3 向可調(diào)節(jié)通用振動機構(gòu)設(shè)計＊

林偉峰

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，福建廈門 361000）

一個產(chǎn)品要獲得大眾的認可，功能和性能是一方面。環(huán)境適應(yīng)性和可靠性決定著產(chǎn)品的使用范圍和使用壽命，直接影響功能和性能的發(fā)揮效果。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，產(chǎn)品損壞受振動影響而損壞的占14%。振動是重要的環(huán)境因素，幾乎所有的產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計、研制、生產(chǎn)全過程都要進行振動試驗。通過振動試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料強度等問題，并進行改進，以滿足使用要求。

振動試驗時樣品需要通過振動機構(gòu)固定在振動臺上，振動臺產(chǎn)生的振動應(yīng)力通過振動機構(gòu)不失真地傳遞到產(chǎn)品上。這就要求振動機構(gòu)要有良好的傳遞特性，能較好地限定正交運動，這對振動機構(gòu)的材料、工藝、結(jié)構(gòu)要求很高。

由于不同產(chǎn)品的體積、質(zhì)量不同，且安裝方式不一樣。一般企業(yè)進行振動試驗需要針對每個產(chǎn)品定制振動機構(gòu)，制作完后需進行試驗驗證振動機構(gòu)性能，如果不符合要求需要重新設(shè)計、制作和評估。如果未經(jīng)評估直接進行振動試驗往往造成過試驗或者欠試驗，無法準確評估產(chǎn)品機械負荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

本文設(shè)計了一種3 向可調(diào)節(jié)的振動機構(gòu)。通過模態(tài)分析和試驗評估，該機構(gòu)的傳遞特性和橫向運動符合標準要求。該振動機構(gòu)可以方便地進行調(diào)節(jié)，滿足一定范圍內(nèi)各種尺寸樣品3 個軸向的振動需求，并且可以節(jié)約振動機構(gòu)制作成本，縮短試驗時間。使用該機構(gòu)進行試驗，產(chǎn)品機械負荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性評估的準確性也得到了保證。

1 振動機構(gòu)設(shè)計要求

振動機構(gòu)的基本作用是將試驗臺所產(chǎn)生的機械激勵不失真地傳遞給樣品，并且確保在樣品的固定點上滿足規(guī)范的要求。國內(nèi)外振動試驗標準對于振動試驗中固定點的主要指標要求如下[1-4]。

橫向運動：正弦振動時，IEC 60068 和GB/T 2423相關(guān)標準要求小于或等于500 Hz 時，橫向運行的最大振幅不大于規(guī)定振幅的50%；超過500 Hz 時，不大于規(guī)定振幅的100%。隨機振動時，IEC 60068 和GB/T 2423 相關(guān)標準要求小于或等于500 Hz 時，橫向運行的加速度譜密度不應(yīng)超出規(guī)定值的-3 dB；超過500 Hz 時，不應(yīng)超出規(guī)定值，總加速度均方根值不應(yīng)超過規(guī)定值的50%。

基本運動振幅容差：IEC 60068 和GB/T 2423 相關(guān)正弦振動標準要求基準點的控制信號偏差在±15%。檢查點的控制信號偏差小于或等于500 Hz 時，為±25%；超過500 Hz 時，為±50%。隨機振動標準要求基準點的控制信號偏差在試驗頻率范圍內(nèi)為±3 dB，總的加速度均方根值不應(yīng)偏離規(guī)定總的加速度均方根值的10%。

IEC 60068 和GB/T 2423 提出了振動機構(gòu)（夾具）應(yīng)不失真地傳遞機械能的要求。但目前并沒有標準提出如何實現(xiàn)這些要求，僅粗略給出了應(yīng)該考慮的一些參數(shù)。如材料的選擇應(yīng)考慮剛性和阻尼等參數(shù)，制作工藝包括螺栓連接、鉚接、鑄造、膠粘合等[5]。

國內(nèi)外技術(shù)文獻提出了振動機構(gòu)（夾具）設(shè)計的參數(shù)要求及不同的材料、工藝、結(jié)構(gòu)（尺寸、重心）對這些參數(shù)的影響[6-7]。

