CN101922995A - 电锤式三轴六自由度振动试验装置 - Google Patents

Abstract

一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面，其特征在于：所述振动台面底部通过一弹性基座支承，使振动台面呈自由水平支承状态；在振动台面的X、Y、Z轴向上至少作用有第一双向电锤、第二双向电锤、第三双向电锤、第四双向电锤以及第五双向电锤，该第一、第二、第三、第四以及第五双向电锤结构相同，均由固定环座以及锤体组成，固定环座内设有铁芯以及线圈，锤体穿设支承于固定环座中且相对固定环座沿直线运动，以此使锤体的两端伸出作为两锤击端；对应于各锤击端振动台面上设有与之配合的锤击作用面。通过控制通入各双向电锤线圈中的电流大小和相位，就可控制振动台面的振动谱，模拟出真实的三轴六自由度振动环境。

Description

电锤式三轴六自由度振动试验装置

技术领域

本发明涉及力学环境试验设备，具体涉及一种X、Y、Z三轴六自由度的振动试验装置。

背景技术

有些产品譬如飞机、导弹的环境振动本就是X、Y、Z三轴六自由度的复合振动，在上世纪由于机械、液压、自动控制等方面技术的局限，振动试验只能限于单轴振动试验。单轴振动试验的实施较为简单，故大量使用在各个行业以及各个方面。单轴振动试验对产品之薄弱环节的暴露和可靠性的提高起到了积极作用，但它对于纵波、横波同时振动模拟性不够，对那些不同轴向同时作用，有轴向直线运动同时对转动敏感的试验样品的故障暴露效率不高。而若以一台单轴振动试验装置分次完成各轴的振动试验，试验间需进行高要求的换向操作，很麻烦，增加了两倍以上的试验工作量，并且，这样以单轴振动试验装置先后分次进行的三轴振动试验也仅具有三个自由度，与真实的复合振动环境仍相差甚远。

近年来，研究具有多轴输入多轴输出，能模拟三轴六自由度同时作用的复合振动环境的振动试验装置，已成为本行业各厂家的重要研究方向。

目前，已有用六台或六台以上电动或液压振动台搭建而成的三轴六自由度振动试验系统的报道，但是无论其台体，还是控制系统结构，硬件、软件都非常复杂，价格昂贵，试验操作复杂，对操作人员要求高，试验费也很高，不利于普及。

另外，还有一种是气锤式三轴六自由度振动试验系统，它是在一振动台面下布置多个(一般为7-9个)不同规格的气锤，用这些气锤以不同的角度、不同方向分别连续打击试件工作台，激起台面的模态振动(称作波振台)。在实际应用中，发现气锤式三轴六自由度振动试验系统有以下不足：

1、X、Y、Z三轴的力是靠同一向量的分量组成，他们之间有着固定的比例，这X、Y、Z三分量是相关而非独立的。由于是连续冲击形成的振动，其振动特性是伪随机运动，其概率分布为非高斯，该试验系统有些情况下其各方向的振动量值以及比例是无法控制的，试验的模拟性、再现性无法保障。

2、气锤本身结构基本同于气缸与活塞，且其中没有活动胀圈和良好的润滑，所以存在磨损问题，寿命短。

发明内容

本发明目的是提供一种结构相对简单、造价相对较低、使用方便、使用寿命长的电锤式三轴六自由度振动试验装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面；

所述振动台面底部通过一弹性基座支承，所述弹性基座由至少三根支撑立柱以及设于支撑立柱顶部的弹簧组成，三根支撑立柱分列布置在振动台面下，在三根支撑立柱与振动台面间经所述弹簧连接支承，以此使振动台面呈自由水平支承状态；

在振动台面上至少作用有第一双向电锤、第二双向电锤、第三双向电锤、第四双向电锤以及第五双向电锤，该第一、第二、第三、第四以及第五双向电锤结构相同，且均主要由铁芯、线圈和锤体组成，铁芯为筒状结构，线圈绕制在铁芯上，锤体由轴状导磁材料构成，锤体穿设于铁芯的筒中，并且在锤击方向上相对铁芯呈滑动支承，锤体轴向两端作为两锤击端，以此构成双向电锤结构；

