一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验装置的制作方法

本实用新型涉及金属材料技术领域，特别涉及一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验装置。

背景技术：

在机构运动分析中，两构件通过点接触或线接触而构成的高副属于基本运动副之一。为了精确计算高副中两个构件之间在相对滑动导致的磨损，往往需要获得两构件之间接触中发生的碰撞力及其材料接触变形信息，而碰撞力与材料接触变形的关系为幂指数(即接触碰撞指数)关系，当然，两种不同金属材料构成的构件在接触碰撞过程中，碰撞力与材料接触变形的关系也为幂指数关系，而接触碰撞的金属材料不同，该幂指数也不同。

一旦能够精确获得该幂指数，则可以获得高副中两金属材料之间碰撞力与材料接触变形的精确关系，从而有利于计算高副中两金属材料之间的磨损寿命。

目前接触碰撞中幂指数的计算值是通过理论推导出来，但是在理论推导中没有考虑金属材料特性异同这一关键因素，实际上，不同材料接触碰撞，其对应的幂指数是不一样的，如图1所示为两种金属材料(材料1与材料2)的碰撞示意图，材料1和材料2在接触碰撞中沿着公切线方向相对滑动，其相对滑动速度为V1，F_N和F_N'为大小相等方向相反的法向碰撞力，该碰撞力和变形量的关系是F_N＝Kδⁿ(1)，其中，K为刚度系数，δ为变形量，n为接触变形的幂指数也即接触碰撞的变形指数，实际碰撞力，不同材料接触碰撞时K和n都不同，因此，理论推导结果与实际情况不相符，难以应用，导致目前业界还未给出不同接触碰撞的金属材料对应的变形指数的确定方法，也无法通过有效地试验装置来确定金属材料接触碰撞指数。

有鉴于此，本发明人研制出一种可快速有效地确定金属材料接触碰撞指数的试验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验装置，其结构简单易操作，适用于测量硬度差别较大的两种金属材料的碰撞变形指数，该变形指数与具体接触碰撞的材料种类相关联，获得的变形指数更精确且更符合实际应用。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验装置，包括硬金属块A、硬金属块B、软金属块C、推力计、激光测距传感器、推动装置和底座；

所述推动装置安装在底座上，推力计安装在推动装置上，推动装置可推动推力计上下移动，所述推力计下端安装一顶针；

所述硬金属块A和B为相同金属材料，硬金属块A固定在底座上，硬金属块B位于推力计顶针的正下方，软金属块C夹置于硬金属块A和B之间，硬金属块A相对于硬金属块B突出，激光测距传感器安装在推力计上，且激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分。

所述推动装置包括导轨、移动台、横杆及螺栓杆，所述导轨竖向安装在底座上，横杆安装在导轨上端，移动台套置在导轨上，横杆开设通孔，移动台开设与通孔同心的螺孔，螺栓杆从横杆上方穿过通孔后旋入移动台的螺孔，所述推力计固定在移动台上，旋转螺栓杆可带动移动台和推力计沿导轨上下移动。

所述螺栓杆上端安装一旋转手柄。

所述导轨由两根不锈钢柱组成，两根不锈钢柱平行安装在底座上，螺栓杆位于两根不锈钢柱之间。

所述硬金属块A和B均为方块形，软金属块C为圆柱形。

所述还包括一门型架，硬金属块A、硬金属块B、软金属块C与推力计均位于门型架内。

采用上述方案后，本实用新型工作原理如下：硬金属块A、硬金属块B、软金属块C构成一个碰撞体系，推动装置带动推力计下移，以推动硬金属块B下压，使软金属块C在硬金属块A与硬金属块B的挤压下变形，此过程中，推力计记录碰撞力F_N，激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分，从而记录激光测距传感器与硬金属块A的距离变化值，该距离变化值即为碰撞位移ε_i(即变形量)，重复进行多组测试，获得多组碰撞力和碰撞位移数据，便可计算出幂指数n的参数辨识(包括幂指数和刚度系数)。