2 3 向可調(diào)節(jié)通用振動機構(gòu)設(shè)計

首先，根據(jù)3 向和可調(diào)節(jié)的特點進行了振動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計；其次，根據(jù)振動機構(gòu)所需，對振動試驗的試驗條件、振動臺的推力等參數(shù)進行了振動機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計；最后，根據(jù)經(jīng)驗完善了設(shè)計并對振動機構(gòu)的主要部分進行了模態(tài)分析，得到的振動機構(gòu)固有頻率符合要求。

2.1 振動機構(gòu)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

為了解決通用性的問題，設(shè)計了一種雙層槽道結(jié)構(gòu)。頂層槽道可在底層槽道上移動并用螺栓鎖緊固定在底層槽道上，實現(xiàn)X方向可調(diào)節(jié)。樣品在頂層槽道上移動并用螺栓鎖緊固定在頂層槽道上，實現(xiàn)Y方向可調(diào)節(jié)。如此，不同尺寸的試驗樣品就可以通過2 層槽道的調(diào)節(jié)鎖緊在振動機構(gòu)上。此外，底層槽道采用銑槽的方式銑在底板上，提升槽道結(jié)構(gòu)的剛性。雙層槽道結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙層槽道結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)多軸向并行，設(shè)計了一個立方體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，可將多個雙層槽道結(jié)構(gòu)同時鎖在立方體結(jié)構(gòu)的不同面上。

圖2 立方體結(jié)構(gòu)

2.2 振動機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.2.1 振動機構(gòu)質(zhì)量

振動機構(gòu)質(zhì)量公式為：

式中：m為振動機構(gòu)質(zhì)量的數(shù)值；b為常數(shù)，根據(jù)振動系統(tǒng)的動態(tài)特性取值，一般取0.8；F為振動臺推力的數(shù)值；a為加速度的數(shù)值；m1為樣品總質(zhì)量的數(shù)值；m2為振動臺動圈質(zhì)量的數(shù)值。

振動機構(gòu)設(shè)計為在1 t 臺上使用，F(xiàn)為1 000 kgf（1 kgf≈9.8 N），加速度a為5g，m1為5 kg，m2為25 kg，計算可得m≤130 kg。一般來說振動機構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)不小于樣品質(zhì)量的2～4 倍。前面設(shè)m1為5 kg，得到m≥20 kg，可得20 kg≤m≤130 kg。

2.2.2 振動機固有頻率

當試驗頻率從低頻接近振動機構(gòu)固有頻率時，振動幅值將會放大（傳遞系數(shù)大于1）。試驗頻率超過振動機構(gòu)固有頻率的1.414 倍時，振動幅值將會減少（傳遞系數(shù)小于1），也就是隔振現(xiàn)象。因此，需要振動機構(gòu)有較高的一階固有頻率以避開傳遞系數(shù)異常放大或縮小的區(qū)域。一般情況下，需要將一階固有頻率設(shè)計在試驗最高頻率的154%。這里將試驗頻率的上限定為常見的試驗頻率上限，即2 000 Hz，振動機構(gòu)的一階固有頻率fn≥3 080 Hz，公式如下：

式中：k為振動機構(gòu)剛度的數(shù)值。

振動機構(gòu)固有頻率與剛度成正比，與質(zhì)量成反比。提升固有頻率，需要用較少的質(zhì)量得到較好的剛度。因此，振動機構(gòu)應(yīng)該是一個鏤空形式的結(jié)構(gòu)，材料和質(zhì)量集中在提供剛性的骨架上。

2.2.3 振動機構(gòu)重心和尺寸

為了避免傾翻力矩，振動機構(gòu)的重心越低越好。振動機構(gòu)近似為一個立方體，低重心的要求即應(yīng)限制振動機構(gòu)的尺寸。本項目根據(jù)日常試驗樣品情況和立方體機構(gòu)的制作難度，將立方體機構(gòu)的尺寸控制在25 cm×25 cm×25 cm 左右。此外，立方體結(jié)構(gòu)的中心為對稱結(jié)構(gòu)，可以使重心和幾何中心重合，有效減少偏心距和橫向運動。