所述第一双向电锤以其锤体运动方向沿着振动台面的水平X轴方向设置于振动台面的底部或侧旁，第一双向电锤的固定环座与振动台面固定连接，对应于第一双向电锤的两锤击端在振动台面上设有与之配合的X向锤击作用面；

所述第二双向电锤和第三双向电锤均以其锤体运动方向沿着振动台面的水平Y轴方向设置，且它们相互平行设于振动台面的底部或分列振动台面两侧旁；第二双向电锤和第三双向电锤的固定环座与振动台面固定连接，对应于第二双向电锤和第三双向电锤的各锤击端在振动台面上设有与之配合的Y向锤击作用面；

所述第四双向电锤和第五双向电锤均以其锤体运动方向沿着振动台面的Z轴方向设置于振动台面的底部，且第四双向电锤和第五双向电锤分别位于以X轴和Y轴分割的两个对角象限内构成对角布置；第四双向电锤和第五双向电锤的固定环座相对振动台面固定连接，对应于第四双向电锤和第五双向电锤的各锤击端在振动台面上设有与之配合的Z向锤击作用面。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述铁芯可以是一体的筒状结构，也可以是由多瓣拼合成而的筒状结构。较佳是由两个截面为半环状的铁芯拼合而成。

2、上述方案中，所述锤体由弹簧片支持架支承在固定环座中，所述弹簧片支持架为圆环状的簧片，其上设有多个槽孔，簧片外缘固定于固定环座上，簧片内缘固定于锤体上，使锤体在锤击方向上相对铁芯呈滑动支承。

3、上述方案中，在振动台面水平X轴方向上还作用有第六双向电锤，该第六双向电锤与第一双向电锤平行设置，且两者结构相同；振动台面上也对应该第六双向电锤的两锤击端设有与之配合的X向锤击作用面。

4、上述方案中，在振动台面Z轴方向上还作用有第七双向电锤和第八双向电锤，该第七双向电锤、第八双向电锤与第四双向电锤相平行且结构相同，第七双向电锤、第八双向电锤与第四双向电锤、第五双向电锤分设于以X轴和Y轴分割的四个象限内；振动台面上也对应于第七双向电锤和第八双向电锤的各锤击端设有与之配合的锤击作用面。

5、上述方案中，所述弹簧为机械弹簧，也可为空气弹簧。

6、上述方案中，所述“水平X轴方向”和“水平Y轴方向”分别为水平面内相互垂直的两个方向，其中一个方向定义为X轴方向，而另一个方向定义为Y轴方向，也可将一个方向定义为Y轴方向，而另一个方向定义为X轴方向。

7、上述方案中，所述“两个对角象限”是指X轴和Y轴分割的第一、第三象限或第二、第四象限。

6、上述方案中，所述振动台面由台面板、连接框和底板三部分组成，台面板和底板上下平行布置，连接框为一四方框体，它连接在台板和底板之间。

8、上述方案中，所述“对应于第一双向电锤的两锤击端在振动台面上设有与之配合的X向锤击作用面”，“对应于第二双向电锤和第三双向电锤的各锤击端在振动台面上设有与之配合的Y向锤击作用面”，“对应于第四双向电锤和第五双向电锤的各锤击端在振动台面上设有与之配合的Z向锤击作用面”，上述三句中提及的振动台面上设锤击作用面包括了以下两种具体情况：一是振动台面上直接延伸一体设锤击作用面；二是在振动台面上固定加装一架体，再在该架体上设锤击作用面。

9、上述方安案中，本电锤式三轴六自由度振动试验装置还包括控制和驱动系统，譬如：功率放大器、计算机控制系统以及三相传感器等。

本发明工作原理是：振动台面由弹性基座支承成自由水平状态，而采用双向电锤作为激振器作用于振动台面上。使用时，只要对X、Y、Z三轴向上的各双向电锤中的线圈通入交变电流或脉冲电流，使之产生磁场驱动锤体前后运动锤击在锤击作用面上，振动经锤击作用面传递至振动台面上，使振动台面振动起来。通过控制通入各双向电锤线圈中的电流的大小和相位，就可控制振动台面的振动谱，模拟出真实的三轴六自由度自然振动环境。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、由于本发明的特别结构，与现有三轴六自由度振动机构相比，更为简单，省去了机构复杂制造精密昂贵的振动台体或气锤。

