一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置及其方法与流程

本发明属于材料摩擦磨损测试领域，具体涉及一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置。

背景技术：

在轨空间站、核武器以及战略导弹等特种装备在服役期内，受到各种动态载荷的作用，其上螺栓连接部件的界面上易于出现材料损伤、表面形貌变化等摩擦磨损现象，进而导致整体装备的可靠性大幅降低，甚至出现灾难性事故。测试螺栓连接界面摩擦磨损特性可以为这些装备的设计优化、可靠性分析、寿命预测、健康监测等提供重要的数据支撑。

微动摩擦磨损测试的目的在于测量表征接触界面刚度和阻尼特性的相对位移-恢复力迟滞曲线及其演化规律，进而获得界面接触刚度、摩擦系数和磨损量等摩擦和磨损特性。目前，国内外关于微动摩擦磨损测试的研究文献、著作、技术发明专利多集中于研究材料在简单连接形式下的摩擦磨损行为，而对于螺栓连接界面微动摩擦磨损特性测试的研究非常少。然而，由于螺栓连接界面法向预紧力较大，摩擦行为表现出典型的微观/宏观复合滑动特征。这样，测试中要求要有足够大的沿界面切向的促动力，同时又要求对微观滑移现象进行准确的测量。前者要求促动力大以尽可能增大测量范围，后者要求相对位移测量精度高。而且，为了保证获得准确的磨损演化规律，测试装置激励系统的输出还需要保持良好的稳定性。

至今为止，国内外市售的用于材料摩擦和磨损性能测试的仪器还不能对螺栓连接界面微动摩擦和磨损特性进行测试。国内外技术发明中也未发现能对螺栓连接界面微动摩擦和磨损特性进行测量的测试仪器。国外文献中也仅有德国斯图加特大学基于共振原理提出了一种振动装置用于进行螺栓界面摩擦磨损测试(螺栓连接结构的非线性振动.物理学报，1997，125(1-4)：169-181.)，该装置利用电磁激振器激励质量块发生共振运动，利用质量块的惯性力来对螺栓连接界面进行切向加载，采用加速度计和数值积分方法间接获取界面相对位移，且载荷频率一般都较高。相似的装置还有美国桑迪亚实验室的大质量块共振装置等(连接结构动力学手册.桑迪亚实验室，2009，no.sand2009-4164)。需要说明的是，这类装置由于采用共振诱发的质量块惯性力实现间接测试，以及使用电磁激振器激励的问题，存在共振时激励输入不稳定、相对位移测试精度低等缺点。因此，针对这些不足，本发明提出了一种新的螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置，利用压电促动器驱动的闭环控制的高精度螺栓界面摩擦磨损测试装置。

本发明的技术方案是：一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置，其特征在于：包括激励系统、测量系统、试件及支撑系统；

所述试件及支撑系统包括螺栓连接试件、柔性导向板、外部支撑框和底座；所述底座用于安装和支撑整个装置，其上表面设置有两个平行的t形槽；所述外部支撑框为u形结构，在其u形的中心轴处开有第一通孔，用于安装所述激励系统，将所述外部支撑框的一侧u形表面通过定位螺栓贴合安装于所述底座上；两个所述定位螺栓沿底座的两个t形槽移动，能够实现所述外部支撑框在所述底座上位置的调整；所述柔性导向板为矩形板状结构，其一个侧面的两端固定于所述外部支撑框的两个u形支臂的端面上，将所述柔性导向板中间位置到其两端之间的部分定义为柔性导向板的两翼，所述两翼的厚度小于所述柔性导向板中间位置和两端的厚度；所述螺栓连接试件包括两个被连接件，两个所述被连接件通过螺栓和螺母贴合固定，所述螺栓连接试件一端即一个被连接件的一端与所述柔性导向板另一个侧面的中间位置固定连接，另一端即另一个被连接件的一端与所述测量系统固定连接；

所述激励系统包括压电促动器、信号发生器、功率放大器、旋钮和传力球；所述压电促动器同轴安装于所述外部支撑框的两个u形支臂之间，其一端安装于所述外部支撑框的第一通孔内，另一端安装于所述柔性导向板中心处的盲孔内，在所述压电促动器两端各设置一个传力球，安装于所述盲孔内的传力球与盲孔内底面接触，安装于所述第一通孔内的传力球通过所述旋钮定位，通过旋转所述旋钮能够压紧所述压电促动器；所述信号发生器通过功率放大器与所述压电促动器连接，用于将测试所述的电平信号放大后传递至压电促动器；

