專利名稱：球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置及方法
技術領域：
本發明屬于機械結構的結合面測試技術領域，涉及機械結構中典型的球面與圓錐面、球面與球窩、球面與平面、球面與直形溝道、球面與環形內溝道、球面與環形外溝道等球面與回轉面的結合面接觸剛度測試，具體涉及一種球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，本發明還涉及利用該裝置進行球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法。
背景技術：
機械結構中典型的回轉面主要有球面(雙自由度回轉面，外球面)、球窩(內球面)、平面(半徑無窮大的單自由度回轉面)、圓錐面(直母線與回轉軸線成一定夾角且共面的單自由度回轉面)、直形溝道(內圓柱面，直母線與回轉軸線平行的單自由度回轉面)、環形溝道回轉面(圓弧母線與回轉軸線共面的單自由度回轉面，又分為環形內溝道回轉面和環形外溝道回轉面)。由球體的球面與回轉體的回轉面接觸而組成的結合面稱為球面-回轉面結合面，主要類型包括球面-圓錐面結合面、球面-球窩結合面、球面-平面結合面、球面-直形溝道結合面、球面-環形內溝道結合面、球面-環形外溝道結合面六種類型。球面-回轉面結合面的接觸剛度一般采用基于基礎檢測數據的解析方法獲取，解析方法及解析結果的可靠性必須用測試進行驗證，但由于球面-回轉面結合面是存在于測試系統之中，特別是球體的位移直接檢測困難，如果測試方法獲取的球面-回轉面結合面的接觸剛度不準確，就不能可靠地用它去驗證球面-回轉面結合面的接觸剛度解析方法的正確性，也不能用測試方法獲取和積累準確的球面-回轉面結合面接觸剛度數據資源，因此測試技術方案、測試裝置和具體實施的測試方法對保證測試的準確性非常關鍵。
發明內容
本發明的目的是提供一種球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，解決了現有技術中存在的，進行球面-回轉面結合面的接觸剛度測試的準確性難以保證的問題。本發明的另一目的是提供一種球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法。本發明所采用的技術方案是，一種球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，包括在框形測試臺架中，沿框形測試臺架豎軸方向，從框形測試臺架底板至框形測試臺架頂板之間依次設置有上端具有回轉面的下試件、球體試件、下端具有回轉面的上試件和加載組件，上試件的回轉面壓在球體試件上，球體試件壓在下試件的回轉面上，下試件固定在框形測試臺架底板上，所述的加載組件包括安裝在上試件上表面的三向力傳感器，三向力傳感器上通過連接螺釘連接有套筒，套筒的下端凸圓臺套裝在三向力傳感器的外圓上，套筒的上端口固定連接有擋圈，套筒的上端外圓上套裝有法蘭套，套筒的外徑與法蘭套的內孔配合，法蘭套的上表面與框形測試臺架頂板固定連接；穿過框形測試臺架頂板、法蘭套的上端、擋圈設置有一加載螺桿，加載螺桿與連接螺釘和三向力傳感器同軸設置，在擋圈兩邊的加載螺桿上分別安裝有止推軸承和徑向軸承，在上試件上安裝有多個位移傳感器，每個位移傳感器測頭對準下試件，沿平行于Z 軸且對稱于球體試件球心的周圍布置。本發明所采用的另一技術方案是，一種球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法，利用一套測量裝置，包括在框形測試臺架中，沿框形測試臺架豎軸方向，從框形測試臺架底板至框形測試臺架頂板之間依次設置有上端具有回轉面的下試件、球體試件、下端具有回轉面的上試件和加載組件，上試件的回轉面壓在球體試件上，球體試件壓在下試件的回轉面上，下試件固定在框形測試臺架底板上，所述的加載組件包括安裝在上試件上表面的三向力傳感器，三向力傳感器上通過連接螺釘連接有套筒，套筒的下端凸圓臺套裝在三向力傳感器的外圓上，套筒的上端口固定連接有擋圈，套筒的上端外圓上套裝有法蘭套，套筒的外徑與法蘭套的內孔配合，法蘭套的上表面與框形測試臺架頂板固定連接；穿過框形測試臺架頂板、法蘭套的上端、擋圈設置有一加載螺桿，加載螺桿與連接螺釘和三向力傳感器同軸設置，在擋圈兩邊的加載螺桿上分別安裝有止推軸承和徑向軸承，在上試件上安裝有多個位移傳感器，每個位移傳感器測頭對準下試件，沿平行于Z 