2、由于本发明的特别结构，可通过控制每个双向电锤所通电流的相位，避免相位抵消，提高振动效率，且由控制电锤电流从而控制冲击力，达到三轴六自由度控制。

3、由于本发明的特别结构，电锤以电磁原理来工作，电锤内部的部件间没有磨擦，不会发生磨损，寿命长，性能隐定。

4、由于本发明的特别结构，性能和振动谱可以控制，价格便宜，操作简单，在高加速寿命试验和高效应力筛选中完全可以替代现有气锤式三轴六自由度振动系统。

附图说明

附图1为本发明实施例一结构示意图；

附图2为本发明实施例一电锤分布示意图；

附图3为本发明实施例一Z轴向电锤结构示意图；

附图4为本发明实施例一X轴或Y轴向电锤结构示意图；

附图5为本发明实施例一弹簧片支持架的结构示意图；

附图6为本发明实施例一振动台面分解示意图；

附图7为本发明实施例二电锤分布示意图；

附图8为本发明实施例三电锤分布示意图。

以上附图中：1、振动台面；2、支撑立柱；3、机械弹簧；4、第一双向电锤；5、第二双向电锤；6、第三双向电锤；7、第六双向电锤；8、第四双向电锤；9、第五双向电锤；10、第七双向电锤；11、第八双向电锤；12、X向锤击作用面；13、台面板；14、连接框；15、底板；16、铁芯；17、线圈；18、锤体；19、弹簧片支持架；20、支座；21、壳体；22、Y向锤击作用面；23、Z向锤击作用面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1～6所示：

一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面1，该振动台面1底部通过一弹性基座支承，见附图1所示，所述弹性基座1由四根(至少三根)支撑立柱2以及设于支撑立柱2顶部的弹簧3组成，四根支撑立柱2设于振动台面1四角的底部，在四根支撑立柱2与振动台面1间经弹簧3连接支承，以此使振动台面呈自由水平支承状态。弹簧3如图示为机械螺旋弹簧，实际中也可用空气弹簧替代。

参见附图2所示，在振动台面1上作用第一双向电锤4、第二双向电锤5、第三双向电锤6、第四双向电锤8、第五双向电锤9以及第六双向电锤7，该第一、第二、第三、第四、第五双向电锤以及第六双向电锤7结构相同，且均主要由铁芯16、线圈17和锤体18组成，铁芯16为筒状结构，线圈17绕制在铁芯16上，锤体18由轴状导磁材料构成，锤体18穿设于铁芯16的筒中，并且在锤击方向上相对铁芯16呈滑动支承，锤体18轴向两端作为两锤击端，以此构成双向电锤结构。具体如附图3、附图4所示，铁芯16由两个截面为半环状的铁芯拼合而，而锤体18较佳采用软铁及硅钢片材质。锤体18由弹簧片支持架19(如图示为两个弹簧片支持架19)支承在固定环座中，所述弹簧片支持架19为圆环状的簧片，见附图5，其上设有多个槽孔，簧片外缘固定于固定环座上，簧片内缘固定于锤体18上。实际中，也可由滑动轴承代替弹簧片支持架19，来支承锤体18。铁芯16和线圈17构成的整体外部可包覆有外壳。

参见附图2所示，第一双向电锤4和第六双向电锤7均以其锤体运动方向沿着振动台面1的水平X轴方向设置，两者平行位于振动台面1的底部，且分列于两侧。第一双向电锤4和第二双向电锤7的固定环座与振动台面1固定连接，对应于第一双向电锤4和第二双向电锤7的各锤击端振动台面1上设有与之配合的X向锤击作用面12。具体如图示，较佳方案是第一双向电锤4和第二双向电锤7以振动台面X轴方向的中心线相对称。

