CN102012304A - 一种多频率合成的振动试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频率合成的振动试验装置，它包括系统控制器、电机及调速装置、振动平台。在振动台的振动中至少包含了两个频率成分的振动，各频率成分的振动由不同转速的偏心旋转机构产生，通过机械式杠杆将多个振动以两两组合的方式合成，每个频率成分的振动代表运输振动环境的一段频率范围。当调节电机转速时，各个振动频率成分在各自所代表的频率区段内同步变频扫描。振动装置可以对试样进行定频和变频试验，对运输振动环境的模拟度类似于随机振动试验，是对现有正弦振动和随机振动两方案的优化组合，当配置两个相位互补的振动平台后，还可降低试验装置对周围环境的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动试验装置，特别是一种主要用于商品运输包装件振动试验的多频率合成的振动试验装置。
背景技术
振动试验是商品运输包装性能测试的常用项目之一，通过模拟货物运输过程中影响货物安全的振动环境来测试包装的减震性能。现有运输包装件振动试验可分为正弦振动试验和随机振动试验两类。
其中，正弦振动试验利用曲轴或偏心旋转机构等振动源对振动台激振，这类振动系统结构简单，振动输出稳定、可靠，试验成本较低。但是这种振动台在任意瞬间只能以单个频率振动；此外，由于振幅不能动态变化，振动加速度幅值随频率的平方增加，而实际流通振动环境的振动一般都是众多频率合成的随机振动(参见GB/T4857.23附录中图A.2资料)，因此，用正弦振动来拟合流通振动环境，精度较低，试验结果的可信度不高。许多企业的商品运输包装设计常常只依赖经验数据，而不进行试验验证。为了确保货物安全常常盲目加强包装保护，导致过度包装频发，不符合资源节约的经济发展战略。
随机振动试验是利用电磁、气动、液压等机构，由控制器按照给定的程序进行振动激励，可以近似模拟一些流通振动环境，较好地弥补上述正弦振动试验存在的不足。但是，随机振动试验系统的振动信号比较复杂，输出容易受到载荷影响，参振机构多样性使得各系统之间试验结果的可比性较低，设备投资和运行维护费用较高导致试验成本上升。因此，运输包装件随机振动试验并没有因弥补了正弦振动试验的不足而得到推广。
此外，现有的振动试验系统都只有一个振动平台，工作(尤其在试件质量大、工作频率高)时振动对周围环境的影响较大。
归纳上述两类振动试验的特点发现：正弦振动一般只需开环控制，简单直观，振动输出准确可靠且容易实施，但是由于采用单一频率的振动(或变频扫描)来拟合流通振动环境，与实际振动状态相差较大，类似于采用一条直线(或斜率可变的直线)来拟合一个随机过程，精度较低。而随机振动采用连续频谱来拟合流通振动环境，与实际振动状态较相符，类似于采用高次函数曲线来拟合一个随机过程，拟合精度较高，但缺点是：变数多，需要采用闭环控制，不同设备间差异大，试验费用高。
发明内容
针对已有技术存在的不足，本发明公开了一种多频率合成的振动试验装置。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的振动装置其振动产生方式类似现有的正弦振动，即由机械式偏心机构旋转产生。但本振动装置振动平台的振动并非单一频率，而是包含(至少两个)多个不同频率成分，每个频率成分都有对应的偏心旋转机构。用多个频率振动来模拟运输环境振动的方法类似于采用(由多条直线组成的)折线来拟合一个随机过程，既有直线方程(在处理上)的简单，又有曲线拟合的精度。此类方法常在一些实际工程数值研究中被采纳。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：一种多频率合成的振动试验装置，包括系统控制器、电机及调速装置、振动平台，振动是由机械式偏心机构旋转产生，其特征是：振动平台的振动同时包含至少两个不同频率成分，每个频率成分都有对应的偏心旋转机构，每个偏心旋转机构的振动频率由电机转速及传动装置的传动比决定，两个偏心旋转机构产生的振动通过一个机械式杠杆机构合成，多个偏心旋转机构的振动采用两两合成的方式实现
