专利名称：一种摩擦噪声的试验分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械工程中摩擦噪声技术领域。
背景技术：
空气、水和噪声污染被称为工业文明�：肪车娜笪廴驹�。随着现代工业技术的高速发展，给社会带来便利和高效益的同时，辐射出来的工业和交通噪声也带来了严重的危害和损失，而工业和交通机械设备中大量摩擦接触部位所产生的摩擦噪声问题最为严重。摩擦噪声是指因摩擦而发出的一种频率和声压级都不规则变化的声音，通常都为IkH以上的高频噪声。它不仅对人耳听觉和周边环境伤损害很大，而且还严重影响和阻碍许多摩擦系统，如制动系统、轨道运输的轮轨系统、车床切削系统、透平机叶片关节、机器人关节、电机驱动系统、船用水润滑轴承等在工业上的正常使用。摩擦引起的振动和噪声是一个很复杂的自然现象，摩擦噪声与摩擦振动的关系十 分密切，它的产生以及声压级的大小与摩擦系统的刚度、摩擦副的材料性能、界面特性、润滑条件和环境条件等众多因素有关。目前绝大部分研究都是从动力学角度来分析系统不稳定性与噪声的关系。而摩擦学相关研究表明，摩擦学特性与噪声的产生有很大的关联，摩擦材料及其接触界面的摩擦学特性变化又很大。因此，动力学和有限元模拟计算等手段均无法准确的预测摩擦噪声的产生及特性。如何精确地开展摩擦噪声试验研究，系统深入研究各种因素与摩擦噪声的内在联系，是了解各类摩擦噪声产生机理的关键。但目前从摩擦学试验角度研究摩擦噪声的工作较少，这主要归因于摩擦噪声试验涉及的因素较多，人工控制再现或模拟困难，试验重复性和测试精度要求高等。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种摩擦噪声的试验分析装置，该装置能同步动态采集摩擦振动、摩擦力、噪声信号，从而较准确地分析摩擦噪声与界面及系统特性的相互关系和影响规律，以揭示摩擦噪声的产生机理，为控制并降低摩擦过程中出现的振动噪声、保护环境，改进机械设备的相关设计，提高装备与器械的使用性能与寿命提供更准确可靠的试验依据。本实用新型实现其发明目的所采用的技术方案是一种摩擦噪声的试验分析装置，包括机座，机座顶板底部安装的二维移动台，机座底板上安装的往复运动装置，其特征在于所述的机座的底板上固定支架基座，水平支架的两端通过压电式力传感器固定在支架基座上；夹持下摩擦件的下夹具固定在往复运动装置上；夹持上摩擦件的上夹具穿过水平支架与应变式力传感器的底面接触，应变式力传感器固定在二维移动台的底部，上夹具的侧面安装三维加速度传感器。声学传感器通过安装支架固定在机座上，其感应端位于上、下摩擦件接触界面附近；二维移动台、应变式力传感器、往复运动装置与控制系统电连接；压电式力传感器、三维加速度传感器、声学传感器与信号测试分析系统电连接。本实用新型的使用方法及工作过程为将上摩擦件固定在上夹具上，下摩擦件固定在下夹具上。上夹具穿过水平支架与固定在二维移动台上的应变式力传感器接触；通过控制系统控制二维移动台的上下、左右移动，使应变式力传感器压紧上夹具并使上、下摩擦件接触后保持设定的法向载荷。控制系统控制往复运动装置以设定的往复位移和速度进行往复运动，使上、下摩擦件间产生往复摩擦。摩擦学试验中，二维力传感器实时监测往复运动时的法向载荷，传送给数据控制系统，由控制系统对二维移动平台的垂向位置进行实时反馈控制，确保上、下摩擦件之间的法向载荷始终处于恒定的给定值。在进行往复摩擦的同时，摩擦力经上夹具、水平支架最终传递给固定在水平支架 两端的压电式力传感器。同时，安装在上夹具上的三维加速度传感器可采集上摩擦件三个方向上的振动加速度信号，摩擦界面附近的声学传感器采集摩擦噪声信号。压电式力传感器、三维加速度传感器、声学传感器将采集到的信号传送给信号测试分析系统进行分析处理。给定不同的参数，即可进行不同工况下的往复滑动摩擦振动噪声试验。