器在施加竖直方向上的力时，支撑架能够保证很小的变形，甚至接近于不变形，相对于测得的相对距离可以忽略。搭接接头处(即固定样品、移动样品、第一摩擦副和第二摩擦副，重点研究对象为相互接触且产生相对运动的两表面)的材料不限于结构钢，可以换很多不同的材料来进行实验，如：铝，聚合物和云母等。同时，也可以在不同工况下进行实验，研究不同的预紧力、不同的微动位移下结构的本构关系与能量耗散，本实验装置具有很好的普适性。由于实际应用领域普遍存在微动运动，因此开展针对该搭接接头微动的研究，不仅具有深化搭接接头微动运动基础理论的科学意义，更有在工程应用领域指导结构改进、抵抗微动疲劳损伤、减少搭接接头能量耗散的实际意义。

具体的，请参阅图2～图7所示，本实施例提供的一种搭接接头微动实验装置，包括支撑架1、三轴力称重传感器2、固定样品3、移动样品4、预紧力调节件5、压力促动器6、第一摩擦副10、第二摩擦副12、过渡部件11和位移测量机构。三轴力称重传感器2、第一摩擦副10、第二摩擦副12和压力促动器6都位于实验装置的中心线上。

支撑架1安装固定在隔振台的表面，具体地，支撑架1底部的四个端角处均开设有一通孔，隔振台上在相应位置处也开设有螺纹孔，将支撑架1上的四个通孔的中心线与隔振台上的螺纹孔的中心线重合，两者通过螺钉连接固定。本实施例的隔振台为主动隔振台。

本实施例中的支撑架1采用整体式O型结构，即支撑架1的周围是框架，中部开孔作为安装位置。三轴力称重传感器2、固定样品3、移动样品4、预紧力调节件5、压力促动器6、第一摩擦副10、第二摩擦副12、过渡部件11和位移测量机构均位于中部开孔位置处。三轴力称重传感器2、固定样品3上的第一摩擦副10、移动样品4上的第二摩擦副12和压力促动器6位于同一中心轴线上，且中心轴线与支撑架1的中轴线重合。如此可以让实验装置的内力相互平衡，使由设备刚度引起的未对准力减到最小。且中部开孔，可以让同轴激光不受O型支撑架两侧空间结构的影响，同时也可以保证使同轴测得的相对位移为两样品中间轴线的相对位移，可以测得最精准的相对位移。

三轴力称重传感器2固定在支撑架1上，具体的，三轴力称重传感器2底部有四个螺纹孔，支撑架1底部开设有方形槽，将螺栓从方槽侧穿过，用垫片、螺母将三轴力称重传感器2固定。然后，利用数据采集器给三轴力称重传感器2供电工作，同时也可以采集三轴力称重传感器2的数据。

固定样品3固定设置于三轴力称重传感器2的上表面，具体的，固定样品3的底部有四个通孔，三轴力称重传感器2上表面也相应地内凹开设有四个螺纹孔，连接时，将四个通孔和四个螺纹孔一一对齐，分别拧入螺栓进行固定，此种连接方式便于拆卸。

第一摩擦副10和第二摩擦副12位于固定样品3和移动样品4之间，第一摩擦副10与固定样品3可拆卸连接，第二摩擦副12与移动样品4可拆卸连接，且第一摩擦副10和第二摩擦副12之间相互接触。连接方式为可拆卸连接，只需更换摩擦副就可以进行不同实验，更易操作。具体的，在固定样品3上开设有一第一凹槽和两个螺纹孔，第一摩擦副10位于第一凹槽内，且通过螺钉与螺纹孔配合固定，工作平面为第一摩擦副外侧的平面；移动样品4位于固定样品3的正上方，固定样品3的上表面和移动样品4的下表面平行，且在移动样品4上开设有一第二凹槽和两个螺纹孔，第二摩擦副12通过螺钉与螺纹孔配合固定在第二凹槽内，工作平面为第二摩擦副外侧的平面；本实施例中的预紧力调节件5为螺栓，定义为预紧力螺栓，预紧力螺栓依次穿过固定样品3、第一摩擦副10、第二摩擦副12和移动样品4后与螺母配合固定。通过拧动预紧力螺栓可以调整预紧力大小，从而可以研究不同预紧力条件下本构关系与能量耗散。

本实施例的第一摩擦副10和第二摩擦副均为方形块，方形的摩擦副的加工成本远远低于固定样品的加工成本，可以大大节省成本。

移动样品4上设置有两个螺纹孔，螺纹孔的定位位于移动样品4底部的中心线上。

过渡部件11位于移动样品4的上方，过渡部件11上周向均匀设置有四个圆槽且中心开设有一螺纹孔，将螺栓穿过过渡部件11上的圆槽后与移动样品4上的螺纹孔螺纹连接，以将过渡部件11固定在移动样品4上。过渡部件11与压力促动器6通过中心的螺纹孔连接，在压力促动器6的作用下，移动样品4和固定样品3之间发生位移。过渡部件和压电促动器组装过程中，是靠螺旋的，很难保证过渡部件上的孔与移动端的螺纹孔对齐，故设置了多个圆槽，以方便装配。具体的，压力促动器的顶部设置有螺纹孔，底部设置有螺纹段，螺纹孔和螺纹段均位于压力促动器的中心轴处，压力促动器6的底部通过螺纹段与过渡部件11上的螺纹孔相配合，螺纹连接固定。控制压力促动器6产生运动，如可以通过计算机软件来控制开控制其运动(控制运动的方式为现有技术，在此不做赘述)，施加一定频率的位移，从而可以施力于移动样品4，使得移动样品4和固定样品3之间产生相对位移。