軸且對稱于球體試件球心的周圍布置，利用上述的裝置，該方法按照以下步驟實施①首先調整各部件使Z向載荷Fz的作用線平行于Z軸并通過球體試件的球心，用三向力傳感器的讀數進行調整監視，監視調整至三向力傳感器其他分力近似為零，只有沿三向力傳感器的軸向分力，即為Z向載荷Fz;②將多個位移傳感器固定在上試件上，測頭對準下試件，且安裝點及測量點靠近球體試件，然后調整各個位移傳感器的安裝，沿平行于Z軸且對稱于球體試件球心的周圍布置多個位移傳感器，用位移傳感器的讀數進行調整監視，使在施加Z向載荷Fz時各個位移傳感器的讀數值變化近似一致，以保證測量的位移、與Z向載荷Fz的方向一致；再使用有限元方法計算上試件、球體試件和下試件的變形，將其影響從檢測結果中扣除，使測量值 δζ中只包含回轉面-球面-回轉面的雙結合面接觸變形；③使用加載組件進行加載，轉動加載螺桿向下對上試件施加Z向載荷Fz，由三向力傳感器測出該ζ向載荷Fz，同時通過各個位移傳感器測出上試件與下試件之間的Z向相對位移，取各個位移傳感器測量值的平均值作為δ ζ，最后通過相應公式得到球面-回轉面結合面的接觸剛度。本發明的有益效果是，通過回轉面-球面-回轉面的雙結合面測試方案，獲得球面-圓錐面接觸剛度、球面-球窩接觸剛度、平面-球面結合面剛度、直形溝道-球面結合面剛度、環形內溝道-球面結合面剛度及環形外溝道-球面結合面剛度六種類型球面-回轉面的單結合面接觸剛度；通過并行測試驗證，提高了上述球面-回轉面的單結合面接觸剛度測試值的準確性、可靠性。另外，采用本發明的測試裝置，還能夠進行回轉體回轉面半徑與球體球面相等和不等的球面-回轉面接觸剛度測試。
圖1是本發明測試裝置的結構示意圖；圖2是本發明方法進行圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖；圖3是本發明方法進行球窩-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖；圖4是本發明方法進行球窩-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖；圖5是本發明方法進行平面-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖；圖6是本發明方法進行平面-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖；圖7是本發明方法進行直形溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的A-A截面示意圖；圖8是本發明方法進行直形溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的B-B截面示意圖；圖9是本發明方法進行環形內溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的C-C截面示意圖；圖10是本發明方法進行環形內溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的D-D截面示意圖；圖11是本發明方法進行環形外溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的E-E截面示意圖；圖12是本發明方法進行環形外溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試的試件結構示意圖，圖a是截面示意圖，圖b是圖a中的F-F截面示意圖。圖中，1.下試件，2.球體試件，3.上試件，4.三向力傳感器，5.螺釘，6.套筒，7.螺母，8.徑向軸承，9.擋圈，10.止推軸承，11.法蘭套，12.加載螺桿，13.框形測試臺架，δ 和δ 2是位移傳感器。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1，本發明的球面-回轉面結合面剛度測試的裝置結構是，包括在框形測試臺架13中，沿框形測試臺架13豎軸方向，從框形測試臺架13底板至框形測試臺架13頂板之間依次設置有上端具有回轉面的下試件1、球體試件2、下端具有回轉面的上試件3和加載組件，上試件3的回轉面壓在球體試件2上，球體試件2壓在下試件1的回轉面上，下試件 1固定在框形測試臺架13底板上。