林偉峰

（廈門(mén)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建廈門(mén) 361000）

一個(gè)產(chǎn)品要獲得大眾的認(rèn)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(jì)，產(chǎn)品損壞受振動(dòng)影響而損壞的占14%。振動(dòng)是重要的環(huán)境因素，幾乎所有的產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)全過(guò)程都要進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度等問(wèn)題，并進(jìn)行改進(jìn)，以滿足使用要求。

振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)樣品需要通過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力通過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)不失真地傳遞到產(chǎn)品上。這就要求振動(dòng)機(jī)構(gòu)要有良好的傳遞特性，能較好地限定正交運(yùn)動(dòng)，這對(duì)振動(dòng)機(jī)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(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)需要針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品定制振動(dòng)機(jī)構(gòu)，制作完后需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證振動(dòng)機(jī)構(gòu)性能，如果不符合要求需要重新設(shè)計(jì)、制作和評(píng)估。如果未經(jīng)評(píng)估直接進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)往往造成過(guò)試驗(yàn)或者欠試驗(yàn)，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品機(jī)械負(fù)荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

本文設(shè)計(jì)了一種3 向可調(diào)節(jié)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)模態(tài)分析和試驗(yàn)評(píng)估，該機(jī)構(gòu)的傳遞特性和橫向運(yùn)動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足一定范圍內(nèi)各種尺寸樣品3 個(gè)軸向的振動(dòng)需求，并且可以節(jié)約振動(dòng)機(jī)構(gòu)制作成本，縮短試驗(yàn)時(shí)間。使用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品機(jī)械負(fù)荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性也得到了保證。

1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

振動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本作用是將試驗(yàn)臺(tái)所產(chǎn)生的機(jī)械激勵(lì)不失真地傳遞給樣品，并且確保在樣品的固定點(diǎn)上滿足規(guī)范的要求。國(guó)內(nèi)外振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)中固定點(diǎn)的主要指標(biāo)要求如下[1-4]。

橫向運(yùn)動(dòng)：正弦振動(dòng)時(shí)，IEC 60068 和GB/T 2423相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求小于或等于500 Hz 時(shí)，橫向運(yùn)行的最大振幅不大于規(guī)定振幅的50%；超過(guò)500 Hz 時(shí)，不大于規(guī)定振幅的100%。隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，IEC 60068 和GB/T 2423 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求小于或等于500 Hz 時(shí)，橫向運(yùn)行的加速度譜密度不應(yīng)超出規(guī)定值的-3 dB；超過(guò)500 Hz 時(shí)，不應(yīng)超出規(guī)定值，總加速度均方根值不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值的50%。

基本運(yùn)動(dòng)振幅容差：IEC 60068 和GB/T 2423 相關(guān)正弦振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求基準(zhǔn)點(diǎn)的控制信號(hào)偏差在±15%。檢查點(diǎn)的控制信號(hào)偏差小于或等于500 Hz 時(shí)，為±25%；超過(guò)500 Hz 時(shí)，為±50%。隨機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求基準(zhǔn)點(diǎn)的控制信號(hào)偏差在試驗(yàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)（夾具）應(yīng)不失真地傳遞機(jī)械能的要求。但目前并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)提出如何實(shí)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(guó)內(nèi)外技術(shù)文獻(xiàn)提出了振動(dòng)機(jī)構(gòu)（夾具）設(shè)計(jì)的參數(shù)要求及不同的材料、工藝、結(jié)構(gòu)（尺寸、重心）對(duì)這些參數(shù)的影響[6-7]。

2 3 向可調(diào)節(jié)通用振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)3 向和可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；其次，根據(jù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)所需，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、振動(dòng)臺(tái)的推力等參數(shù)進(jìn)行了振動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)；最后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)完善了設(shè)計(jì)并對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分進(jìn)行了模態(tài)分析，得到的振動(dòng)機(jī)構(gòu)固有頻率符合要求。

2.1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

為了解決通用性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙層槽道結(jié)構(gòu)。頂層槽道可在底層槽道上移動(dòng)并用螺栓鎖緊固定在底層槽道上，實(shí)現(xiàn)X方向可調(diào)節(jié)。樣品在頂層槽道上移動(dòng)并用螺栓鎖緊固定在頂層槽道上，實(shí)現(xiàn)Y方向可調(diào)節(jié)。如此，不同尺寸的試驗(yàn)樣品就可以通過(guò)2 層槽道的調(diào)節(jié)鎖緊在振動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)多軸向并行，設(shè)計(jì)了一個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，可將多個(gè)雙層槽道結(jié)構(gòu)同時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量