2.2.4 振動機構(gòu)固有阻尼和材料

振動機構(gòu)應(yīng)該有較小的機械Q值。阻尼越大，機械Q值越小。采用阻尼較大的鋁材來制作振動機構(gòu)。整體鑄造工藝的阻尼高于鍛造，采用整體鑄造的工藝來進行立方體母機構(gòu)制作。

2.3 振動機構(gòu)設(shè)計和模態(tài)分析

結(jié)合上述參數(shù)分析，圖2 的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛性不足，可以通過增加剛性骨架來同步提升質(zhì)量和剛性。將立方體側(cè)面和頂面由鏤空面改為完成面，減少立方體支柱的負荷。振動臺動圈固定點（螺孔）為同心圓布局，結(jié)合立方體機構(gòu)的尺寸，在立方體內(nèi)部增加同心圓布局從底面直通頂面的支柱，如圖3 所示。其中，灰色孔位為與動圈螺孔匹配的沉孔，這些沉孔全部位于振動機構(gòu)從地面直通頂面的支柱內(nèi)。這種情況下，振動臺產(chǎn)生的應(yīng)力從動圈上的螺孔直接通過與之匹配的支柱在最短距離內(nèi)到達立方體頂面，有利于提升振動機構(gòu)剛性。

圖3 立方體母機構(gòu)內(nèi)部支柱設(shè)計（底面）

按照改進后的設(shè)計對立方體母機構(gòu)進行了模態(tài)分析。一階固有頻率為4 908×0.7=3 435 Hz，振型如圖4所示。符合前面分析參數(shù)時提出的一階固有頻率應(yīng)大于3 080 Hz 的要求。

圖4 立方體機構(gòu)模態(tài)分析

3 振動機構(gòu)制作及試驗驗證

根據(jù)改進后的設(shè)計，用鋁材采用整體鑄造的工藝制作了新的立方體母機構(gòu)和配套的3 個滑槽子機構(gòu)。立方體機構(gòu)質(zhì)量為25 kg。槽道子機構(gòu)質(zhì)量為5.2 kg。立方體機構(gòu)加3 個子機構(gòu)滿載的情況下，質(zhì)量為40.6 kg，符合20 kg≤m≤130 kg 的要求。

將3 個槽道子機構(gòu)全部裝上立方體母機構(gòu)，每個子機構(gòu)上加裝樣品，樣品總質(zhì)量達到5 kg，如圖5所示。

圖5 振動機構(gòu)性能驗證

分別將傳感器固定在3 個軸向樣品的固定點處，在20～2 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)進行隨機振動，得到3個軸向樣品固定點的振動曲線，如圖6—圖8 所示。由圖可見，3 個軸向隨機振動的傳遞系數(shù)在20～2 000 Hz范圍內(nèi)，皆未超出規(guī)定值功率譜密度的±3 dB 的范圍。橫向分量在500 Hz 以下低于目標值的-3 dB，500 Hz以上低于目標值，滿足相關(guān)標準要求（使用正弦振動驗與隨機試驗進行振動機構(gòu)分析效果相當，隨機振動試驗相對便捷，這里只做隨機響應(yīng)分析）。

圖6 頂面樣品固定點振動響應(yīng)曲線

圖7 左側(cè)樣品固定點振動響應(yīng)曲線

圖8 右側(cè)樣品固定點振動響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種3 向可調(diào)節(jié)的振動機構(gòu)。通過模態(tài)分析和試驗評估，該機構(gòu)的傳遞特性和橫向運動符合標準要求。該振動機構(gòu)可以方便地進行調(diào)節(jié)，滿足一定范圍各種尺寸樣品3 個軸向的振動需求，并且可以節(jié)約振動機構(gòu)制作成本，縮短試驗時間。使用該機構(gòu)進行試驗，產(chǎn)品機械負荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性評估的準確性也得到了保證。