本发明属于机械结合面特性测量装置技术领域，涉及一种机械结合面切向刚度动态测量装置，还涉及采用该测量装置进行机械结合面切向刚度的测量方法。
背景技术：
由多个零件构成的机械结构，其结合面的接触性能，包括法向的接触刚度和切向的接触刚度，法向的接触阻尼和切向的接触阻尼，对整体结构的刚度和阻尼有重要影响，例如在机床结构中，整机的刚性有一半以上由是结合面贡献的，结合面阻尼则占到整机阻尼的60％以上；在机械设计过程中，需要知道结合面的刚度和阻尼数据，以便考虑结合面刚度和阻尼对结构性能的影响；结合面单位面积上法向和切向刚度数据可以通过理论计算，也可以通过试验得到；由于现在的理论计算并不成熟，还不能通过理论计算获得准确的结合面在振动条件下的刚度和阻尼，通过计算获得的结合面刚度数据与实际情况往往存在较大差异，并且理论计算目前还不能考虑实际结合面中油膜的影响。
与理论计算相对应，结合面的刚度和阻尼数据也可以采用试验方法获得。试验方法可以分为两类，即静态法和动态法。静态法是通过静力试验获得静态的结合面数据，静态法不能获得阻尼数据，也不能获得动态条件下的结合面刚度数据。由于结合面的静态特性与动态特性并不相同，结合面的动态特性，包括动态刚度和阻尼，需要通过动态试验方法获得。动态试验方法采用平面的结合面试样，通过测量振动条件下的结合面载荷和变形，即可获得结合面的刚度和阻尼。试验中使用的结合面与实际结构中的结合面保持一致，即采用相同的加工方法，具有相同的粗糙度，也可以加入与实际结合面相同的油，从而在试验结果中包含油膜的影响。
通过振动试验获得结合面刚度和阻尼的方法，目前存在的主要问题是试验装置中包含不止一个结合面，测量的振动响应中除了包含有作为研究对象的接触试样的结合面的响应外，还包含试验装置中其它结合面的响应，如传感器与试样的结合面，加载系统各个零件之间的结合面，试样支撑系统中各个零件之间的结合面的响应等等，这些作为非研究对象的结合面的响应难以从测量数据中分离、排除，影响试验结果的准确性。此外，无论是静态试验还是动态试验，在测量切向刚度过程中都难以在结合面上施加均匀一致的切向载荷，也使得试验方法很难得到准确的切向刚度数据。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种机械结合面切向刚度动态测量装置，解决了现有结合面刚度测量装置在测量过程中无法排除其他结合面等周围因素的影响且结合面无法施加均匀一致的剪切应力而导致测量结果不准确的问题。
本发明的另一个目的是提供一种机械结合面切向刚度动态测量方法。
本发明所采用的一个技术方案是，
一种机械结合面切向刚度动态测量装置，包括圆柱形的罐体，罐体内设置有轴芯，轴芯外壁套接有轴套，且轴套外壁与罐体内壁之间留有间隙，轴芯与轴套之间形成结合面，轴芯和轴套上表面分别连接有加速度测量装置，且每个加速度测量装置均通过导线连接有信号采集设备，罐体底部和两侧外壁上均开设有进气口。
本发明的特点还在于：
轴套的内径小于轴芯的直径。
每个加速度测量装置均为加速度计，且加速度测量装置均匀设置于轴芯和轴套上表面。
导线与加速度测量装置的总质量不大于轴芯与轴套总质量的1％。
轴芯和轴套的上端面露出罐体上表面。
本发明所采用的另一个技术方案是，
一种机械结合面切向刚度动态测量方法，该方法使用上述机械结合面切向刚度动态测量装置，具体按照如下步骤实施：
步骤1、通过进气口向罐体内输送压缩空气，使压缩空气进入轴套、轴芯下端面与罐体内底部之间的间隙，并沿罐体的内壁与轴套之间的间隙向上运动并排出，保持轴套和轴芯不与罐体内壁接触；
步骤2、使用力锤沿轴芯的上表面中心位置向下敲击轴芯，使轴芯与轴套之间产生相对的振动，加速度测量装置测出轴芯与轴套沿结合面切向上下振动的信号并通过导线送至信号采集设备；
步骤3、信号采集设备对振动信号进行A/D转换后，将其送入计算机，在计算机中进行频谱分析，获得轴芯与轴套沿结合面切向上下振动的共振频率ω，根据公式(1)计算得出结合面单位面积的切向接触刚度k；
式(1)中，m1为轴芯的质量，m2为轴套的质量，a为结合面的表面积。
本发明的有益效果是：