对于不同形状和尺寸的上、下摩擦件，采用相应的上、下夹具即可完成试验。与现有技术相比，本发明的有益效果是本实用新型通过控制系统控制二维移动台使应变式力传感器压紧上夹具，并通过应变式力传感器的实时反�。谏�、下摩擦件之间恒定地施加设定的载荷。另外，控制系统通过往复运动装置控制下摩擦件实现精确可控的往复运动，从而实现摩擦副的上、下摩擦件在设定载荷、往复位移和速度条件下的摩擦运动。在实现摩擦副的摩擦运动的同时，压电式力传感器同时测出摩擦界面上的摩擦力，三维加速度传感器采集上摩擦件三个方向上的振动加速度信号，声学传感器则近距离采集摩擦噪声信号。实现了摩擦系统中摩擦力、摩擦振动、噪声三种信号的精确同步采集，将采集出的摩擦力的信号与振动加速度和噪声信号进行对比、分析，从而较准确地研究摩擦噪声与界面及系统特性的相互关系和影响规律，以揭示摩擦噪声的产生机理，为控制并降低摩擦过程中出现的振动噪声、保护环境，改进机械设备的相关设计，提高装备与器械的使用性能与寿命提供更准确可靠的试验依据。采用压电式力传感器较之其它力传感器具有更高的固有频率，从而可采集到摩擦力信号的高频成分，能很好地分析出摩擦力的高频信号与振动加速度和噪声信号的关系，更全面准确的分析出摩擦力与摩擦噪声的关系及影响规律。使用本装置进行试验过程中，摩擦运动的模拟由控制系统自动控制运行，摩擦振动、摩擦力、摩擦噪声信号的采集分析由信号测试分析系统自动进行。整个试验的模拟与分析自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。同时也便于更换材料，调整参数对不同的摩擦副在不同的工况条件下进行摩擦噪声试验及分析。上述的往复运动装置的具体构成是竖向的往复驱动电机安装在机座的底板上，往复驱动电机的轴通过曲柄连杆机构与水平的滑块相连，滑块底部的滑槽与机座底板上的滑轨配合；下夹具固定在滑块上，竖向的往复驱动电机与控制系统电连接。[0020]这种曲柄连杆机构能够简单有效的将电机的旋转运动转变为下夹具的往复运动。通过控制电机的转速和调整曲柄的偏心距，可方便的实现不同滑动位移、速度(频率)的上下摩擦件之间的平稳精确可控的往复摩擦运动。上述的水平支架的两端通过压电式力传感器固定在支架基座上的具体结构为压电式力传感器的安装面通过安装螺钉与传感器安装座连接，传感器安装座嵌合在支架基座上，并由锁紧螺钉锁紧；压电式力传感器的工作面与连接件螺纹连接，连接件的另一端的销插入水平支架端部下侧的孔；压电式力传感器周面套合在保持套内，保持套的端面通过定位销定位并再通过保持套安装螺钉固定在支架基座的内侧面上，保持套上部开弧形槽，该弧形槽与安装在水平支架端部上侧的支架小轴配合。压电式力传感器的安装面通过传感器安装座连接在支架基座上，使其安装更方便也更牢固。压电式力传感器的工作面与水平支架进行销孔配合，既能精确的传递水平的摩擦力，又能有效的消除其它方向的力和力矩对传感器的干扰，保证其测得的摩擦力更准确可靠。压电式力传感器周面套合的保持套上的弧形槽与支架上的支架小轴配合，使水平支架与支架基座的中心对中，并确保水平支架既不会发生翻转偏移也不会发生水平偏移，保证了压电传力感器的中心与摩擦力的方向重合，往复摩擦过程中摩擦力的准确采集。上述的二维移动台的组成为垂向电机固定在机座的顶板上，垂向电机的轴与垂向丝杆联接，垂向丝杆向下与垂直滑块的内螺纹配合；垂直滑块后部的导槽与机座上的垂直导轨配合，垂直滑块下部的水平导轨与水平滑块上部的导槽配合，水平电机固定在垂直滑块右侧，水平电机的轴与水平丝杆联接，水平丝杆与水平滑块的内螺纹配合，水平滑块的下部与应变式力传感器螺纹连接。采用电机驱动丝杆机构及导轨机构来实现水平及垂向的运动。这些机构构造简单、运行可靠；并且电机受控制系统控制，使得其位置调整精确，简便。此外，通过应变式力传感器实时测出法向载荷的瞬时值，反馈给控制系统，由控制系统对垂向伺服电机进行实时调节控制，确保所施加的法向载荷在摩擦试验中始终处于恒定的给定值。