具体来说，本振动装置包含(至少两个)多个偏心旋转机构，所有偏心旋转机构通常采用同一个电机驱动，也可采用两个(或多个)电机各自(或部分组合)驱动。两个偏心旋转机构产生的振动通过一个机械式杠杆机构合成。例如：附图2中，振动合成杠杆(17)将其两端铰链滑块(11)和(12)的上下振动合成为中间的铰链连杆(15)的振动。多个位移的合成采用两两合成的方式，如图中为三个振动合成，先由振动合成杠杆(17)将两侧的振动合成，再由振动合成杠杆(16)将前面合成后的振动与第三个振动合成。
振动合成杠杆采用简支梁的形式，即两端为输入，中间为合成输出。也可采用悬臂梁形式，即中间和一端为输入，另一端为合成输出。振动合成系数由杠杆两侧振动输入力臂的比值决定，如图中通过铰链滑块(12)在振动合成杠杆(17)臂上的位置移动就可以改变其合成系数。
每一个偏心旋转机构的振动频率由电机转速以及电机输出到该偏心旋转机构间传动装置的传动比决定，当所有偏心旋转机构采用同一电机驱动时，通过配制适当的传动比即可获得各个偏心旋转机构之间振动频率的频率比值。
本振动装置根据电机调速模式的不同分为两种。一种为复合频段振动装置，另一种为独立频段振动装置。
复合频段振动装置，其电机调速范围从零(停止)开始到全速，在电机从停止(零转速)开始启动逐步提速至全速过程中，所有偏心旋转机构的振动频率同步从零提高到各自最大值，其中频率提速较慢的偏心机构的频率变化范围被提速较快的偏心机构的频率变化范围所覆盖(因此称为复合频段振动装置)，但任意时刻各个偏心机构的振动频率(除零以外)不相互重叠。这种系统比较适合研究产品和包装件对低频复合振动环境的响应。
独立频段振动装置，其电机调速范围设有规定的下限转速，在电机转速从下限上升到全速过程中，每一个偏心旋转机构的振动都同步地由低到高扫过对应的频段，所有偏心旋转机构的扫描频率范围互不重叠(因此称为独立频段振动装置)。根据所要模拟的运输环境振动频谱分布特点，将频谱分割成若干频率段，每段采用一个偏心旋转机构产生的振动来代表，这种系统比较适合产品和运输包装件一般的振动试验，用于替代现有的相关试验。
此外，对于一些振动试验系统运行时对周围环境具有较大影响的问题，本振动装置通过采用差动式振动平台，即两个振幅相同，相位相反的振动台来实施振动平衡。当两平台上下设置时(见附图3)，可以使振动轴线基本重合，消除了两平台水平分布轴线不重合时因一上一下差动振动引起振动力偶对基座和周围环境的影响，同时也降低了振动试验台对其激振装置的要求。两差动平台间的振动倒相机构对称分布，如附图3中由倒相杠杆(36)为代表的振动倒相机构组件以支撑铰链(35)对称分布，消除了试样重力载荷的影响。
本振动装置，保持了正弦振动试验的简单直观，同时其振动与实际流通环境又较相符合。由于各个振动是由同一个动力电机通过不同传动速比形成，各个振动频率可以实施同步连调，因此，试验方法可与现有的正弦振动试验类似，同样可以具有定频和变频两种试验方式(参见GB/T4857.7和GB/T4857.10)。由于各频率区段同时变频，频率变化的动态范围大大缩小，使得振动加速度更易掌控，试验结果更趋一致。
附图说明
图1是运输包装件振动试验系统组成框图
图2是单振动平台的振动试验装置机构原理图
图3是差动双振动平台的实施例机构简图
图中：1.系统控制器，2.电机调速装置，3.动力电机，4-6.偏心滑块机构，7-9.滑槽连杆，10-13.铰链滑块，14.铰链，15.铰链连杆，16-17.振动合成杠杆，18-22.滑动支撑，23-24.减速带轮，25-29.同步传动带，30.平台连杆，31.振动平台，32.试验样品，33-34.铰链滑块，35.支撑铰链，36.倒相杠杆，37.滑动支撑，38.平台连杆，39.振动平台，40.试验样品。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：本发明的第一个实施例(见附图2)：本多频率合成的振动试验装置，其振动台采用三个不同频率的振动合成，其依据是国际安全运输委员会颁布的运输包装件试验标准(ISTA3A)中给出的振动试验频谱图，图中在1-100Hz内出现了三个峰值区段，因此采用三个频率及相应振幅的振动与之对应。