本发明一种机械结合面切向刚度动态测量装置，通过轴芯与轴套两个零件之间配合的过盈量提供结合面的法向预紧力，通过改变过盈量改变法向预紧力，不需要专门的结合面的预紧力加载装置；结合面上的切向力来源于轴向自由振动过程中均布的惯性力，因此在结合面上可以得到均布的切向力，同时在振动过程中无需激振，省去了稳态激振装置，避免了稳态激振装置中的各个结合面对结合面试样的振动的影响；本发明的测量方法中，由于压缩空气的浮力将轴套、轴芯与罐体分离，轴套和轴芯不与其它零件接触，不与其它支撑零件形成结合面，使得轴套和轴的振动信号中只包含结合面的振动信息而不包含其它结合面的振动信息，从而实现单一结合面的测量，使得结合面切向刚度测量具有较高的准确性和实用价值，且测量方法简单。
附图说明
图1是本发明一种机械结合面切向刚度动态测量装置的整体结构示意图。
图中，1.罐体，2.轴芯，3.轴套，4.加速度测量装置，5.进气口，6.导线，7.结合面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种机械结合面切向刚度动态测量装置，如图1所示，包括圆柱形的罐体1，罐体1内设置有轴芯2，轴芯2外壁套接有轴套3，轴芯2和轴套3形成圆柱形的结合面试样，轴芯2和轴套3的接触面就是作为研究对象的圆柱形的结合面7，轴套3的内径小于轴芯2的直径，使得轴套3以过盈配合的方式套在轴芯2外壁上，通过轴芯2与轴套3之间配合的过盈量来提供结合面7的法向预紧力，通过改变过盈量改变法向预紧力，不需要专门的结合面的预紧力加载装置。
轴套3外壁与罐体1内壁之间留有间隙，保证在压缩空气的作用下，轴套3的外壁不与罐体1内壁接触，且轴芯2和轴套3的上端面露出罐体1上表面，轴芯2和轴套3上表面分别连接有加速度测量装置4，且每个加速度测量装置4均通过导线连接有信号采集设备，且导线7与加速度测量装置4的总质量不大于轴芯2与轴套3总质量的1％，其中，加速度测量装置4为均匀设置在轴芯2和轴套3上表面的若干个微型加速度计，用来测量轴套3和轴芯2的振动信号，微型加速度计通过胶水粘结在轴套3和轴芯2的上表面，由于轴套3和轴芯2的总质量远大于微型加速度计和导线的质量，因而可以忽略微型加速度计和导线对轴套3和轴芯2振动的影响。
罐体1内的底部和两侧外壁上均开设有进气口5，且罐体1底部及两侧外壁的进气口5均匀对称分布，以便浮在罐体1中的结合面试样与罐体1之间保持均匀的间隙；工作时，压缩空气通过进气口5进入罐体1内壁与轴套3之间的间隙后向上运动并从罐体1上表面排出，压缩空气将套在一起的轴套3和轴芯2浮起，保持轴套3和轴芯2不与罐体1接触。
本发明一种机械结合面切向刚度动态测量方法，该方法使用上述机械结合面切向刚度动态测量装置，具体按照如下步骤实施：
步骤1、通过进气口5均匀向罐体1内输送压缩空气，使压缩空气进入轴套3、轴芯2下端面与罐体1内底部之间的间隙，并沿罐体1内壁与轴套3之间的间隙向上运动并排出，保持轴套3和轴芯2不与罐体1内壁接触；
步骤2、使用力锤沿轴芯2的上表面中心位置向下敲击轴芯2，使轴芯2与轴套3之间产生相对的振动，加速度测量装置4测出轴芯2与轴套3沿结合面7切向上下振动的信号并通过导线送至信号采集设备；
激振结合面试样是采用锤击法，省去了稳态激振装置，避免了稳态激振装置中的各个结合面对结合面试样的振动的影响。
步骤3、信号采集设备对振动信号进行A/D转换后，将其送入计算机，在计算机中进行频谱分析，获得轴芯2与轴套3沿结合面7切向上下振动的共振频率ω，根据公式(1)计算得出结合面7单位面积的切向接触刚度k；
式(1)中，m1为轴芯2的质量，m2为轴套3的质量，a为结合面7的表面积。
通过上述方式，本发明一种机械结合面切向刚度动态测量装置，通过轴芯与轴套两个零件之间配合的过盈量提供结合面的法向预紧力，通过改变过盈量改变法向预紧力，不需要专门的结合面的预紧力加载装置；结合面上的切向力来源于轴向自由振动过程中均布的惯性力，因此在结合面上可以得到均布的切向力，同时在振动过程中无需激振，省去了稳态激振装置，避免了稳态激振装置中的各个结合面对结合面试样的振动的影响；本发明的测量方法中，由于压缩空气的浮力将轴套、轴芯与罐体分离，轴套与轴芯不与其它零件接触，不与其它支撑零件形成结合面，使得轴套与轴芯的振动信号中只包含作为研究对象的结合面的振动信息而不包含其它结合面的振动信息，从而实现单一结合面的测量，使得结合面切向刚度测量具有较高的准确性和实用价值，且测量方法简单，方便。