CN103808499A - 一种隔振器动刚度测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔振器动刚度测试方法及其装置，该方法利用静态加载装置、组合式振动质量块和弹性简支梁建立隔振方向上的单自由度阻尼振动系统的等效测试模型，并通过激振法测得等效测试模型的频响函数，再利用振动方程、振动系统的相似性和单自由度系统的特性，间接测得隔振器的动刚度。该方法巧妙地避开了现有方法中都要利用等效质量块模拟额定载荷或工作载荷的问题，解决了用质量块模拟较大额定载荷或工作载荷使试验系统笨拙、试验成本和试验难度大、甚至无法实现的问题；该测试装置结构轻巧、简单，操作方便，经济实用；本发明适用于所有单轴隔振器的动刚度测试，适用性强，尤其能实现对大额定载荷隔振器动刚度的测试，且保证较高的精度。

Description

一种隔振器动刚度测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及工程测试技术领域，具体涉及一种隔振器动刚度测试方法及其装置。

背景技术

隔振器的动刚度是其在动载荷作用下抵抗变形的能力，是关于频率的函数，通常具有明显的非线性特性，是描述隔振器减振性能的关键指标。动刚度测试是隔振器性能评价的重要内容，是隔振器在投入使用前通常必须进行的测试项目，目前具体测试手段包括激振法、锤击法等。但无论何种方法，都需要用质量块来模拟额定载荷或工作载荷，该质量块与隔振器共同组成一个弹簧质量系统，并利用激振设备（如疲劳机、振动台）对振动系统进行激励，但现有的大型激振设备价高量少，试验成本高，操作复杂，且不能同时兼顾载荷与频率范围；特别是当隔振器的额定载荷或工作载荷较大时，模拟弹簧质量系统需要很大的质量块，试验系统将变得极其笨拙，不仅增加试验成本和试验难度，甚至使试验无法实现，使得大载荷隔振器的动刚度测试受到很大限制。

中国实用新型专利橡胶动特性试验装置（93246144.1）和一种偏心轮式车用橡胶件动刚度测试实验系统（200910242412.5）可用来对本身刚度和额定载荷均较小的橡胶材料进行动刚度测试，实用新型专利动刚度测试装置（ZL201120190986.5）主要适用于房屋顶梁柱的动刚度测试。上述三者都不适用于大额定载荷隔振器的动刚度测试。

故，需要提供一种新的测试方法和装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种隔振器动刚度测试方法及其装置，该测试方法及其装置重点解决以下技术问题：

（1）现有的激振法、锤击法等测试方法都须利用等效质量块模拟隔振器上的额定载荷或工作载荷，当隔振器的额定载荷或工作载荷较大时，模拟额定载荷或工作载荷的质量块就必须很大，使试验系统变得极其笨拙，不仅增加试验成本和试验难度，甚至使试验无法实现；（2）现有测试方法需要利用振动台、疲劳试验机等作为激振设备，而此类设备都较昂贵，操作复杂，试验成本高，且能提供的激振力通常较小或者激振频率较低（两者不能兼得）；（3）现有的几种与动刚度测试相关的专利均不适用于大额定载荷隔振器的动刚度测试。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种隔振器动刚度测试方法，包括以下步骤：

（1）准备弹性简支梁和被测试的隔振器，所述弹性简支梁用来模拟静刚度为k₀、阻尼为c₀的弹簧，所述隔振器的静刚度为k、阻尼为c、质量为M；

利用静态加载装置分别对弹性简支梁和隔振器施加静载荷F，静载荷F的大小等于隔振器在隔振方向上承受的载荷，利用变形测量装置测试得到两者的变形分别为δ₀和δ；根据静刚度的定义得到两者的静刚度分别为

（2）将静态加载装置、组合式振动质量块、弹性简支梁和被测试的隔振器共同构成一个隔振方向上的单自由度阻尼振动系统，利用静态加载装置施加的静载荷F模拟隔振器在隔振方向承受的载荷m，F=mg，g为重力加速度；组合式振动质量块的质量为m′，m′≥10M；