振动试验装置配有与现有振动试验系统类似的系统控制器1、电机调速装置2、动力电机3(参见附图1)等常规器件。此外，配备了专门的振动合成及激振机构，该机构由(参见附图2)偏心滑块机构4、5、6，滑槽连杆7、8、9，铰链滑块10、11、13，铰链14，铰链连杆15，振动合成杠杆16、17，滑动支撑18、19、20、21、22，减速带轮23、24，同步传动带25、26、27、28、29等零部件组成。
振动动力传动采用同步齿形带形式，动力电机3通过同步传动带25驱动偏心滑块机构6转动，并以同样传动形式，依次驱动减速带轮24、偏心滑块机构5、减速带轮23到偏心滑块机构4转动，途经各机构的转速逐一降低。
其中，偏心滑块机构6带动滑槽连杆9和与其相连的铰链滑块机构12一起，在滑动支撑21的约束下，作上下振动。同理，得到了另外两个铰链滑块11、10的上下振动。通过配制适当的传动比，即可得到由高频到低频的三个所需频率的振动源，即三个铰链滑块12、11、10的上下振动。
三个频率振动的合成是采用力学杠杆的两两合成方式，即铰链滑块12和11的上下振动，通过振动合成杠杆17合成到铰链连杆15，带动与之相连的铰链滑块13振动。同理，铰链滑块13的振动又与铰链滑块10的振动通过振动合成杠杆16合成到铰链14。
铰链14是三个铰链滑块12、11、10振动的合成，各振动合成系数可以通过改变三个铰链滑块在各自所在振动合成杠杆17、16臂上的位置来调节。
根据ISTA3A中给出的振动试验频谱图中三个峰值波形的频率及幅值分布范围，确定三个振动的频率和振幅数据，依此配制各级传动比和各铰链滑块在振动合成杠杆臂上的位置，从而使振动平台31输出的振动为比较接近流通振动环境的三个频率的合成。
本发明第二个实施例(见附图3)：本多频率合成的振动试验装置为差动双振动平台的试验装置，上下两个振动平台31、39的振动通过由两铰链滑块33、34、支撑铰链33、倒相杠杆36组成的位移倒相机构互相连接，从而形成上下两个振动平台以相位反相的方式振动，大大降低了振动试验对周围环境的影响。此外，上下两个平台及试验样品通过支撑铰链35得到重力平衡，降低了振动试验系统对激振动力机构等的要求。相关试验标准对试验样品的数量要求往往是(至少)两个以上，因此，上下两个(或两组)样品一般不会提高试验成本。
Claims (6)
1.一种多频率合成的振动试验装置，包括系统控制器、电机及调速装置、振动平台，振动是由机械式偏心机构旋转产生，其特征是：振动平台的振动同时包含至少两个不同频率成分，每个频率成分都有对应的偏心旋转机构，每个偏心旋转机构的振动频率由电机转速及传动装置的传动比决定，两个偏心旋转机构产生的振动通过一个机械式杠杆机构合成，多个偏心旋转机构的振动采用两两合成的方式实现。
2.如权利要求1所示的一种多频率合成的振动试验装置，特征在于：所有产生振动的偏心旋转机构是由同一个电机驱动，电机调速范围是从零到全速，当电机从停止的零速度状态起动且逐步提速时，所有偏心旋转机构的振动频率随之同步变化，都从零开始但以不同的频率变化率由低频向高频作同步变频扫描。
3.如权利要求1所示的一种多频率合成的振动试验装置，特征在于：所有产生振动的偏心旋转机构是由同一个电机驱动，电机调速范围设有规定的下限，当电机转速从下限上升到全速过程中，每一个偏心旋转机构的振动都同步地由低到高扫过对应的频段，所有偏心旋转机构的扫描频率范围互不重叠。
4.如权利要求1至3中任意一项所示的一种多频率合成的振动试验装置，特征在于：配备了两个振动平台，两振动平台之间通过倒相机构的连接实施振动传递，工作时两平台振动互补。
5.如权利要求4所示的一种多频率合成的振动试验装置，特征在于：两振动平台位置为上下设置，振动轴线重合，振动力偶平衡抵消。
6.如权利要求4至5中任意一项所示的一种多频率合成的振动试验装置，特征在于：由振动倒相杠杆为代表的振动倒相机构组件以支撑铰链对称分布，消除了试样重力载荷的影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120627 |