上述的加載組件包括加載螺桿12、法蘭套11、止推軸承10、擋圈9、徑向軸承8、螺母7、套筒6、連接螺釘5和三向力傳感器4組成。加載組件結構是，包括安裝在上試件3上表面的三向力傳感器4，三向力傳感器4 上通過連接螺釘5連接有套筒6，套筒6的下端凸圓臺套裝在三向力傳感器4的外圓上，套筒6的上端口固定連接有擋圈9，套筒6的上端外圓上套裝有法蘭套11，套筒6的圓環外徑與法蘭套11的圓環內孔配合，法蘭套11的上表面與框形測試臺架13頂板固定連接；穿過框形測試臺架13頂板、法蘭套11的上端、擋圈9設置有一加載螺桿12，加載螺桿12與連接螺釘5和三向力傳感器4同軸設置，在擋圈9兩邊的加載螺桿12上分別安裝有止推軸承 10和徑向軸承8。在上試件3上安裝有多個位移傳感器δ，每個位移傳感器測頭對準下試件1，沿平行于Z軸且對稱于球體試件2球心的周圍布置。位移傳感器δ設置有多個，由于受視圖的限制，圖1中僅顯示出兩個位移傳感器(S 1和δ 2)。加載螺桿12與法蘭套11螺紋連接，止推軸承10的上端與加載螺桿12軸肩緊壓， 止推軸承10的下端壓緊擋圈9 ；徑向軸承8套裝在加載螺桿12下部，其外徑與套筒6圓環內孔配合，加載螺桿12下部伸出徑向軸承8的端頭安裝有螺母7。利用上述的本發明裝置進行球面-各種回轉面結合面接觸剛度測試原理是，采用一個球體同時與上、下回轉體同時接觸的回轉面-球面-回轉面的雙結合面測試方式，以解決球體位移直接檢測困難的問題；并采用對球面-各種回轉面結合面接觸剛度進行獲取測試和并行驗證測試的測試方案，以提高測試的準確性。所有測試方法采用的球體試件2相同，針對不同球面-各種回轉面結合面，具體的測試方法分別是，1)球面-圓錐面結合面接觸剛度的獲取測試方法參照圖2，采用上試件3的下端為圓錐面，下試件1的上端為圓錐面，且上試件3的圓錐面與下試件1的圓錐面表面特性相同(即決定圓錐面表面特性的尺寸和錐度、材質、加工方法及精度等條件相同)，球體試件2置于上試件3的圓錐面和下試件1的圓錐面之間， 上試件3的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成另一個相同的球面-圓錐面結合面，構成圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面。使用加載組件進行加載，通過位移傳感器測出在Z向載荷Fz作用下由于圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面接觸變形而產生的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移 δ z = 2 δ _，則球面-圓錐面結合面的接觸剛度為Kj 球錐=Fz/δ 球錐=ay δ ζ 1)式中，一個球面-圓錐面結合面接觸變形δ球錐=SZ/2，FZ和δ z為測試測量值，具體的測試方法是①首先調整各部件使載荷Fz的作用線平行于Z軸通過球體試件2的球心， 用三向力傳感器4的讀數進行調整監視，監視調整至三向力傳感器4其他分力近似為零，只有沿三向力傳感器4的軸向分力，即為Z向載荷Fz ；然后調整位移傳感器的安裝，沿平行于 Z軸且對稱于球體試件2球心的周圍布置多個位移傳感器，用位移傳感器的讀數進行調整監視，使在施加Z向載荷Fz時各個位移傳感器的讀數值變化近似一致，以保證測量的位移 、與Z向載荷Fz的方向一致，②位移傳感器固定在上試件3上，測頭對準下試件1，且安裝點及測量點盡量靠近球體試件2，同時用有限元計算上試件3、球體試件2和下試件1的變形，將其影響從檢測結果中扣除，使測量值δ ζ中只包含圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面接觸變形，③使用加載組件進行加載，轉動加載螺桿12向下微動，對上試件3施加Z向載荷 Fz,由三向力傳感器4測出Z向載荷Fz，由各個位移傳感器測出上試件3與下試件1之間的 Z向相對位移，取各個位移傳感器測量值的平均值作為δζ，則可由式1)求出球面-圓錐面接觸剛度Jftt。
