结合面真实接触面积测量装置与测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及结合面理论研究领域中真实接触面积测量技术领域，尤其设及一种结 合面真实接触面积测量装置与测量方法。
【背景技术】
[0002] 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 %W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。
[0003] 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】
[0004] 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梓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运一原理，获得结合面真实接触面积。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
[0006] 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、电满流传 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 之间安装有中屯、钢球，基座上设有针对中屯、钢球的中屯、螺纹孔，中屯、螺纹孔中安装有螺栓； 螺栓与中屯、钢球接触，中屯、钢球与下试件接触，上试件与下试件相互接触；电满流传感器与 下试件相连，用于测试结合面的变形量；电满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。
[0007] 进一步的，所述螺栓为10. 9S级高强度扭剪型螺栓；螺杆轴屯、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。
[0008] 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 与基座的中屯、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。
[0009] 进一步的，电满流传感器对称布置下试件的两侧。
[0010] 进一步的，上试件与支架之间的连接是过盈配合。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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W下步骤：
[0014] (a)通过超声探头测量上试件和下试件的声阻抗Zi和Z2,根据式（1)求反射系数：
[001 引
(1)
[0016] 化）通过超声探头测量接触区和非接触区的穿透力，根据（2)求得结合面处超声 波的穿透力：
[0017] h=h，+h" 似
[0018] 式中，h'表示非接触区超声波的反射穿透力，h"表示接触区超声波的反射穿透 力；
[0019] (C)根据式（1)和式似，计算结合面的接触率：
[0020]
巧）
[0021] 式中，h。表示无结合面结构的反射穿透力；
[0022] (d)根据接触率和名义接触面积，求得真实接触面积：
[0023] Ar=An (4)
[0024] 式中，A表示名义接触面积。
[0025] 相对于现有技术，本发明的优点在于：
[0026] (1)从实验装置可看出，测试出来的相关数据仅仅是上下试件结合面中所包含的 相关信息，无需甄别、分离和提取其他因素摄入的信息，而且采用的是直接测量法。
[0027] (2)为了便于研究表面粗糖度、材料、介质等因素对结合面微观接触特性的影响， 本实验装置结构简单、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。
[0028] (3)在下试件中设置两个电满流传感器，既可保证装置的同轴度，又可检验上下试 件接触时变形量是否相同，从而可验证模型正确性。
[0029] (4)通过将螺栓中植入应变片的方法，可W方便获取螺栓预紧力的大小，从而能够 获得不同预紧力与结合面真实接触面积之间的关系。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明结合面真实接触面积测量装置的原理图。
[0031] 图2是本测量装置上试件图。
[0032] 图3是本测量装置下试件图。
[0033] 图4是本测量装置基座俯视图。
【具体实施方式】
[0034] 如图1至图4所示，本发明一种结合面真实接触面积测量装置包括：超声探头1、 上试件2、支架3、下试件4、电满流传感器5、钢球6、基座7、螺栓8、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。
[0035] 超声探头1放置上试件2上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件2与支 架3紧固在一起；下试件4设置于上试件2与基座7之间，基座7与下试件4之间安装有中 屯、钢球6,基座7上设有针对中屯、钢球6的中屯、螺纹孔，中屯、螺纹孔中安装有螺栓8 ;通过力 矩扳手给螺栓8施加预紧力，使得螺栓8与中屯、钢球6接触，中屯、钢球6与下试件4接触， 最终使得上试件2与下试件4相互接触；电满流传感器5与下试件4相连，通过预紧力的改 变，可测试结合面的变形量；电满流传感器5的输出端通过信号采集系统连接计算机；通过 超声探头1、超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡，可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。
[0036] 螺栓8为10. 9S级高强度扭剪型螺栓，可W重复使用而不改变其力学性