CN103185658B

CN103185658B - 一种周期力加载装置

Info

Publication number: CN103185658B
Application number: CN201110445686.1A
Authority: CN
Inventors: 王宇; 张力; 张立喆
Original assignee: Beijing Changcheng Institute of Metrology and Measurement AVIC
Current assignee: Beijing Changcheng Institute of Metrology and Measurement AVIC
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN103185658A

Abstract

本发明涉及一种周期力加载装置，属于计量测试与产品性能试验技术领域。包括质量块、弹性连接件、被检产品、振动台和支架；其中，质量块带有一个凸块，该凸块带有外螺纹，弹性连接件包括质量块固定端、工作段、加载固定端。本发明能够缩减质量块尺寸，降低加速度分布不均匀性带来的不确定性，可以在不改变振动台总体输出的情况下，使装置获得更大的有效动态力载荷，扩大周期力加载装置的力值范围，而且相对稳定；同时又避免由于增加质量块尺寸给整体加载装置的使用频率带来的负面影响。

Description

一种周期力加载装置

技术领域

本发明涉及一种周期力加载装置，属于计量测试与产品性能试验技术领域。

背景技术

在产品的标准化生产与检验过程中，产品的抗载荷性能测试，特别是传感器产品的动态校准试验都是非常重要的工作，其中，对传感器或某些被检产品施加动态力载荷是一个必要环节。在动态力载荷施加环节中，不同产品对动态力幅值与频率都有不同的要求，而且一些传感器类产品对力值的稳定性与准确度有着很高的要求。动态力载荷的施加大致可以分为“框架”与“惯性质量”两种形式，“框架”形式的典型代表是各种疲劳试验机；而“惯性质量”形式的典型代表则是在振动台上串联被检对象与惯性质量。“框架”形式的加载简单直接，但一般都是通过串联力传感器给出力值，往往受到力传感器精度的限制，不能满足高精度加载要求；而“惯性质量”形式的加载力值可以通过牛顿第二定律直接溯源到质量称量与加速度的激光测量，精度更高。“惯性质量”形式在要求高精度加载的情况下广泛使用，但是，如果惯性质量不够大，振动台的推力将只有少部分用于为被检对象施加力载荷，而大部分推力被振动台动圈分走(通常情况，动圈与惯性质量的加速度大小基本相同)；而如果惯性质量超过动圈质量，会使振动台系统的固有频率降低，缩小加载装置使用的频率范围，另外，惯性质量过大也会使其内部加速度分布不均匀的影响非常显著(特别是在较高频率段)，难以保证获得高精度的力载荷。因此，现有的周期力惯性质量加载装置难以充分利用振动台的推力性能，获得幅值更大、频率更高的动态力。

而本发明主要针对振动台惯性质量加载装置的以上问题，提出解决方案，可以充分挖掘和利用振动台的负载能力，在保证周期力加载精度即保证较小的不确定度的同时，还有效拓展了周期力加载与校准装置使用的力值范围及频率范围。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种周期力加载装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种周期力加载装置，该装置包括质量块1、弹性连接件、被检产品5、振动台6和支架7；其中，质量块1带有一个凸块，该凸块带有外螺纹，弹性连接件包括质量块固定端2、工作段3、加载固定端4；振动台6固定在支架7的两臂上，在振动台6的上表面放置被检产品5，振动台6与被检产品5固定连接，被检产品5的上面为弹性连接件；弹性连接件上面为质量块1；弹性连接件的外形为一个“工”字形，弹性连接件的顶端为质量块固定端2，质量块固定端2的中间有一个通孔，该通孔带有内螺纹，质量块1与质量块固定端2通过螺纹固定连接在一起；弹性连接件的中间为工作段3，工作段3为空心柱体；弹性连接件的底端为加载固定端4，加载固定端4的中间有一通孔，该通孔带有内螺纹，加载固定端4与被检产品通过螺纹固定连接在一起；