(2)球面-球窩結合面接觸剛度的獲取測試方法參照圖3，采用球窩-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試方案和上述測試裝置， 其中上試件3的下端為球窩(即內球面)，下試件1的上端為球窩，且上試件3的球窩與下試件1的球窩表面特性相同，球體試件2置于上試件3的球窩和下試件1的球窩之間，上試件3的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，下試件1的球窩與球體試件2 的球面組成另一個相同的球面-球窩結合面，構成球窩-球面-球窩的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)的圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移為δ z = 2 δ .g，則得到球面-球窩結合面接觸剛度，Kj 球窩=Fz/S#g=2Fz/Sz 2)式中，δ球窩=δ ζ/2，球體試件2的球面外徑與球窩球面的內徑能夠相等、或不等， 或進行半徑不等的球面-球窩接觸剛度測試。(3)球面-圓錐面和球面-球窩的接觸剛度的驗證測試方法參照圖4，采用球窩-球面-圓錐面的雙結合面形式，其中上試件3的下端為球窩 (與測試(2)的上試件3相同)，下試件1的上端為圓錐面(與測試(1)的下試件1相同)， 球體試件2置于上試件3的球窩和下試件1的圓錐面之間，上試件3的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，構成球窩-球面-圓錐面的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了球體試件2與下試件1之間的球面-圓錐面結合面接觸變形δ ^^和球體試件2與上試件3之間的球面-球窩結合面接觸變形S賴，δ ζ = δ球錐+ δ球窩，則球窩-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度，Kj 窩球錐=Fz/ ( δ 球錐 + δ 球窩)=Fz/ δ z 3)式中，δ δ球窩=δ z，Fz和δ z為測試測量值，用上述測試方法可由本測試得到球窩-球面-圓錐面雙結合面接觸剛度的測試值Km3ttt,對由測試(1)得到的球面-圓錐面的接觸剛度和由測試⑵得到的球面-球窩的接觸剛度進行并行測試驗證， 由式1)、2)、3)得，δ 球錐=FZ/Kj 球錐1-1)δ 球窩=FzAj 球窩1-2)δ球錐+δ球窩=FzZKj窩球錐1-3)由式1-1)、1-2)、1-3)得，
Kj窩球錐=Kj球錐Kj球窩/ (Kj球錐+Kj球窩) 4)由測試⑴得到的球面-圓錐面的接觸剛度測試值和由測試⑵得到的球面-球窩的接觸剛度測試值1(_8，用式4)可間接得Km3fil;將由測試⑴和測試⑵間接得的與由本測試⑶球窩-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試直接得到的球窩-球面-圓錐面的接觸剛度測試值Km3fil進行比較，通過并行測試從而驗證、提高I^lttImg測試值的準確性、可靠性。(4)球面-平面結合面接觸剛度的獲取及驗證測試方法采用平面-球面-圓錐面和平面-球面-球窩兩種雙結合面測試方案和上述測試裝置，進行球面-平面結合面接觸剛度的獲取測試和驗證測試，
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(A)平面-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度的測試方法參照圖5，采用上述測試方案和測試裝置，其中上試件3的下端為平面，下試件1的上端為圓錐面(與測試(1)的下試件1同)，球體試件2置于上試件3下端的平面和下試件 1上端的圓錐面之間，上試件3的平面與球體試件2的球面組成一個球面-平面結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，構成平面-球面-圓錐面的雙結合面。具體的測試方法是與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3與球體試件2之間的球面-平面結合面接觸變形δ ^^，球體試件2與下試件1之間的球面-圓錐面結合面接觸變形S Λ，δζ= δ +δ球平，則平面-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛
S Kj平球錐 Kj 平球錐=Fz/ ( δ 球錐 + δ 球平)=Fz/ δ z5)式中，δ球錐+δ球平=δζ，與式4)同樣的方法可得，Kj平球錐=Kj球錐Kj球平/ (K」球錐+K」球平)6)Kj 通過本測試得到，Kj 通過測試(1)得到，因此用式6)能夠得到Kj球平。(B)平面-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試方法，參照圖6，采用上述測試方案和測試裝置，其中上試件3的下端為平面(與測試 (4) (A)的上試件3相同)，下試件1的上端為球窩(與測試O)的下試件1相同)，球體試件2置于上試件3下端的平面和下試件1上端的球窩之間，上試件3的平面與球體試件2的球面組成一個球面-平面結合面，下試件1的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，構成平面-球面-球窩的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ 2包括了上試件3和球體試件2之間的球面-平面結合面接觸變形δ 球體試件2和下試件 1之間的球面-球窩結合面接觸變形S球窩，δζ= δ麟+δ球平，則平面-球面-球窩的雙結合面接觸剛度Kd3tsKj 平_ = Fz/ ( δ 球窩 + δ 球平)=Fz/ δ z7)式中，δ球窩+δ球平=δζ，與式4)同樣的方法可得，Kj平球窩=Kj球窩Kj球平/ (Kj球窩+Kj球平)8)Kjwg通過本測試得到，1(」球窩通過測試⑵得到，因此用式8)能夠得到Kj球平。將本測試⑶得到的Κ_〒與由測試㈧得到的Κ_〒進行比較，通過并行測試從而驗證、提高Kj3rp測試值的可靠性。(5)球面-直形溝道結合面接觸剛度的獲取及驗證測試方法采用直形溝道-球面-圓錐面和直形溝道-球面-球窩兩種雙結合面測試方案和上述測試裝置，進行球面-直形溝道結合面接觸剛度的獲取測試和驗證測試，(A)直形溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度測試方法參照圖7，其中上試件3的下端為直形溝道，下試件1的上端為圓錐面(與測試(1) 的下試件1相同)，球體試件2置于上試件3的直形溝道和下試件1的圓錐面之間，上試件 3的直形溝道與球體試件2的球面組成一個球面-直形溝道結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，構成直形溝道-球面-圓錐面的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3和球體試件2之間的球面-直形溝道結合面接觸變形δ ，球體試件2和下試件1之間的球面-圓錐面結合面接觸變形S球錐，δζ= δ _+δ球直溝，則直形溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度Kji
溝球錐Kj直溝球錐=Fz/ ( δ球錐+ δ球直溝)=Fz/ δ z 9)式中，δ球錐+ δ球直溝=δ z，與式4)同樣的方法可得，Kj直溝球錐=Kj球錐K」球直溝/ (K」球錐+K」球直溝)10)Kjiwtt通過本測試得到，Kj_通過測試(1)得到，因此用式10)能夠得到Kj3#_。(B)直形溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試方法參照圖8，其中上試件3的下端為直形溝道(與測試(5) (A)的上試件3同)，下試件1的上端為球窩(與測試( 的下試件1同)，球體試件2置于上試件3的直形溝道和下試件1的球窩之間，上試件3的直形溝道與球體試件2的球面組成一個球面-直形溝道結合面，下試件1的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，構成直形溝道-球面-球窩的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3和球體試件2之間的球面-直形溝道結合面接觸變形δ ，球體試件2和下試件1之間的球面-球窩結合面接觸變形S球窩，δζ= δ球窩+δ球直溝，則直形溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度Kj直溝·Kj直溝球窩=Fz/ ( δ球窩+ δ球直溝)=Fz/ δ ζ 11)式中，δ球窩+δ球直溝=δ z，與式4)同樣的方法可得，Kj直溝球窩=Kj球窩K」球直溝/ (K」球窩+K」球直溝)12)Kjwwg通過本測試得到，KjJfg通過測試⑵得到，因此用式12)能夠得到將本測試⑶得到的由測試㈧得到的進行比較，通過并行測試從而驗證、提高測試值的可靠性。