（3）在组合式振动质量块的上方中心安装一个与振动测试系统连接的阻抗头，阻抗头两端分别与组合式振动质量块和直角弹性连杆牢固连接；

（4）利用激振器通过直角弹性连杆和阻抗头对单自由度阻尼振动系统进行激励，激励的力值为f′，此时阻抗头将激励力值f′和单自由度阻尼振动系统之加速度响应信号同时传输给振动测试系统，振动测试系统得到该单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′，该频响函数A′为关于圆频率ω的函数：A′=A′(ω)；

（5）隔振器实际工作时与被隔振物体也构成一个单自由度阻尼振动系统，在频域内，隔振器的动刚度K_D可表示圆频率ω的函数，K_D=-mω²+jcω+k；

同理，步骤（2）～（4）中所述的单自由度阻尼振动系统的动刚度

可表示为

其中k′=k+k₀；c′=c+c₀；将

的表达式变形整理可得 $K_D^{\′}=\mathrm{jc\ω}+k-m\′{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}+k_0=K_D+{\mathrm{m\ω}}^2-m\′{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}+k_0,$ 于是可知步骤（2）～（4）中所示的单自由度阻尼振动系统的动刚度

与隔振器动刚度K_D之间的关系为 $K_D=K_D^{\′}+(m\′-m){\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}-k_0;$

（6）单自由度阻尼振动系统的动刚度还可用加速度响应频响函数表示，则步骤（2）～（4）中所示的单自由度阻尼振动系统的动刚度

用由振动测试系统得到的加速度响应频响函数A′表示为

于是可得到隔振器的动刚度为

其中，弹性简支梁的阻尼c₀趋于零，故隔振器的动刚度为 $K_D=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{A\′}+(m\′-m){\mathrm{\ω}}^2-k_0;$

（7）将弹性简支梁的静刚度k₀、组合式振动质量块的质量为m′、振动测试系统得到的单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′入公式

通过计算得到隔振器的动刚度K_D关于圆频率ω的关系方程，最终得到被测试隔振器在任意圆频率ω下的动刚度。

其中，所述静态加载装置为万能试验机，所述变形测量装置为万能试验机自带的位移传感器。

所述组合式振动质量块包括若干分质量块，该组合式振动质量块的质量为各分质量块质量的总和。分质量块的质量分别为m₁、m₂…m_i，组合式振动质量块的质量m′=∑m_i,i=1,2...。

所述阻抗头是力传感器和加速度传感器的合成，可同时测量力和加速度。阻抗头两端分别与组合式振动质量块和直角弹性连杆牢固连接（常用胶水或磁性座或螺栓连接），阻抗头通过信号线与振动测试系统连接。

本发明还公开一种用于实现上述隔振器动刚度测试方法的装置，包括基座、球铰式垫板、组合式振动质量块、弹性简支梁和激振器；所述球铰式垫板位于基座上，球铰式垫板上设置有隔振器；所述弹性简支梁包括置于组合式振动质量块最上层并且对称放置的支座和支座上带刻度的弹性梁；在组合式振动质量块的上方中心安装有阻抗头；所述激振器与悬臂支架的底板连接，悬臂支架的悬臂端与直角弹性连杆的拐角处连接，直角弹性连杆的一端与激振器的激振杆前端连接，直角弹性连杆的另一端通过胶水或磁性座或螺栓与阻抗头上端连接。

其中，所述组合式振动质量块由若干个分质量块由下至上叠加组成，最下一层的分质量块的上方中心设有凹槽，该分质量块下表面为平面，压在隔振器上方；从下至上第二层以上的分质量块均在下方的中心设有凸起，上方的中心设有与最下一层分质量块相同的凹槽，所述凸起与凹槽间隙配合。所述凸起为圆柱，所述凹槽为圆柱形凹槽。