上述的上夹具穿过水平支架的具体方式为水平支架的中部紧密嵌合铜套，铜套的内腔为圆柱形，外表面为上大下小的圆锥形；上夹具的中部与铜套间隙配合，在水平支架上通过压紧螺钉压有两个铜套压块，两个铜套压块均同时压在水平支架和铜套上，其中一个铜套压块安装有上夹具定位销，该上夹具定位销和上夹具外表面的垂向定位槽配合。上夹具通过铜套安装在水平支架上，既便于上夹具的安装，同时通过更换不同尺寸的铜套，可方便更换不同规格的上夹具。铜套外锥内直的形状及其配套的压块使得铜套能够很好的实现与水平支架的紧配合和上夹具的间隙配合，同时其安装、拆卸又非常方便。上述的压电式力传感器为单向压电式力传感器，量程为5001bf，灵敏度为9. 94mV/lbf,固有频率为 70kHz。上述的三维加速度传感器的量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频率响应范围为IHz-6kHz ο上述的声学传感器的动态范围为15dB_146dB，灵敏度为50mV/Pa，频率响应范围为 3. 5Hz-20kHzo这样，使得本实用新型装置能够实现高精度的往复滑动摩擦噪声试验，并高精度地同步测量出高频率的摩擦力、摩擦振动、噪声信号，进行有效的摩擦噪声的分析与对比。[0031]
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的描述。
图I是本实用新型实施例的试验装置的主视结构示意图。图2是水平支架、压电式力传感器、支架机座的连接结构俯视示意图。图3-18是用本实用新型实施例的试验装置及使用方法对一具体摩擦副材料进行往复滑动条件下采集的摩擦振动噪声试验 的结果。其中图3是左压电式力传感器在一个往复摩擦运动周期采集的摩擦力信号；图4是右压电式力传感器在同一个周期采集到的摩擦力信号；图5是同一个周期声学传感器采集到的噪声信号；图6是同一个周期加速度传感器采集到的切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号;图7是同一个周期加速度传感器采集到的法向方向振动加速度信号；图8是同一个周期加速度传感器采集到的纵向方向振动加速度信号。图9是摩擦力信号(左压电式力传感器)自功率谱分析；图10是摩擦力信号(右压电式力传感器)自功率谱分析；图11声压信号自功率谱分析，图12是切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号自功率谱分析；图13是法向方向振动加速度信号自功率谱分析；图14是横向方向振动加速度信号自功率谱分析。图15是摩擦力信号时域细节波形。图16是切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号时域细节波形。图17是试验中还没出噪声时下摩擦件的磨痕光学显微镜照片。图18是试验中出噪声时下摩擦件的磨痕光学显微镜照片。
具体实施方式
实施例图I、图2示出，本实用新型的一种实施方式是一种摩擦噪声的试验分析装置，包括机座4，机座4的顶板4A底部安装的二维移动台5，机座4的底板4B上安装的往复运动装置16，其特征在于所述的机座4的底板4B上固定支架基座I,水平支架3的两端通过压电式力传感器17固定在支架基座I上；夹持下摩擦件23的下夹具24固定在往复运动装置16上；夹持上摩擦件22的上夹具8穿过水平支架3与应变式力传感器6的底面接触，应变式力传感器6固定在二维移动台5的底部，上夹具8的侧面安装三维加速度传感器7。声学传感器25通过安装支架26固定在机座4的底板4B上,其感应端位于上、下摩擦件22、23接触界面附近；二维移动台5、应变式力传感器6、往复运动装置16与控制系统电连接；压电式力传感器17、三维加速度传感器7、声学传感器25与信号测试分析系统电连接。