实际中，第一双向电锤4和第六双向电锤7也可设于振动台面1的两侧边上。

参见附图2所示，第二双向电锤5和第三双向电锤6均以其锤体运动方向沿着振动台面1的水平Y轴方向设置，且它们相互平行设于振动台面1的底部两侧；第二双向电锤5和第三双向电锤6的固定环座与振动台面1固定连接，对应于第二双向电锤5和第三双向电锤6的各锤击端振动台面1上设有与之配合的Y向锤击作用面22。具体如图示，较佳方案是第二双向电锤5和第三双向电锤6以振动台面Y轴方向的中心线相对称。

实际中，第二双向电锤5和第三双向电锤6也可设于振动台面1的两侧边上。

参见附图2所示，所述第四双向电锤8和第五双向电锤9均以其锤体运动方向沿着振动台面1的Z轴方向设置于振动台面的底部，且第四双向电锤8和第五双向电锤9分设于以X轴和Y轴分割的两个对角象限内构成对角布置；第四双向电锤8和第五双向电锤9的固定环座相对振动台面1固定连接，对应于第四双向电锤8和第五双向电锤9的各锤击端振动台面1上设有与之配合的Z向锤击作用面23。如图示，较佳方案是第四双向电锤8和第五双向电锤9以振动台面Z轴方向的中心线相对称。具体，见附图3，第四双向电锤8和第五双向电锤9通过一支座20固定于振动台面1的底面上，振动台面1的底面作为与第四双向电锤8和第五双向电锤9朝上的锤击端配合的Z向锤击作用面23，而支座20上的内底面作为与第四双向电锤8和第五双向电锤9朝下的锤击端配合的Z向锤击作用面23。

参见附图6所示，振动台面1由台面板13、连接框14和底板15三部分组成，台面板13和底板15上下平行布置，连接框14为一四方框体，它连接在台面板13和底板15之间。

工作时，对X、Y、Z三轴向上的各双向电锤中的线圈17通入交变电流或脉冲电流，使之产生磁场驱动锤体18运动锤击在锤击作用面12、22、23上，振动经锤击作用面12、22、23传递至振动台面1上，使振动台面1振动起来。通过控制通入各双向电锤线圈17中的电流的大小和相位，就可控制振动台面1的振动谱，模拟出真实的三轴六自由度自然振动环境。对于振动台面1的绕Z轴向的绕度，是由控制第一双向电锤4、第二双向电锤5、第三双向电锤6以及第六双向电锤7的相位来完成的。对于振动台面1的绕X轴及Y轴向的绕度，是由控制第四双向电锤8、第五双向电锤9的相位来完成的。

实施例二：参见附图7所示：

一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面1，与实施例一的不同之处在于：在振动台面1的Z轴方向上还作用有第七双向电锤10和第八双向电锤11，该第七双向电锤10、第八双向电锤11与第四双向电锤8相平行且结构相同，第七双向电锤10、第八双向电锤11与第四双向电锤8、第五双向电锤9分别位于以X轴和Y轴分割的四个象限内，且相对于振动台面1的Z轴方向的中心线对称；振动台面1上也对应于第七双向电锤10和第八双向电锤11的各锤击端设有或延伸有与之配合的锤击作用面12。

工作时，以控制第七双向电锤10、第八双向电锤11、第四双向电锤8及第五双向电锤9的相位，从而使振动台面1完成绕X轴和Y轴的绕度。

其它同实施例一，这里不再赘述。

实施例三：参见附图8所示：

一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面1，与实施例一的不同之处在于：在振动台面1上没有设置第六双向电锤7，即在沿X轴方向上仅设有第一双向电锤4，而且第一双向电锤4是设置在振动台面的中心位置，其中心线与振动台面的X轴方向的中心线重合。

工作时，由控制第二双向电锤5、第三双向电锤6的相位来完成振动台面1的绕Z轴向的绕度。

其它同实施例一，这里不再赘述。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电锤式三轴六自由度振动试验装置，包括一振动台面，其特征在于：