所述测量系统包括支撑块、动态力传感器、环形动态力传感器、激光测振仪、光学镜片和数据采集器；所述支撑块通过定位螺栓贴合安装于所述底座上，两个所述定位螺栓沿底座的两个t形槽移动，能够实现所述支撑块在所述底座上位置的调整；所述动态力传感器的一端固定于所述支撑块上，另一端与所述螺栓连接试件的另一端固定，用来测量两个所述被连接件连接界面的切向摩擦力；所述环形动态力传感器套于所述螺栓连接试件的螺栓上，用来监测螺栓预紧力的变化；两个光学镜片和两个所述激光测振仪分别依次设置于所述螺栓连接试件的两侧、所述外部支撑框和支撑块之间，通过所述光学镜片的反射测量两个所述被连接件连接界面的相对位移；所述数据采集器与两个所述光学镜片连接，数模信号的转换，并实现各种测量数据的采集和处理。

本发明的进一步技术方案是：所述定位螺栓的螺栓头安装于t形槽内，其螺纹杆垂直于所述底座的上表面并穿过所述外部支撑框的第二通孔或所述支撑块的第三通孔，定位螺母安装于所述螺纹杆露出外部支撑框或支撑块的部分，通过拧紧所述定位螺母实现所述外部支撑框或支撑块的定位。

本发明的进一步技术方案是：所述柔性导向板的两翼厚度为4mm。

本发明的进一步技术方案是：所述旋钮的一端有两个平行平面，便于施加扭矩，另一端设置有与所述旋钮中心轴重合的凹弧面，用于限制所述传力球的位置。

所述螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置的测试方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：将所述激励系统、测量系统、试件及支撑系统依次安装完成后，开启所述压电促动器、激光测振仪、信号发生器以及压电放大器，进行初始调试；

步骤二：通过计算机控制程序发出实验开始指令，所述压电促动器发出动态激励，通过所述柔性导向板传递至所述螺栓连接试件的连接界面，由于连接界面摩擦力的作用，所述螺栓连接试件的两个被连接件发生相对运动；

步骤三：所述动态力传感器测量传递于其上的摩擦力，所述激光测振仪测量界面相对位移，所述环形力传感器监测螺栓预紧力的变化，同时记录并存储测试结果；

步骤四：依次关闭测试设备的电源，将力测量端与激励施加端拆离，避免长时受载导致设备损坏，并将旋钮卸载。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)压电促动器在工作过程中会收到来自内置sgs传感器的反馈信号，进而实现输出信号的闭环控制，具有很高的稳定控制能力。

(2)激励的传递通过柔性导向板来保证其施加单向性，避免了装置的横向振动以及试件可能的旋转运动，提高了载荷传递的单向性。

(3)压电促动器能够实现很高的加载频率，因此在磨损测试中，理论上可以进行一定的加速实验，进而大大缩短测试时间。

(4)装置的激励施加端与测量端是可以分开的，因此试件部分容易推广至其它连接形式或其它几何形状的试件。

(5)装置采用两个激光头测量连接界面的相对位移，考虑了试件固定端的变形，因此测量可靠性较高。

本发明同时考虑了宽频激励、闭环控制、以及精密光学位移测量，可以实现多种工况的摩擦磨损测试，并容易扩展至其它连接形式及试件。此外，该装置还具有多项保护措施，能够避免设备损坏。

附图说明

图1：螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置示意图

图2：激励施加装置

图3：力测量设备及试件

图4：位移测量装置示意图

图5：柔性导向板示意图

图6：传力球与压电促动器的连接示意图

图7：信号发生及数据采集系统接线示意图

附图标记说明：1-压电促动器，2-柔性导向板，3-旋钮，4-外部支撑框，5-传力球，6-支撑块，7-动态力传感器，8-环形动态力传感器，9-螺栓连接试件，10-光学镜片，11-激光测振仪(虚线及箭头代表光路)，12-功率放大器，13-信号发生器，14-内置sgs反馈控制器，15-数据采集器，16-t型槽。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