[0057]图I示出，本例的往复运动装置16的具体构成是竖向的往复驱动电机16A安装在机座4的底板4B上，往复驱动电机16A的轴通过曲柄连杆机构16B与水平的滑块16C相连，滑块16C底部的滑槽与机座4底板上的滑轨16D配合；下夹具24固定在滑块16C上，竖向的往复驱动电机16A与控制系统电连接。图1、2示出，本例的水平支架3的两端通过压电式力传感器17固定在支架基座I上的具体结构为压电力式传感器17的安装面通过安装螺钉14与传感器安装座13连接，传感器安装座13嵌合在支架基座I上，并由锁紧螺钉12锁紧；压电式力传感器17的工作面与连接件19螺纹连接，连接件19的另一端的销插入水平支架3端部下侧的孔；压电式力传感器17周面套合在保持套2内，保持套2的端面通过定位销15定位并再通过保持套安装螺钉18固定在支架基座I的内侧面上，保持套2上部开弧形槽，该弧形槽与安装在水平支架3端部上侧的支架小轴11配合。本例的二维移动台5的组成为垂向电机5F固定在机座4的顶板4A上，垂向电机5F的轴与垂向丝杆5E联接，垂向丝杆5E向下与垂直滑块5A的内螺纹配合；垂直滑块5A后 部的导槽与机座4上的垂直导轨5G配合，垂直滑块5A下部的水平导轨5B与水平滑块5D上部的导槽配合，水平电机5H固定在垂直滑块5A右侧，水平电机5H的轴与水平丝杆5C联接，水平丝杆5C与水平滑块的内螺纹配合，水平滑块的下部与应变式力传感器6螺纹连接。本例的上夹具8穿过水平支架3的具体方式为水平支架3的中部紧密嵌合铜套21，铜套21的内腔为圆柱形，外表面为上大下小的圆锥形；上夹具8的中部与铜套21间隙配合；在水平支架3上通过压紧螺钉9压有两个铜套压块10，两个铜套压块10均同时压在水平支架3和铜套21上，其中一个铜套压块10安装有上夹具定位销20，该上夹具定位销20和上夹具8外表面的垂向定位槽配合。本例的压电式力传感器17为单向压电式力传感器，量程为5001bf、灵敏度为
9.94mV/lbf、固有频率为 70kHz。本例的三维加速度传感器7的量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频率响应范围为IHz-6kHz ο本例的声学传感器25的动态范围为15dB_146dB，灵敏度为50mV/Pa，频率响应范围为 3. 5Hz-20kHzo图I、图2还示出，使用上述的装置进行摩擦噪声试验分析的方法，其作法是将摩擦副的下摩擦件23夹持在下夹具24上，下夹具24固定在往复运动装置16上；用上夹具8夹持摩擦副的上摩擦件22，上夹具8穿过水平支架3与应变式力传感器6的底面接触，上夹具8的侧面安装三维加速度传感器7，水平支架3的两端通过压电式力传感器17固定在支架基座I上，应变式力传感器6固定在二维移动台5的底部；声学传感器25的感应端位于上、下摩擦件22、23接触界面附近；通过控制系统控制二维移动台5的上下、左右移动，使应变式力传感器6压紧上夹具8并使上、下摩擦件22、23接触并保持设定的法向载荷；然后，控制系统控制往复运动装置16以设定的频率进行往复运动,使上、下摩擦件22、23间产生往复摩擦；在上、下摩擦件22、23发生往复摩擦的同时，水平支架3端部的压电式力传感器17测出切向拉压力即摩擦力，上夹具8上的三维加速度传感器7采集上摩擦件22三个方向上的振动加速度信号，摩擦界面附近的声学传感器25采集摩擦噪声信号，三种传感器的信号均传送至信号测试分析系统，实现摩擦噪声、三个方向上的振动加速度和摩擦力的精确同步动态采集及实时分析。图3-18是用本实施例的试验装置及使用方法对一具体摩擦副材料进行往复滑动条件下采集的摩擦振动噪声试验的结果。试验材料为上摩擦件为Φ = IOmm的GCr 15钢球，下摩擦件为20mmX IOmmX IOmm的螺墨铸铁列车刹车盘材料试块。