所述阻抗头安装在组合式振动质量块的最上层分质量块上方中心的圆柱形凹槽内中心处，利用胶水或磁性座保证牢固连接，所述阻抗头通过信号线与振动测试系统连接。

该测试装置还包括静态加载装置和力传感器，所述静态加载装置的压头与力传感器通过螺纹连接，测试时压头将载荷作用在弹性梁的中部。

所述基座与平整地面牢固连接，固定支座通过螺栓与基座牢固连接。所述激振器通过螺栓与悬臂支架的底板连接，直角弹性连杆的拐角处通过销钉与悬臂支架的悬臂端连接。

有益效果：本发明的隔振器动刚度测试方法及其装置，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的动刚度测试方法巧妙地避开了现有隔振器动刚度测试方法中都须利用等效质量块模拟额定载荷或工作载荷的问题，有效解决了用质量块模拟较大额定载荷或工作载荷使试验系统笨拙、试验成本和试验难度大、甚至无法实现的问题；本发明中的测试装置结构轻巧、简单，操作方便，经济实用；本发明适用于所有单轴隔振器的动刚度测试，适用性强，尤其能实现对大额定载荷隔振器动刚度的测试，且保证较高的精度。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的测试装置示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为隔振器的实测动刚度-圆频率关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作更进一步的说明。

本发明的一种隔振器动刚度测试方法，包括以下步骤：

第一步：利用静态加载装置（CMT5305型微机控制电子万能试验机，下面简称电子万能试验机）对额定载荷为16kN的隔振器3（发电机隔振器）施加轴向载荷，载荷大小F等于隔振器3的额定载荷16kN，电子万能试验机自动记录载荷F=16kN时隔振器3轴向变形δ=3.792mm，计算得到该隔振器3在额定载荷作用下的静刚度 $k=\frac{F}{\mathrm{\δ}}=4.219\mathrm{kN}/\mathrm{mm}.$

第二步：利用静态加载装置（电子万能试验机）对由支座6和带刻度的弹性梁7组成的弹性简支梁进行加载，加载时力作用在弹性梁7的跨中位置，载荷大小F等于隔振器3的额定载荷，即F=16kN，电子万能试验机自动记录此时弹性梁7跨中挠度δ₀=2.193mm，计算得到弹性简支梁此时的静刚度此时静刚度k₀与隔振器3的静刚度k处于同一量级，可使测试精度更高，如不满足这一条件，可通过调节弹性梁7的跨度（支座6间的距离）来调整其刚度，直至满足要求，并记录弹性梁7的跨度（支座6间的距离）。

第三步：如图2、图3所示，将球铰式垫板2置于基座1之上，对待测试的隔振器3称重，得到其质量M=6.5kg，然后其置于球铰式垫板2上。

第四步：在待测试的隔振器3上放置总质量m′=78kg的组合式振动质量块4，m′>10M，在组合式振动质量块4的最上层分质量块上对称放置如第二步所述的由支座6和带刻度的弹性梁7组成的弹性简支梁，并使弹性梁7的跨度（支座6间的距离）与第二步时相同。

第五步：在组合式振动质量块4的最上层分质量块上方中心的圆柱形凹槽内中心处利用胶水或磁性座安装阻抗头5，并将阻抗头5通过信号线与LMS振动噪声测试系统15连接。

第六步：固定支座10通过螺栓与基座1牢固连接；激振器11通过螺栓与悬臂支架13的底板连接；直角弹性连杆12的拐角处通过销钉14与悬臂支架13的悬臂端连接，并可围绕悬臂支架13的悬臂端转动；直角弹性连杆12一端通过螺栓与激振器11的激振杆前端连接，此时，激振器11、直角弹性连杆12及悬臂支架13形成一个整体，将激振器11、直角弹性连杆12和悬臂支架13整体移动到合适的高度后，悬臂支架13的底板通过螺栓与固定支座10牢固连接；直角弹性连杆12的另一端通过螺栓与阻抗头5上端连接。

第七步：利用静态加载装置对弹性简支梁加载，静态加载装置（电子万能试验机）的压头8将载荷作用在弹性梁7的中部，通过力传感器9可测得载荷大小，当载荷达到隔振器3的额定载荷16kN时保持载荷不变；此时启动激振器11并激励一次，使其激振杆进行一次小幅度的水平运动，直角弹性连杆12将激振器激振杆的水平往复运动转换成竖向运动，并通过阻抗头5将这种激励传递给由弹性简支梁（弹性梁7与支座6组合而成）、组合式振动质量块4、隔振器3组成的单自由度阻尼振动系统。