如图1所示，本发明设计了一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置。该装置主要包含激励施加装置、力测量设备及螺栓连接试件、位移测量装置三个部分。如图2所示，激励施加装置包括压电促动器1、外部支撑框4、柔性导向板2、旋钮3、传力球5。压电促动器1的两端通过两个金属小球5分别与柔性导向板2和旋钮3发生硬接触，所有零件的中心线与压电促动器1的中轴线重合，安装激励装置时，通过旋转旋钮3使得压电促动器1与其他零件间紧密配合，不造成激励损耗。压电促动器1的引线与压电放大器和内置的sgs传感器相连接，实现信号的施加和闭环控制。然后装配力测量设备及试件部分，如图3所示，其包含支撑块6、动态力传感器7、环形动态力传感器8、螺栓连接试件9。动态力传感器7的一端通过螺栓连接固定于支撑块6上，而另一端则通过双头螺柱与螺栓连接试件9连接。环形动态力传感器8套于连接螺栓连接试件9的螺栓上，这两个力传感器的引线与数据采集器连接来实现数模信号的转换及信号采集。将图3所示的试件与图2所示的激励施加装置进行对中并连接。试件相对位移的测量则是靠激光测振仪11实现，如图4所示。位移测量装置包含两个同样的光学镜片10及两个激光测振仪11。其中一个激光测振仪11的激光束通过光学镜片的反射，照于与柔性导向板2相连的试件9上，用于测量试件一端的位移。另一个激光测振仪11的激光束通过光学镜片10的反射，照于动态力传感器7的表面，用于测量试件另一端的位移。试件连接界面的相对位移则通过上述测得的位移量相减来获得。

本发明一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置的第一个分系统为激励系统，包含压电促动器1、信号发生器13、功率放大器12、旋钮3、传力球5。压电促动器1作为装置的动力源，提供周期性激励，并通过内置传感器及反馈元件实现闭环控制，以保证在摩擦磨损测试过程中，输出稳定的激励信号。信号发生器13的作用是提供测试所需的特定频率、波形的电平信号，并传给功率放大器12。功率放大器12则是将信号放大并传递至压电促动器。旋钮3的作用是在装置初始安装时提供预紧力使得压电促动器1与螺栓连接试件9硬接触，并避免测试过程中出现两者间的分离，避免载荷失效。传力球5用于传递压电促动器1输出的载荷，并将由装配和工艺导致的不对称载荷卸载，避免压电促动器1因受到径向剪切力而损坏的，确保压电促动器1不受径向的剪切力作用，进而保护促动器。

第二个分系统为测量系统，包含动态力传感器7、环形动态力传感器8、激光测振仪11、光学镜片10、数据采集器15。其中动态力传感器7被用来测量经连接界面传递的切向摩擦力；环形动态力传感器8则被用来监测螺栓预紧力的变化；两个激光测振仪11和两个光学镜片10，分别置于装置的两侧，避免光路干扰，两组测量数据进行相减即可得到连接界面相对位移。激光测振仪11的作用是测量连接界面间的相对位移；光学镜片10被用来反射激光测振仪11发射的激光束至连接件端面附近区域并标记测量点。数据采集器的作用则是实现数模信号的转换，采集和处理数据信号。

第三个分系统为试件及支撑系统，包含螺栓连接试件9、柔性导向板2、外部支撑框4、底座。螺栓连接试件9的一端与压电促动器1相连，另一端与动态力传感器7相连。柔性导向板2的作用是保证压电促动器输出的激励沿其轴向传递，其刚度一定要低于压电促动器自身的刚度，以保证压电促动器1能提供足够的位移。柔性导向板2的低刚度要求由位于两侧的薄片部位及两翼部分(厚度为4mm，材料为不锈钢，可通过调整薄片的长度来改变结构整体刚度)来保证。外部支撑框4起限位作用，将压电促动器1与动态力传感器7固连于所述底座的t型槽上。所述底座用于固定整个试验装置的刚性基础。

连接界面摩擦磨损测试装置的工作流程主要分为三步：

1)根据流程依次安装设备，开启压电促动器1、激光测振仪11、信号发生器以及压电放大器，进行初始调试。

2)计算机控制程序发出实验开始指令，压电促动器1发出动态激励，通过柔性导向板2传递至试件9的连接界面，由于摩擦力的作用，试件发生相对运动。

3)动态力传感器7测量传递于其上的摩擦力，激光测振仪11测量界面相对位移，环形力传感器8监测螺栓预紧力的变化。记录并存储测试结果。

依次关闭测试设备的电源，将力测量端与激励施加端拆离，避免长时受载导致设备损坏，并将旋钮卸载。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。