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        阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析*

        2014-03-22 10:42:30孫欽密張衛(wèi)東馬睿松
        計(jì)量技術(shù) 2014年8期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)器激振力臺面

        孫欽密 張衛(wèi)東 馬睿松 任 翔

        (河南省計(jì)量科學(xué)研究院,鄭州 450008)

        0 引言

        振動(dòng)臺(或振動(dòng)器)按能源提供形式大致分為機(jī)械式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液壓式等。其中氣動(dòng)式振動(dòng)臺是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)振動(dòng)元件在既定軌道內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生激振力的試驗(yàn)設(shè)備。相對其它的振動(dòng)試驗(yàn)平臺,氣動(dòng)振動(dòng)臺具有諸多優(yōu)點(diǎn),如以壓縮空氣為動(dòng)力,操作簡單安全,體積小,安裝簡單,激勵(lì)頻率和激振力容易控制,潔凈度高,易于滿足醫(yī)用環(huán)境條件要求等,在醫(yī)療行業(yè)有著特殊的應(yīng)用。YY/T 0506.5—2009《病人、醫(yī)護(hù)人員和器械用手術(shù)單、手術(shù)衣和潔凈服》阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)方法(第5部分)中要求以氣動(dòng)振動(dòng)臺作為試驗(yàn)平臺。由于市面上沒有成熟的氣動(dòng)振動(dòng)臺產(chǎn)品,而且振動(dòng)平臺的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)直接影響振動(dòng)響應(yīng)效果,因此如何圍繞振動(dòng)響應(yīng)效果設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)是阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)儀研制的關(guān)鍵。

        1 氣動(dòng)振動(dòng)臺的設(shè)計(jì)及計(jì)量

        阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀試驗(yàn)平臺是利用球式氣動(dòng)振動(dòng)器的激勵(lì),使大理石板臺面產(chǎn)生一定頻率下的激振,帶動(dòng)臺面上帶有試驗(yàn)樣品的容器振動(dòng),以滿足醫(yī)用防護(hù)服阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)的工作要求。按照YY/T 0506.5—2009要求,選擇40cm×40cm×10mm大理石板為平臺,氣動(dòng)振動(dòng)器為激勵(lì)源,激勵(lì)源連接大理石板上面的一個(gè)側(cè)邊處,通過壓縮空氣流量,使激勵(lì)源帶動(dòng)平板每分鐘產(chǎn)生約20800(約347Hz)次的振動(dòng),臺面下面各角部裝有4個(gè)橡膠支撐,有6個(gè)不銹鋼試驗(yàn)容器。基座結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中Φ20為與橡膠柱相配合的孔,Φ118為放置檢測物品的示意位置,模型上并不存在。長方形112×24 為放置氣動(dòng)振動(dòng)器的地方,基座采用大理石材質(zhì)。

        圖1 基座結(jié)構(gòu)示意圖

        利用振動(dòng)臺檢定裝置對該振動(dòng)臺進(jìn)行檢定。將傳感器分別布置在激勵(lì)源旁和6個(gè)不銹鋼容器中心點(diǎn)位置,調(diào)整進(jìn)氣壓力,使氣動(dòng)球式振動(dòng)臺以一定的頻率振動(dòng),測量結(jié)果如表1,在不銹鋼容器2、3處的振幅處于較大狀態(tài)。

        表1 氣動(dòng)振動(dòng)臺面振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)和分析表

        注:測量頻率為334.4Hz左右

        2 氣動(dòng)振動(dòng)臺的振動(dòng)仿真分析

        2.1 仿真參數(shù)

        各項(xiàng)仿真參數(shù)如圖2所示。

        圖2 各項(xiàng)仿真參數(shù)

        2.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

        取20階固有頻率,對前2階進(jìn)行分析,分析結(jié)果及固有頻率模式形狀對比如圖3、圖4所示(圖右側(cè)為振幅示例圖,顏色由深到淺,振幅由小到大,下同。),一階振動(dòng)頻率最大值出現(xiàn)在臺面正中心,二階振動(dòng)頻率最大值出現(xiàn)在氣動(dòng)振動(dòng)器安裝位置。

        圖3 一階振動(dòng)固有頻率模式形狀

        圖4 二階振動(dòng)固有頻率模式形狀

        2.3 裝配體的振動(dòng)分析

        裝配體各部分仿真材料及屬性如表2所示。

        表2 裝配體各部分仿真材料及屬性

        激勵(lì)施加力(取激勵(lì)振動(dòng)頻率f=300Hz):