进一步地，所述压力促动器6的顶部开设有螺纹孔，双头螺柱7的底部与该螺纹孔相连接固定，固定螺栓8的底面内凹开设有螺纹孔，且该螺纹孔与双头螺柱7的顶部螺纹连接，固定螺栓8与支撑架1顶部螺纹孔相连接。如此设置，由于螺纹连接的对中性好，可以保证压力促动器施加的力一定是竖直向下的，进一步减小因装配问题而产生的未对准力。

本实施例中，固定螺栓8上的外螺纹采用细牙螺纹，可以有效放松，避免压力促动器产生的压力反作用力而导致上部固定端松动，影响实验的准确性，重复性不好，造成数据以及分析的误差，而得不到准确的结论。

位移测量机构用于测量移动样品4和固定样品3之间的相对位移量。位移测量机构包括棱镜13、反光镜片14和同轴激光9，棱镜粘贴固定在固定样品3的侧面上，反光镜片粘贴固定在移动样品4的侧面上，且反光镜片和棱镜相对设置，同轴激光9的激光头靠近棱镜设置。本实施例中的棱镜采用45°棱镜，45°棱镜可以让水平的激光经过反射后变的竖直，然后竖直照射至反光镜片中。同轴激光9独立地固定在隔振台上，同轴激光9的激光头为圆柱形，激光头利用光的反射来测量被测物体到激光头之间的距离，如图2和图4所示，a→b→c代表同轴激光9测量的固定样品3和移动样品4发生相对位移之前的距离，a→d→f→e代表同轴激光9测量的固定样品3和移动样品4发生相对位移之后的距离。

本实施例中45°棱镜为梯形侧面，即在标准45°棱镜的基础上切掉了一个侧面为直角三角形的三棱柱。由于同轴激光的测量精度是微米级别，为了保证同轴激光的测量精度，激光头到测量物体的距离必须在15mm以内，可以让圆形截面的激光头更靠近棱镜的斜面，使得激光头到棱镜以及棱镜到反光镜面的路程和最小，保证同轴激光的测量精度。

本实施例中，三轴力称重传感器2、固定样品3上的摩擦副10、移动样品4上的摩擦副和压力促动器6位于同一中心轴线上，且中心轴线与支撑架1的中轴线重合。

本实验装置配合的所有螺栓直径略小于通孔直径。

该装置的使用方法及工作过程为：

首先，从下往上装配，将三轴力称重传感器2固定在支撑架1上，螺栓应通过支撑架1底部的方槽通入三轴力称重传感器2，再从支撑架1内侧用螺栓将支撑架1固定在隔振台上的合适的位置上，然后将固定样品3放置在三轴力称重传感器2正上方。由于支撑架1内部空间有限，接着，自上而下装配，将压力促动器6的螺纹段自支撑架1伸入支撑架1内，在里面适合处，将压力促动器6与过渡部件11螺纹连接固定，再将移动样品4和过渡部件11用螺栓连接固定，最后用预紧力螺栓将移动样品4和固定样品5连接，要保持移动样品4与固定样品相平行，且压力促动器6位于支撑架1正中心。接着，将双头螺柱7一端与压力促动器6顶部的螺纹孔螺纹连接固定，另一端与固定螺栓8顶部的螺纹孔固定连接。安装好之后即可进行实验。实验方法如下：可以设定实验条件，用扭矩扳手拧动预紧力螺栓，利用扭矩公式，计算出预紧力螺栓的预紧力大小。并且预紧力也是可以不断调节的，以设置不同的实验条件。控制压力促动器6的运动方式，从而使移动样品4与固定样品3产生相对位移。由于设备刚度以及装配误差的影响，压力促动器产生的位移并不是完全等于移动样品4与固定样品3之间的相对位移，因此，通过同轴激光9、45°棱镜和反光镜片精确测出固定样品3与移动样品4之间的相对位移；三轴力称重传感器2和数据采集器采集固定样品3和移动样品4之间产生的摩擦力以及未对准力。数据采集器可以给三轴力称重传感器2供电，也可以识别三轴力称重传感器2采集的信号。

本实施例提供的一种搭接接头微动实验的实验装置，易于装配，操作容易，能够进行各种不同预紧力与不同规格材料试样的微动应力实验。本实施例提供的实验方法，控制与测量精度高，实验数据精确可靠，重复性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。