试验条件为法向载荷Fn = 20N，往复频率为f = 1Hz，往复循环次数为N = 1500，摩擦力信号的采样频率为12. 8kHz，环境温度25°C，湿度60%。图3是左压电式力传感器在一个往复摩擦运动周期采集的摩擦力信号；图4是右压电式力传感器在同一个周期采集到的摩擦力信号；图5是同一个周期声学传感器采集到的噪声信号；图6是同一个周期加速度传感器采集到的切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号；图7是同一个周期加速度传感器采集到的法向方向振动加速度信号；图8是同一个周期加速度传感器采集到的纵向方向振动加速度信号。结合这些时域图形可以看出，试验的钢球与蠕墨铸铁列车刹车盘在摩擦力变化剧烈的时候，振动加速度的也很强烈，声压 信号表现明显。摩擦力，振动加速度，噪声三者在时域内有较好一致性。图9是摩擦力信号(左压电式力传感器)自功率谱分析，图10是摩擦力信号(右压电式力传感器)自功率谱分析，图11声压信号自功率谱分析，图12是切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号自功率谱分析，图13是法向方向振动加速度信号自功率谱分析，图14是横向方向振动加速度信号自功率谱分析。结合这些频域图形可以看出，试验的钢球与蠕墨铸铁列车刹车盘的各个信号的主频对应良好。摩擦力，振动加速度，噪声三者在频域内有较好一致性。图15是摩擦力信号时域细节波形。摩擦力信号的时域细节波形光滑良好，干扰较少，测量准确可靠。图16是切向方向(摩擦力方向)振动加速度信号时域细节波形。加速度信号的时域细节波形光滑良好，干扰较少，测量准确可靠。图17是试验中还没出噪声时下摩擦件的磨痕光学显微镜照片。图18是试验中出噪声时下摩擦件的磨痕光学显微镜照片。对比两图可知，当试验中摩擦界面出现噪声时，下摩擦件的磨痕内部有明显剥落以及磨屑的碾压和堆积，磨损也较为严重，很好地验证了噪声信号与磨痕形貌的关联性，并有助于揭示摩擦界面产生摩擦噪声的机理。
权利要求1.一种摩擦噪声的试验分析装置，包括机座(4)，机座(4)的顶板(4A)底部安装的二维移动台(5)，机座(4)的底板(4B)上安装的往复运动装置(16)，其特征在于 所述的机座⑷的底板(4B)上固定支架基座(I)，水平支架(3)的两端通过压电式力传感器(17)固定在支架基座(I)上； 夹持下摩擦件(23)的下夹具(24)固定在往复运动装置(16)上； 夹持上摩擦件(22)的上夹具(8)穿过水平支架(3)与应变式力传感器￠)的底面接触，应变式力传感器(6)固定在二维移动台(5)的底部，上夹具(8)的侧面安装三维加速度传感器(X)； 声学传感器(25)通过安装支架(26)固定在机座(4)的底板(4B)上，其感应端位于上、下摩擦件(22、23)接触界面附近； 二维移动台(5)、应变式力传感器￠)、往复运动装置(16)与控制系统电连接；压电式力传感器(17)、三维加速度传感器(7)、声学传感器(25)与信号测试分析系统电连接。
2.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的往复运动装置(16)的具体构成是竖向的往复驱动电机(16A)安装在机座(4)的底板(4B)上，往复驱动电机(16A)的轴通过曲柄连杆机构(16B)与水平的滑块(16C)相连，滑块(16C)底部的滑槽与机座(4)底板上的滑轨(16D)配合；下夹具(24)固定在滑块(16C)上，竖向的往复驱动电机(16A)与控制系统电连接。