(6)球面-環形內溝道結合面接觸剛度的獲取及驗證測試方法采用環形內溝道-球面-圓錐面和環形內溝道-球面-球窩兩種雙結合面測試方案和上述測試裝置，進行球面-環形內溝道結合面接觸剛度的獲取測試和驗證測試，(A)環形內溝道-球面-圓錐面雙結合面接觸剛度測試方法參照圖9，其中上試件3的下端為環形內溝道，下試件1的上端為圓錐面(與測試 (1)的下試件1同)，球體試件2置于上試件3的環形內溝道和下試件1的圓錐面之間，上試件3的環形內溝道與球體試件2的球面組成一個球面-環形內溝道結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，構成環形內溝道-球面-圓錐面的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3和球體試件2 之間的球面-環形內溝道結合面接觸變形δ體試件2和下試件1之間的球面-圓錐面結合面接觸變形S球錐，δζ= δ球錐+δ球內溝，則內環形溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度&Kj內溝球錐=Fz/( δ球錐+ δ球內溝)=Fz/ δ ζ 13)式中，δ球錐+δ球內溝=δζ，與式4)同樣的方法可得，
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Kj內溝球錐=Kj球錐Kj球內溝/ (Kj球錐+Kj球內溝)14)Kjww維通過本測試得到，Kj3fil通過測試(1)得到，因此用式14)能夠得到Kj球內溝。(B)環形內溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度測試方法參照圖10，其中上試件3的下端為環形內溝道(與測試(6) (A)的上試件3同)， 下試件1的上端為球窩(與測試O)的下試件1同)，球體試件2置于上試件3的環形內溝道和下試件1的球窩之間，上試件3的環形內溝道與球體試件2的球面組成一個球面-環形內溝道結合面，下試件1的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，構成環形內溝道-球面-球窩的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δζ包括了上試件3和球體試件2之間的球面-環形內溝道結合面接觸變形δ ，球體試件2和下試件1之間的球面-球窩結合面接觸變形S球窩，δζ= δ球窩+δ球內溝，則環形內溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度& ^wsKj內溝球窩=Fz/( δ球窩+ δ球內溝)=Fz/ δ ζ 15)式中，δ球窩+δ球內溝=δζ，與式4)同樣的方法可得，Kj內溝球窩=Kj球窩Kj球內溝/ (Kj球窩+Kj球內溝)16)Kjrtw窩通過本測試得到，Kj3fg通過測試⑵得到，因此用式16)能夠得到Kj3#_。將本測試⑶得到的與由測試㈧得到的進行比較，通過并行測試驗證、提高測試值的可靠性。(7)球面-環形外溝道結合面接觸剛度的獲取及驗證測試方法采用環形外溝道-球面-圓錐面和環形外溝道-球面-球窩兩種雙結合面測試方案和上述測試裝置，進行球面-環形外溝道結合面接觸剛度的獲取測試和驗證測試，(A)環形外溝道-球面-圓錐面雙結合面接觸剛度測試方法參照圖11，其中上試件3的下端為環形外溝道，下試件1的上端為圓錐面(與測試 (1)的下試件1同)，球體試件2置于上試件3的環形外溝道和下試件1的圓錐面之間，上試件3的環形外溝道與球體試件2的球面組成一個球面-環形外溝道結合面，下試件1的圓錐面與球體試件2的球面組成一個球面-圓錐面結合面，構成環形外溝道-球面-圓錐面的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3和球體試件2 之間的球面-環形外溝道結合面接觸變形δ 3^^，球體試件2和下試件1之間的球面-圓錐面結合面接觸變形S球錐，δζ= δ球錐+δ球外溝，則環形外溝道-球面-圓錐面的雙結合面接觸剛度Kj外溝球錐，Kj外溝球錐=Fz/ ( δ球錐+ δ球外溝)=Fz/ δ ζ 17)式中，δ球錐+ δ球外溝=δζ，與式4)同樣的方法可得，Kj外溝球錐=Kj球錐Kj球外溝/ (Kj球錐+Kj球外溝)18)Κ」·.