本实用新型的有益效果是：试验装置简单易行，成本低，能够通过该装置测得碰撞数据，从而确定任意硬度且差别较大的接触碰撞金属材料之间的碰撞幂指数，进而获得接触碰撞金属材料的碰撞力与接触变形的精确数学关系，为高副中两接触碰撞金属材料的磨损情况及其寿命评估提供必要条件。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1是两种金属材料碰撞示意图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型碰撞体系下待测金属材料的受载变形的示意图。

标号说明

硬金属块A 1

硬金属块B 2

软金属块C 3

推力计 4 顶针 41

激光测距传感器 5

推动装置 6 导轨 61

移动台 62 横杆 63

螺栓杆 64 旋转手柄 65

底座 7 门型架 8。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型揭示的一种确定金属材料接触碰撞变形指数的试验装置，包括硬金属块A1、硬金属块B2、软金属块C3、推力计4、激光测距传感器5、推动装置6和底座7；

所述推动装置6安装在底座7上，推力计4安装在推动装置6上，推动装置6可推动推力计4上下移动，所述推力计4下端安装一顶针；

所述硬金属块A1和B2为相同金属材料，硬金属块A1固定在底座7上，硬金属块B2位于推力计顶针41的正下方，软金属块C3夹置于硬金属块A和B之间，硬金属块A相对于硬金属块B突出，激光测距传感器安装在推力计上，且激光测距传感器的测距头对准硬金属块A的突出部分。

本实施例中，推动装置6包括导轨61、移动台62、横杆63及螺栓杆64，所述导轨61竖向安装在底座7上，横杆63安装在导轨61上端，移动台62套置在导轨61上，横杆63开设通孔，移动台62开设与通孔同心的螺孔，螺栓杆64从横杆63上方穿过通孔后旋入移动台62的螺孔，所述推力计4固定在移动台62上，旋转螺栓杆64可带动移动台62和推力计4沿导轨61上下移动。

为了便于旋转螺栓杆64，所述螺栓杆64上端安装一旋转手柄65。

所述导轨61由两根不锈钢柱组成，两根不锈钢柱平行安装在底座上，螺栓64位于两根不锈钢柱之间，两根不锈钢柱构成的导轨是移动台62上下移动是更平稳。

为了增加接触碰撞的稳定性，所述硬金属块A和B均为方块形，软金属块C为圆柱形。

为了进一步增加接触碰撞的稳定性，所述还包括一门型架，硬金属块A、硬金属块B、软金属块C与推力计均位于门型架内。

以下为本实用新型的试验原理：

硬金属块A1、硬金属块B2、软金属块C3构成一个碰撞体系，推动装置6带动推力计4下移，以推动硬金属块B2下压，使软金属块C3在硬金属块A1与硬金属块B2的挤压下变形，此过程中，推力计4记录碰撞力F_N，激光测距传感器5的测距头对准硬金属块A的突出部分，从而记录激光测距传感器5与硬金属块A1的距离变化值，该距离变化值即为碰撞位移εⁱ(即变形量)，重复进行多组测试，获得多组碰撞力和碰撞位移数据，便可计算出幂指数n的参数辨识。

如图3所示，硬金属块A1、硬金属块B2、软金属块C3在碰撞时，实际有变形量δ₁和δ₂，δ_总＝δ_总＝δ₁+δ₂。

下表1为5组碰撞的试验数据：

由于硬金属块B挤压软金属块C之前还有一段空行程Δ(为一个常数)，因此接触时的变形为：

结合式(1)和式(2)可得式(3)，如下：

进一步得：

最后，对于表1中的试验数据，可以通过求解下述优化函数，从而获得对空行程Δ和幂指数n的参数辨识；

最后，可以计算出的空行程Δ和幂指数n分别为0.005mm和1.1。

以上仅为本实用新型的具体实施例，并非对本实用新型的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。