所述振动台面(1)底部通过一弹性基座支承，所述弹性基座(1)由至少三根支撑立柱(2)以及设于支撑立柱(2)顶部的弹簧(3)组成，三根支撑立柱(2)分列布置在振动台面(1)下，在三根支撑立柱(2)与振动台面(1)间经所述弹簧(3)连接支承，以此使振动台面呈自由水平支承状态；

在振动台面(1)上至少作用有第一双向电锤(4)、第二双向电锤(5)、第三双向电锤(6)、第四双向电锤(8)以及第五双向电锤(9)，该第一、第二、第三、第四以及第五双向电锤结构相同，且均主要由铁芯(16)、线圈(17)和锤体(18)组成，铁芯(16)为筒状结构，线圈(17)绕制在铁芯(16)上，锤体(18)由轴状导磁材料构成，锤体(18)穿设于铁芯(16)的筒中，并且在锤击方向上相对铁芯(16)呈滑动支承，锤体(18)轴向两端作为两锤击端，以此构成双向电锤结构；

所述第一双向电锤(4)以其锤体运动方向沿着振动台面(1)的水平X轴方向设置于振动台面(1)的底部或侧旁，第一双向电锤(4)的固定环座与振动台面(1)固定连接，对应于第一双向电锤(4)的两锤击端在振动台面(1)上设有与之配合的X向锤击作用面(12)；

所述第二双向电锤(5)和第三双向电锤(6)均以其锤体运动方向沿着振动台面(1)的水平Y轴方向设置，且它们相互平行设于振动台面(1)的底部或分列振动台面(1)两侧旁；第二双向电锤(5)和第三双向电锤(6)的固定环座与振动台面(1)固定连接，对应于第二双向电锤(5)和第三双向电锤(6)的各锤击端在振动台面(1)上设有与之配合的Y向锤击作用面(22)；

所述第四双向电锤(8)和第五双向电锤(9)均以其锤体运动方向沿着振动台面(1)的Z轴方向设置于振动台面的底部，且第四双向电锤(8)和第五双向电锤(9)分别位于以X轴和Y轴分割的两个对角象限内构成对角布置；第四双向电锤(8)和第五双向电锤(9)的固定环座相对振动台面(1)固定连接，对应于第四双向电锤(8)和第五双向电锤(9)的各锤击端在振动台面(1)上设有与之配合的Z向锤击作用面(23)。

2.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：所述铁芯(16)由两个截面半环状的铁芯拼合而成。

3.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：所述锤体(18)由弹簧片支持架(19)支承在固定环座中，所述弹簧片支持架(19)为圆环状的簧片，其上设有多个槽孔，簧片外缘固定于固定环座上，簧片内缘固定于锤体(18)上，使锤体(18)在锤击方向上相对铁芯(16)呈滑动支承。

4.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：在振动台面(1)水平X轴方向上还作用有第六双向电锤(7)，该第六双向电锤(7)与第一双向电锤(4)平行设置，且两者结构相同；振动台面(1)上也对应该第六双向电锤(7)的两锤击端设有与之配合的X向锤击作用面(12)。

5.根据权利要求1或4所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：在振动台面(1)Z轴方向上还作用有第七双向电锤(10)和第八双向电锤(11)，该第七双向电锤(10)、第八双向电锤(11)与第四双向电锤(8)相平行且结构相同，第七双向电锤(10)、第八双向电锤(11)与第四双向电锤(8)、第五双向电锤(9)分设于以X轴和Y轴分割的四个象限内；振动台面(1)上也对应于第七双向电锤(10)和第八双向电锤(11)的各锤击端设有或延伸有与之配合的Z向锤击作用面(23)。

6.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：所述振动台面(1)由台面板(13)、连接框(14)和底板(15)三部分组成，台面板(13)和底板(15)上下平行布置，连接框(14)为一四方框体，它连接在台面板(13)和底板(15)之间。

7.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：所述弹簧(3)为机械弹簧。

8.根据权利要求1所述的电锤式三轴六自由度振动试验装置，其特征在于：所述弹簧(3)为空气弹簧。

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