通過本測試得到，Kj_通過測試(1)得到，因此用式18)能夠得到Kj球外溝。(B)環形外溝道-球面-球窩的雙結合面剛度測試方法參照圖12，其中上試件3的下端為環形外溝道(與測試(7) (A)的上試件3同)， 下試件1的上端為球窩(與測試O)的下試件1同)，球體試件2置于上試件3的環形外溝道和下試件1的球窩之間，上試件3的環形外溝道與球體試件2的球面組成一個球面-環形外溝道結合面，下試件1的球窩與球體試件2的球面組成一個球面-球窩結合面，構成環形外溝道-球面-球窩的雙結合面。具體的測試方法與測試(1)圓錐面-球面-圓錐面的雙結合面剛度測試方法相同，測得的下試件1與上試件3之間的Z向相對位移δ ζ包括了上試件3和球體試件2之間的球面-環形外溝道結合面接觸變形δ體試件2和下
試件1之間的球面-球窩結合面接觸變形S球窩，δζ= δ麟+δ球外溝，則環形外溝道-球面-球窩的雙結合面接觸剛度KyM^tg，Kj外溝球窩=Fz/ ( δ球窩+ δ球外溝)=Fz/ δ ζ 19)式中，δ球窩+ δ球外溝=δζ，與式4)同樣的方法可得，Kj外溝球窩=Kj球窩K」球外溝/ (Kj球窩+K」球外溝)20)Kj^w窩通過本測試得到，Kj3fg通過測試(2)得到，因此用式20)計算得到Kj__。將本測試⑶得到的Kj3^M與由測試㈧得到的Kj3^l^進行比較，通過并行測試驗證、提高測試值的可靠性。綜上所述，本發明利用上述的測試裝置，能夠實現上述的七種類型球面-回轉面結合面接觸剛度測試，獲得球面-圓錐面接觸剛度、球面-球窩接觸剛度、平面-球面結合面剛度I^3fP直形溝道-球面結合面剛度、環形內溝道-球面結合面剛度測試值及環形外溝道-球面結合面剛度測試值等六種類型球面-回轉面的單結合面接觸剛度；還能夠進行回轉體回轉面半徑與球體球面相等和不等的球面-回轉面接觸剛度測試，準確性、可靠性顯著提高。
1權利要求
1.一種球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，其特征在于包括在框形測試臺架 (13)中，沿框形測試臺架(1 豎軸方向，從框形測試臺架(1 底板至框形測試臺架(13) 頂板之間依次設置有上端具有回轉面的下試件(1)、球體試件O)、下端具有回轉面的上試件C3)和加載組件，上試件(3)的回轉面壓在球體試件( 上，球體試件( 壓在下試件(1)的回轉面上，下試件(1)固定在框形測試臺架(1 底板上，所述的加載組件包括安裝在上試件C3)上表面的三向力傳感器G)，三向力傳感器(4) 上通過連接螺釘( 連接有套筒(6)，套筒(6)的下端凸圓臺套裝在三向力傳感器(4)的外圓上，套筒(6)的上端口固定連接有擋圈(9)，套筒(6)的上端外圓上套裝有法蘭套(11)， 套筒(6)的外徑與法蘭套(11)的內孔配合，法蘭套(11)的上表面與框形測試臺架(13)頂板固定連接；穿過框形測試臺架(1 頂板、法蘭套(11)的上端、擋圈(9)設置有一加載螺桿(12)，加載螺桿(1 與連接螺釘( 和三向力傳感器同軸設置，在擋圈(9)兩邊的加載螺桿(1 上分別安裝有止推軸承(10)和徑向軸承(8)，在上試件C3)上安裝有多個位移傳感器，每個位移傳感器測頭對準下試件(1)，沿平行于Z軸且對稱于球體試件(2)球心的周圍布置。
2.根據權利要求1所述的球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，其特征在于所述的加載螺桿(1 與法蘭套(11)螺紋連接，止推軸承10的上端與加載螺桿(1 軸肩緊壓， 止推軸承(10)的下端壓緊擋圈(9)；徑向軸承(8)套裝在加載螺桿(1 下部，其外徑與套筒(6)內孔配合，加載螺桿(1 下部伸出徑向軸承(8)的端頭安裝有螺母(7)。