上述的质量块1和弹性连接件组成的弹性系统的固有频率f0与质量块1和弹性连接件之间的关系如下：

f_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{EA}{ML}}

式中，E为弹性连接件的杨氏模量，A为工作段3的横截面积，M为质量块1的质量，L为工作段3的长度。

上述质量块1的质量一般应小于振动台6的动圈质量的5％；质量块1的材料为不锈钢或碳化硅；

上述弹性连接件为硬铝或镁合金材料。

该种周期力加载装置的性能扩展结构组件由一系列的弹性连接件与质量块组成，其中工作段3是弹性连接件设计的核心，主要通过它的弹性变形为加载装置的性能扩展提供条件。工作状态中，将质量块通过弹性连接件234固定在被加载对象(如待检验产品、力传感器等)之上，而被加载对象另一端与振动台连接。在振动台作用下，质量块1的动态惯性力载荷就会通过连接件3施加于被加载对象，不同的弹性连接件3会针对不同频率对使质量块获得数倍于振动台动圈的加速度，从而使振动台的推力更多的用于为质量块提供动态力，达到提高振动台推力有效输出的目的。

质量块可以选择小于动圈质量5％的不锈钢质量块(或者根据需要选择碳化硅等刚度更大的材质)，而弹性连接件则可以采用铝材质(或者根据需要选择镁材质等刚度相对小而且密度相对轻的金属)圆环形横截面柱状结构，如图1。为了设计加工方便，可以在不改变弹性连接件材料及横截面尺寸的情况下，通过改变工作段的设计长度来达到调整组件系统谐振频率的目的。

根据产品检验与传感器动态校准的实际需要，在现有加载装置的基础之上加装一套设计参数可调的适配结构组件，它由弹性连接件与质量块组成，工作状态中，将质量块通过弹性连接件固定在被加载对象(如待检验产品、力传感器等)之上，而被加载对象另一端与振动台连接。在振动台作用下，质量块的动态惯性力载荷通过连接件施加于被加载对象，不同的弹性连接件会针对不同频率使质量块获得数倍于振动台动圈的加速度，从而使振动台的推力更多的用于为惯性质量提供动态力，达到提高振动台有效输出载荷的目的。与现有的惯性质量周期力加载装置相比，本发明可扩大周期力幅值与相应频率的发生范围，且降低力值复现的不确定度，满足产品测试与传感器动态校准中的更高要求。

本发明主要利用弹性连接件与质量块子系统的谐振效应，在不增加质量块尺寸的前提下，通过提高质量块与振动台动圈的加速度比值，达到对振动台推力重新分配的目的，它既提高了现有装置的加载力值，又可以保证装置加载的稳定性和频率范围。本发明可以根据产品检验和传感器校准对激励载荷的具体要求，针对不同频率设计一系列的弹性连接件(设计主要围绕连接件中间部分的弹性工作段进行)与质量块组成具有不同谐振频率的弹性系统，以满足测试与校准试验中对动态力载荷频率范围的不同要求。

针对实际应用中的各种问题，本发明对系列弹性连接件与质量块做了专门的设计以保证能够获得稳定且相对较大的动态力载荷。在较高频率情况下，大尺寸质量块加速度分布不均匀的影响会显著表现出来，导致动态力的不稳定。为了保证惯性力的均匀性以及加载的稳定性，质量块的尺寸可以相对较小。然而较小的质量块将提高组件系统的固有频率，导致无法在机械测试的常规频段形成谐振现象，因此本发明为弹性连接件选择了轻质且刚度相对小的材料或结构形式，以利于利用较小的惯性质量获得相对低的固有频率以满足测试和校准的需要。另外，考虑到系统结构的稳定性，本发明将弹性连接件设计为圆环截面柱形结构，通过改变柱结构的长度或材料来调整系统的固有频率。

有益效果

1、缩减质量块尺寸，降低加速度分布不均匀性带来的不确定性，可以在不改变振动台总体输出的情况下，使装置获得更大的有效动态力载荷，扩大周期力加载装置的力值范围，而且相对稳定；同时又避免由于增加质量块尺寸给整体加载装置的使用频率带来的负面影响。

2、本发明的核心部件几何形状既满足稳定性要求，又为组件谐振频率的设计留下较大空间，可以满足不同频率周期力加载装置的使用需要。

3、本发明与激光测速系统配合使用，可以通过激光干涉方法直接测量质量块的加速度，利用质量块与加速度的乘积高精度复现动态力值，使加载装置具有良好的溯源性，大大提高动态力载荷的测量与控制精度。

附图说明

图1为本发明周期力加载装置结构示意图；

图2为本发明中弹性连接件的结构示意图；

其中，1-质量块，2-质量块固定端，3-工作段，4-加载固定端，5-被检产品，6-振动台，7-支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做以下详细描述。

