一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置包括激励系统、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；本发明专利技术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，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。

A Fretting Friction and Wear Testing Device for Bolt Connection Interface and Its Method

【技术实现步骤摘要】
一种螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置及其方法
本专利技术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。
技术介绍
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、技术专利技术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。国内外技术专利技术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，本专利技术提出了一种新的螺栓连接界面微动摩擦磨损测试装置。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术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。本专利技术的进一步技术方案是：所述柔性导向板的两翼厚度为4mm。本专利技术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。有益效果本专利技术的有益效果在于：(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。本专利技术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：螺栓连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。...

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，李东武，张之树，郭宁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61