振動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量公式為：

式中：m為振動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量的數(shù)值；b為常數(shù)，根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取值，一般取0.8；F為振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)動(dòng)圈質(zhì)量的數(shù)值。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為在1 t 臺(tái)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(jì)算可得m≤130 kg。一般來(lái)說(shuō)振動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)固有頻率

當(dāng)試驗(yàn)頻率從低頻接近振動(dòng)機(jī)構(gòu)固有頻率時(shí)，振動(dòng)幅值將會(huì)放大（傳遞系數(shù)大于1）。試驗(yàn)頻率超過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)固有頻率的1.414 倍時(shí)，振動(dòng)幅值將會(huì)減少（傳遞系數(shù)小于1），也就是隔振現(xiàn)象。因此，需要振動(dòng)機(jī)構(gòu)有較高的一階固有頻率以避開(kāi)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(jì)在試驗(yàn)最高頻率的154%。這里將試驗(yàn)頻率的上限定為常見(jiàn)的試驗(yàn)頻率上限，即2 000 Hz，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的一階固有頻率fn≥3 080 Hz，公式如下：

式中：k為振動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度的數(shù)值。

振動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)重心和尺寸

為了避免傾翻力矩，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的重心越低越好。振動(dòng)機(jī)構(gòu)近似為一個(gè)立方體，低重心的要求即應(yīng)限制振動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸。本項(xiàng)目根據(jù)日常試驗(yàn)樣品情況和立方體機(jī)構(gòu)的制作難度，將立方體機(jī)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(duì)稱(chēng)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(yùn)動(dòng)。

2.2.4 振動(dòng)機(jī)構(gòu)固有阻尼和材料

振動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該有較小的機(jī)械Q值。阻尼越大，機(jī)械Q值越小。采用阻尼較大的鋁材來(lái)制作振動(dòng)機(jī)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(lái)進(jìn)行立方體母機(jī)構(gòu)制作。

2.3 振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)增加剛性骨架來(lái)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(fù)荷。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈固定點(diǎn)（螺孔）為同心圓布局，結(jié)合立方體機(jī)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(dòng)圈螺孔匹配的沉孔，這些沉孔全部位于振動(dòng)機(jī)構(gòu)從地面直通頂面的支柱內(nèi)。這種情況下，振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的應(yīng)力從動(dòng)圈上的螺孔直接通過(guò)與之匹配的支柱在最短距離內(nèi)到達(dá)立方體頂面，有利于提升振動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性。

圖3 立方體母機(jī)構(gòu)內(nèi)部支柱設(shè)計(jì)（底面）

按照改進(jìn)后的設(shè)計(jì)對(duì)立方體母機(jī)構(gòu)進(jìn)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(shí)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(jī)構(gòu)模態(tài)分析

3 振動(dòng)機(jī)構(gòu)制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，用鋁材采用整體鑄造的工藝制作了新的立方體母機(jī)構(gòu)和配套的3 個(gè)滑槽子機(jī)構(gòu)。立方體機(jī)構(gòu)質(zhì)量為25 kg。槽道子機(jī)構(gòu)質(zhì)量為5.2 kg。立方體機(jī)構(gòu)加3 個(gè)子機(jī)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(gè)槽道子機(jī)構(gòu)全部裝上立方體母機(jī)構(gòu)，每個(gè)子機(jī)構(gòu)上加裝樣品，樣品總質(zhì)量達(dá)到5 kg，如圖5所示。

圖5 振動(dòng)機(jī)構(gòu)性能驗(yàn)證

分別將傳感器固定在3 個(gè)軸向樣品的固定點(diǎn)處，在20～2 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，得到3個(gè)軸向樣品固定點(diǎn)的振動(dòng)曲線，如圖6—圖8 所示。由圖可見(jiàn)，3 個(gè)軸向隨機(jī)振動(dòng)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(biāo)值的-3 dB，500 Hz以上低于目標(biāo)值，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（使用正弦振動(dòng)驗(yàn)與隨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)機(jī)構(gòu)分析效果相當(dāng)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相對(duì)便捷，這里只做隨機(jī)響應(yīng)分析）。

圖6 頂面樣品固定點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線

圖7 左側(cè)樣品固定點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線

圖8 右側(cè)樣品固定點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種3 向可調(diào)節(jié)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)模態(tài)分析和試驗(yàn)評(píng)估，該機(jī)構(gòu)的傳遞特性和橫向運(yùn)動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足一定范圍各種尺寸樣品3 個(gè)軸向的振動(dòng)需求，并且可以節(jié)約振動(dòng)機(jī)構(gòu)制作成本，縮短試驗(yàn)時(shí)間。使用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品機(jī)械負(fù)荷相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性也得到了保證。