实施例

一种周期力加载装置，该装置包括质量块1、弹性连接件、被检产品5、振动台6和支架7；其中，质量块1带有一个凸块，该凸块带有外螺纹，弹性连接件包括质量块固定端2、工作段3、加载固定端4；振动台6固定在支架7的两臂上，在振动台6的上表面放置被检产品5，振动台6与被检产品5固定连接，被检产品5的上面为弹性连接件；弹性连接件上面为质量块1；弹性连接件的外形为一个“工”字形，弹性连接件的顶端为质量块固定端2，质量块固定端2的中间有一个通孔，该通孔带有内螺纹，质量块1与质量块固定端2通过螺纹固定连接在一起；弹性连接件的中间为工作段3，工作段3为空心柱体；弹性连接件的底端为加载固定端4，加载固定端4的中间有一通孔，该通孔带有内螺纹，加载固定端4与被检产品通过螺纹固定连接在一起；

f_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{EA}{ML}}

上述质量块1的质量M为1kg；质量块1的材料为不锈钢；

上述弹性连接件为硬铝，其杨氏模量E为78GPa，工作段3的横截面积A138mm²，工作段3的长度L为51mm；

该周期力加载装置的优点如下：

1.以小质量块连接件共振系统代替大质量块进行高频大力值复现与校准的方法，在力传感器动态校准或产品的周期力加载中获得更大力值，采用放大质量块与动圈加速度比的方式来获得更大的推力输出效率，与传统方法相比，可以将1000Hz～2500Hz频率范围内的周期力峰值从约3000N提高到约10000N，而且仍有较大提升空间。

2.在系统结构设计中，为达到降低不确定度的目的，对质量块尺寸上限做出理论预测，并利用多目标优化方法严格控制连接件的质量，实现对系统的质量、刚度、稳定性及特征频率等目标的控制，解决现有加载装置中大质量块加速度分布对力值复现引入不确定度过大的问题。

3.将小质量块连接件共振系统与高精度激光干涉测量手段相结合，在1000Hz～2500Hz频率范围内，实现较大力值的高精度复现与动态校准，不确定度在2％以内。

该周期力加载装置以小质量块连接件共振系统代替大质量块进行高频大峰值周期力的校准与复现，能恰好同时利用小质量块不确定度低与共振系统力值大的优势，解决现有加载装置中大质量块不确定度大以及振动台推力输出效率低的难题，在不确定度较小的情况下，有效扩大了原有周期力加载与校准装置的力值范围。

Claims

1.一种周期力加载装置，包括质量块(1)、被检产品(5)和振动台(6)；其特征在于：还包括弹性连接件和支架(7)；其中，质量块(1)带有一个凸块，该凸块带有外螺纹，弹性连接件包括质量块固定端(2)、工作段(3)和加载固定端(4)；振动台(6)固定在支架(7)的两臂上，在振动台(6)的上表面放置被检产品(5)，振动台(6)与被检产品(5)固定连接，被检产品(5)的上面为弹性连接件；弹性连接件上面为质量块(1)；弹性连接件的外形为一个“工”字形，弹性连接件的顶端为质量块固定端(2)，质量块固定端(2)的中间有一个通孔，该通孔带有内螺纹，质量块(1)与质量块固定端(2)通过螺纹固定连接在一起；弹性连接件的中间为工作段(3)，工作段(3)为空心柱体；弹性连接件的底端为加载固定端(4)，加载固定端(4)的中间有一通孔，该通孔带有内螺纹，加载固定端(4)与被检产品通过螺纹固定连接在一起；

上述的质量块(1)和弹性连接件组成的弹性系统的固有频率f0与质量块(1)和弹性连接件之间的关系如下：

f_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{EA}{ML}}

式中，E为弹性连接件的杨氏模量，A为工作段(3)的横截面积，M为质量块(1)的质量，L为工作段(3)的长度。

2.根据权利要求1所述的一种周期力加载装置，其特征在于：质量块(1)的质量小于振动台(6)的动圈质量的5％。

3.根据权利要求1所述的一种周期力加载装置，其特征在于：质量块(1)的材料为不锈钢或碳化硅。

4.根据权利要求1所述的一种周期力加载装置，其特征在于：弹性连接件为硬铝或镁合金材料。