        F=650cos(2p ×300t)N

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,前5階固有頻率模式形狀圖5,可以看出一階激振力幅值最大位置也在臺面振動(dòng)器安裝位置接近臺面中心,二階在1、3位置,經(jīng)修正后的結(jié)果基本一致。

        圖5 前5階固有頻率模式形狀

        圖6 對6個(gè)被測物件的參考點(diǎn)的振幅響應(yīng)對比

        圖7 改進(jìn)后的基座結(jié)構(gòu)示意圖

        圖8 一階固有頻率的模式形狀

        圖9 一階固有頻率激振力模式

        圖10 一階固有頻率振幅模式

        對6個(gè)被測物件的參考點(diǎn)的振幅響應(yīng)進(jìn)行比較,如圖6所示。

        由以上的這些被測物體的響應(yīng)分析對比可知,當(dāng)被測物體放置的位置對稱,則振動(dòng)響應(yīng)幅值大致相同,否則,振動(dòng)幅值相差較大。被測物體越靠近激勵(lì)源,則振動(dòng)幅值越大,這與1、2、3點(diǎn)的一階頻率及激振力較大的測量結(jié)果基本一致。

        3 改進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真

        由于機(jī)械式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液壓式振動(dòng)臺的結(jié)構(gòu)一般為對稱型結(jié)構(gòu)模式,設(shè)想將氣動(dòng)振動(dòng)臺激勵(lì)源放在臺面中心,其它點(diǎn)輻射型布設(shè)在圓周上,其它試驗(yàn)條件同非對稱式結(jié)構(gòu),如圖7所示。

        3.1 仿真計(jì)算結(jié)果分析

        在仿真參數(shù)不變的前提下,計(jì)算結(jié)果的前2階固有頻率的模式形狀為圖8,觀察結(jié)構(gòu)相對于原結(jié)構(gòu)的變形形狀,可以看出一階振動(dòng)頻率幅值最大值出現(xiàn)在臺面中心,被測試點(diǎn)處頻率均勻分布,二階振動(dòng)頻率振幅出現(xiàn)在激振器兩側(cè)。

        3.2 激振力仿真

        激勵(lì)施加力,取激勵(lì)振動(dòng)頻率f=800Hz,F(xiàn)=650cos(2p ×800t)N,計(jì)算結(jié)果其前一階固有頻率模式如圖9所示,振幅計(jì)算結(jié)果如圖10所示,可以看出激振力在圓周各測試點(diǎn)均勻分布,各點(diǎn)振動(dòng)位移大小基本一致,符合均勻分布特征。

        由以上響應(yīng)圖可知,6個(gè)被測物體的振動(dòng)幅值及頻率相同,所以該模型設(shè)計(jì)符合振動(dòng)臺面均勻度的關(guān)鍵要求。

        4 結(jié)束語

        由以上兩個(gè)模型對比分析可知,為了使各被測物體的振動(dòng)位移盡可能的相同,盡量使振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱,被測物體的放置位置離激勵(lì)源的距離盡量相同。阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu),具有更佳的振動(dòng)響應(yīng)效果。

        根據(jù)仿真和測試結(jié)果可以看出,目前標(biāo)準(zhǔn)要求的氣動(dòng)振動(dòng)臺存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足:一是因?yàn)榍蚴秸駝?dòng)器易磨損,運(yùn)行時(shí)間過長試驗(yàn)效果會出現(xiàn)衰減,以氣動(dòng)球式振動(dòng)器作為激勵(lì)源有一定的局限性;二是將振動(dòng)器放在臺面一側(cè)激勵(lì)的效果沒有在中心的效果均勻穩(wěn)定。因此,現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以考慮采用我院設(shè)計(jì)的阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀。

        [1]YY/T 0506.5—2009病人、醫(yī)護(hù)人員和器械用手術(shù)單、手術(shù)衣和潔凈服 第5部分:阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009

        [2]王考,陶俊勇,陳循.單錘激勵(lì)下氣動(dòng)式振動(dòng)臺的響應(yīng)分析[C].2007年第九屆全國振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集,杭州,2007.10

        [3]張宏宇,可以簡化安裝的正弦振動(dòng)試驗(yàn)〔J〕.計(jì)量技術(shù),2008(5)

        [4]GB/T 13309—2007機(jī)械振動(dòng)臺技術(shù)條件.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007

        [5]GB/T 13310—2007電動(dòng)振動(dòng)臺.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007

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