3.一種球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法，其特征在于，利用一套測量裝置，包括在框形測試臺架(1 中，沿框形測試臺架(1 豎軸方向，從框形測試臺架(1 底板至框形測試臺架(1 頂板之間依次設置有上端具有回轉面的下試件(1)、球體試件O)、下端具有回轉面的上試件C3)和加載組件，上試件C3)的回轉面壓在球體試件( 上，球體試件(2)壓在下試件(1)的回轉面上，下試件(1)固定在框形測試臺架(1 底板上，所述的加載組件包括安裝在上試件C3)上表面的三向力傳感器G)，三向力傳感器(4) 上通過連接螺釘( 連接有套筒(6)，套筒(6)的下端凸圓臺套裝在三向力傳感器(4)的外圓上，套筒(6)的上端口固定連接有擋圈(9)，套筒(6)的上端外圓上套裝有法蘭套(11)， 套筒(6)的外徑與法蘭套(11)的內孔配合，法蘭套(11)的上表面與框形測試臺架(13)頂板固定連接；穿過框形測試臺架(1 頂板、法蘭套(11)的上端、擋圈(9)設置有一加載螺桿(12)，加載螺桿(1 與連接螺釘( 和三向力傳感器同軸設置，在擋圈(9)兩邊的加載螺桿(1 上分別安裝有止推軸承(10)和徑向軸承(8)，在上試件C3)上安裝有多個位移傳感器，每個位移傳感器測頭對準下試件(1)，沿平行于Z軸且對稱于球體試件(2)球心的周圍布置，利用上述的裝置，該方法按照以下步驟實施①首先調整各部件使Z向載荷Fz的作用線平行于Z軸并通過球體試件O)的球心，用三向力傳感器(4)的讀數進行調整監視，監視調整至三向力傳感器(4)其他分力近似為零， 只有沿三向力傳感器的軸向分力，即為Z向載荷Fz;②將多個位移傳感器固定在上試件C3)上，測頭對準下試件(1)，且安裝點及測量點靠近球體試件O)，然后調整各個位移傳感器的安裝，沿平行于Z軸且對稱于球體試件(2)球心的周圍布置多個位移傳感器，用位移傳感器的讀數進行調整監視，使在施加Z向載荷Fz時各個位移傳感器的讀數值變化近似一致，以保證測量的位移、與Z向載荷Fz的方向一致；再使用有限元方法計算上試件(3)、球體試件( 和下試件(1)的變形，將其影響從檢測結果中扣除，使測量值Sz中只包含回轉面-球面-回轉面的雙結合面接觸變形；③使用加載組件進行加載，轉動加載螺桿(12)向下對上試件(3)施加Z向載荷Fz，由三向力傳感器(4)測出該Z向載荷Fz，同時通過各個位移傳感器測出上試件C3)與下試件 (1)之間的Z向相對位移，取各個位移傳感器測量值的平均值作為δ z，最后通過相應公式得到球面-回轉面結合面的接觸剛度。
4.根據權利要求3所述的球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法，其特征在于，所述的上試件(3)的下端分別設置為圓錐面回轉面、球窩回轉面、平面回轉面、直形溝道回轉面、環形內溝道回轉面或環形外溝道回轉面之一，分別用于進行相應的球面-回轉面結合面接觸剛度的測試。
5.根據權利要求3所述的球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法，其特征在于，所述的下試件(1)的上端分別設置為圓錐面回轉面或球窩回轉面之一，分別用于進行相應的球面-回轉面結合面接觸剛度的測試。
6.根據權利要求3所述的球面-回轉面結合面接觸剛度的測試方法，其特征在于， 所述的上試件(3)的下端分別設置為圓錐面回轉面、球窩回轉面、平面回轉面、直形溝道回轉面、環形內溝道回轉面或環形外溝道回轉面之一，所述的下試件(1)的上端分別設置為圓錐面回轉面或球窩回轉面之一， 通過搭配選定上試件C3)的類型和下試件(1)的類型，實現球面-圓錐面接觸剛度、球面-球窩接觸剛度、平面-球面結合面接觸剛度、直形溝道-球面結合面接觸剛度、環形內溝道-球面結合面接觸剛度或環形外溝道-球面結合面接觸剛度的獲取試驗和并行試驗驗證。
全文摘要
本發明的球面-回轉面結合面接觸剛度測試裝置，包括在框形測試臺架中設置有下試件、球體試件、上試件和加載組件，加載組件中的三向力傳感器上連接有套筒，套筒的上端口連接有擋圈，套筒的外圓套裝有法蘭套，法蘭套的上表面與框形測試臺架頂板固定連接；穿過框形測試臺架頂板及擋圈設置有一加載螺桿，在上試件上安裝有多個位移傳感器。本發明還公開了利用上述的裝置進行各種球面-回轉面結合面接觸剛度測試的方法，使用加載組件加載，由三向力傳感器測出該Z向載荷，通過各個位移傳感器測出Z向位移，通過相應公式得到球面-回轉面結合面的接觸剛度。本發明裝置使得球面-回轉面接觸剛度測試的準確性顯著提高。
文檔編號G01M5/00GK102426085SQ201110238569
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者劉耀, 張廣鵬, 張隆義, 黃玉美 申請人:西安理工大學