[发明专利]一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置及方法

权利要求书

1.一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，所述金属结合面为上试件(14)和下试件(15)的接触面，其特征在于：包括固定框架、调整单元、动态激励加载单元；

所述固定框架包括下支撑板(1)、立柱(2)、上支撑板(3)、第一紧固螺钉(4)；立柱(2)设置于下支撑板(1)与上支撑板(3)中间，并通过第一紧固螺钉(4)与上支撑板(3)、下支撑板(1)连接，形成框架结构；上支撑板(3)上设有中心通孔；

所述调整单元包括调整螺钉(7)、盖板(6)、中空套筒(12)、锁紧装置；盖板(6)、中空套筒(12)均设有中心通孔，且盖板(6)的中心通孔的直径小于中空套筒(12)的中心通孔，中空套筒(12)的中心通孔的直径小于上支撑板(3)的中心通孔；盖板(6)平行设置于上支撑板(3)上方；多个调整螺钉(7)沿圆周方向均匀分布，调整螺钉(7)与盖板(6)螺纹连接后，其端部与所述上支撑板(3)接触；盖板(6)下方设置中空套筒(12)，且中空套筒(12)同轴设置于上支撑板(3)的中心通孔内；多个压力传感器(9)均匀分布在中空套筒(12)的上端面；锁紧装置安装在上支撑板(3)与盖板(6)之间，用于锁紧中空套筒(12)，使其始终保持位置固定；

所述上试件(14)和下试件(15)叠放在下支撑板(1)上，且上试件(14)与下试件(15)的接触面为环面；

所述上试件(15)的上表面与中空套筒(12)的下端面之间设置上弹性媒介(13)；下试件(15)的下表面与下支撑板(1)之间设置下弹性媒介(16)；上弹性媒介(13)与下弹性媒介(16)为圆环状结构；上试件(14)的上边缘与下试件(15)的下边缘均安装加速度传感器(17)；

所述动态激励加载单元包括激励杆(8)和力锤；激励杆(8)依次穿过盖板(6)、中空套筒(12)和上弹性媒介(13)后与上试件(14)接触；力锤用于给激励杆(8)提供敲击力，从而给上试件(14)与下试件(15)之间的接触面施加法向激励力。

2.根据权利要求1所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述上弹性媒介(13)与下弹性媒介(16)均采用金属橡胶制成。

3.根据权利要求2所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述锁紧装置包括半圆卡位板(5)与偏心轮(11)；半圆卡位板(5)为半圆环结构，且其内径略小于中空套筒(12)的外径，两个第二紧固螺钉(10)穿过半圆卡位板(5)固定其位置；偏心轮(11)是由凸轮(111)和手柄(112)构成，第二紧固螺钉(10)固定凸轮(111)的位置。

4.根据权利要求3所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述下支撑板(1)上设有小凸台。

5.根据权利要求4所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：力锤采用金属锤头，响应在1-8000Hz。

6.根据权利要求5所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述压力传感器(9)为3个。

7.根据权利要求8所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述上支撑板(3)与下支撑板(1)之间的设有3个立柱(2)，且均匀分布。

8.根据权利要求7所述的一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其特征在于：所述盖板(6)与上支撑板(3)之间设置3个调整螺钉(7)。

9.一种共振式大面积金属结合面接触刚度测试方法，其特征在于：采用如权利要求1至8任一所述的共振式大面积金属结合面接触刚度测试装置，其具体步骤如下：

步骤1：安装待测试件

1.1)依次将下弹性媒介(16)、下试件(15)、上试件(14)和上弹性媒介(13)放置在下支撑板(1)上；

1.2)将两个加速度传感器(17)放在上试件(14)的上边缘与下试件(15)的下边缘；

1.3)将中空套筒(12)压在上弹性媒介(13)上；

1.4)将多个压力传感器(9)均匀分布在中空套筒(12)上端面，用盖板(6)压紧压力传感器(9)；

步骤2：施加压力

2.1)依次拧紧调整螺钉(7)，使多个压力传感器(9)的测量压力保持一致，确保压力均匀施加；

2.2)当压力传感器(9)达到预设最大值F时，保持调整螺钉(7)位置不变，使用锁紧装置固定中空套筒(12)的位置；

步骤3：施加法向激励力

3.1)力锤敲击激励杆(8),并记录力锤敲击力；

3.2)加速度传感器(17)测量激励后的响应，测量上试件(14)与下试件(15)加速度向量随时间变化的规律，通过加速度向量和力锤敲击力，求取系统传递函数，从而获得系统的第一阶固有频率f₁₁和第二阶固有频率f₂₁；

步骤4：多次实验

一组实验做完后，拆卸待测试件并重新装配，重复实验步骤两次；第二次实验获得系统的第一阶固有频率f₁₂和第二阶固有频率f₂₂；第三次实验获得系统的第一阶固有频率f₁₃和第二阶固有频率f₂₃；

步骤5：数据处理

所测试上试件与下试件结合面接触刚度计算如下：

其中k_S是上试件与下试件结合面接触刚度，m是上试件或下试件重量(上下试件重量相等)，f₁是第一阶固有频率三次实验的平均值，f₂是第二阶固有频率三次实验的平均值；

步骤6：获取接触刚度随接触压力变化规律

更改施加在结合面上的接触压力F，并重复步骤3到步骤5，得到结合面接触刚度随接触压力变化的规律，便于接触规律理论推导的验证。