3.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的水平支架(3)的两端通过压电式力传感器(17)固定在支架基座(I)上的具体结构为压电力式传感器(17)的安装面通过安装螺钉(14)与传感器安装座(13)连接，传感器安装座(13)嵌合在支架基座(I)上，并由锁紧螺钉(12)锁紧；压电式力传感器(17)的工作面与连接件(19)螺纹连接，连接件(19)的另一端的销插入水平支架(3)端部下侧的孔；压电式力传感器(17)周面套合在保持套(2)内，保持套(2)的端面通过定位销(15)定位并再通过保持套安装螺钉(18)固定在支架基座(I)的内侧面上，保持套(2)上部开弧形槽，该弧形槽与安装在水平支架(3)端部上侧的支架小轴(11)配合。
4.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的二维移动台(5)的组成为垂向电机(5F)固定在机座(4)的顶板(4A)上,垂向电机(5F)的轴与垂向丝杆(5E)联接，垂向丝杆(5E)向下与垂直滑块(5A)的内螺纹配合；垂直滑块(5A)后部的导槽与机座(4)上的垂直导轨(5G)配合，垂直滑块(5A)下部的水平导轨(5B)与水平滑块(5D)上部的导槽配合，水平电机(5H)固定在垂直滑块(5A)右侧，水平电机(5H)的轴与水平丝杆(5C)联接，水平丝杆(5C)与水平滑块(5D)的内螺纹配合，水平滑块(5D)的下部与应变式力传感器(6)螺纹连接。
5.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的上夹具(8)穿过水平支架(3)的具体方式为水平支架(3)的中部紧密嵌合铜套(21)，铜套(21)的内腔为圆柱形，外表面为上大下小的圆锥形；上夹具(8)的中部与铜套(21)间隙配合；在水平支架(3)上通过压紧螺钉(9)压有两个铜套压块(10)，两个铜套压块(10)均同时压在水平支架(3)和铜套(21)上，其中一个铜套压块(10)安装有上夹具定位销(20)，该上夹具定位销(20)和上夹具(8)外表面的垂向定位槽配合。
6.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的压电式力传感器(17)为单向压电式力传感器，量程为5001bf、灵敏度为9.94mV/lbf、固有频率为70kHz ο
7.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的三维加速度传感器(7)的量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频率响应范围为lHz-6kHz。
8.根据权利要求I所述的一种摩擦噪声的试验分析装置，其特征在于所述的声学传感器(25)的动态范围为15dB-146dB，灵敏度为50mV/Pa，频率响应范围为3. 5Hz_20kHz。
专利摘要一种摩擦噪声的试验分析装置，其机座底板上固定支架基座，水平支架两端通过压电式力传感器固定在支架基座上；夹持下摩擦件的下夹具固定在往复运动装置上；夹持上摩擦件的上夹具穿过水平支架与应变式力传感器接触，应变式力传感器固定在二维移动台的底部，上夹具上安有三维加速度传感器；声学传感器位于上、下摩擦件接触界面附近；二维移动台、应变式力传感器、往复运动装置与控制系统电连接；压电式力传感器、三维加速度传感器、声学传感器与信号测试分析系统电连接。它能同步动态采集摩擦振动、摩擦力、噪声信号，较准确分析摩擦噪声与界面及系统特性的相互关系和影响规律，为机械设备的降噪设计、提高其性能与寿命提供更准确可靠的试验依据。
文档编号G01H17/00GK202676281SQ20122027173
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者莫继良, 石心余, 王正国, 陈光雄, 朱旻昊, 周仲荣 申请人:西南交通大学
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