第八步：阻抗头5将激励力值f′和第七步中所述的单自由度阻尼振动系统之加速度信号同时传输给LMS振动噪声测试系统15，由LMS振动测试系统15可得到该单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′；该频响函数可理解为关于圆频率ω的函数，即A′=A′(ω)。

第九步：根据公式

并代入弹性简支梁的静刚度k₀、组合式振动质量块4的质量m′及LMS振动噪声测试系统15得到的被测单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′，即可计算得到隔振器3的动刚度K_D关于圆频率ω的关系方程；即可得到被测试隔振器在任意圆频率ω下的动刚度。根据发电机隔振器3实测及计算得到的动刚度K_D关于圆频率ω的关系方程绘制的动刚度-圆频率关系曲线如附图4所示，在曲线上可直观地得到该隔振器3不同圆频率ω下的动刚度K_D。

本发明还公开一种用于实现上述方法的测试装置。

如图1至图3所示，隔振器动刚度测试装置的主要组成部分及装配关系如下：基座1与平整地面牢固连接；球铰式垫板2置于基座1之上；隔振器3置于球铰式垫板2上；组合式振动质量块4由多个质量块由下至上叠加组成，最下一层的质量块的上方的中心设有圆柱形凹槽，下表面为平面，压在隔振器上方，从下至上第二层以上的质量块均在下方的中心设有凸起的圆柱，上方的中心则设有与最下一层质量块相同的圆柱形凹槽，上层质量块凸起的圆柱与下层质量块的圆柱形凹槽间隙配合，选用足够数量的质量块以保证组合式振动质量块4的总质量为隔振器3质量的10倍以上；分质量块的质量分别为m1、m2…mi，组合式振动质量块的质量m′=∑m_i,i=1,2...。在组合式振动质量块4的最上层质量块上对称放置支座6，在支座6上放置带刻度的弹性梁7，支座6和弹性梁7构成一个弹性简支梁；在组合式振动质量块4的最上层质量块上方中心的圆柱形凹槽内中心处安装阻抗头5（利用胶水或磁性座或螺纹等方式保证牢固连接）；阻抗头5通过信号线与振动测试系统15连接；静态加载装置的压头8与力传感器9通过螺纹连接，测试时压头8将载荷作用在弹性梁7的中部；固定支座10通过螺栓与基座1牢固连接；激振器11通过螺栓与悬臂支架13的底板连接；直角弹性连杆12的拐角处通过销钉14与悬臂支架13的悬臂端连接，并可围绕悬臂支架13的悬臂端转动；直角弹性连杆12一端通过螺栓与激振器11的激振杆前端连接；此时，激振器11、直角弹性连杆12及悬臂支架13形成一个整体，悬臂支架13的底板可通过螺栓与固定支座10牢固连接；松开与固定支座10连接的螺栓时，激振器11、直角弹性连杆12可随悬臂支架13整体上下移动以调整高度；直角弹性连杆12的另一端通过螺栓与阻抗头5上端连接。

通过上述实施例可以看出：

本发明利用静态加载装置（如万能试验机）、被测试的隔振器3、组合式振动质量块4（根据隔振器3质量自由组合，取大于隔振器3质量一个量级即可，相对于隔振器3的额定载荷或工作载荷而言通常较小）和弹性简支梁建立隔振方向上的单自由度阻尼振动系统的等效测试模型，利用静态万能试验机（如万能试验机）加载来模拟动件质量（隔振器3的额定载荷或工作载荷），不再需要用现有动刚度测试方法中的质量块来模拟隔振器3的额定载荷或工作载荷，并通过激振法测得等效测试模型的频响函数，再利用振动方程、振动系统的相似性和单自由度系统的特性，间接测得隔振器3的动刚度。该发明的测试系统简单，操作方便，经济实用，适用于所有单轴隔振器的动刚度测试，尤其能实现对大额定载荷隔振器动刚度的测试，且保证较高的精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隔振器动刚度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）准备弹性简支梁和被测试的隔振器（3），所述弹性简支梁用来模拟静刚度为k₀、阻尼为c₀的弹簧，所述隔振器（3）的静刚度为k、阻尼为c、质量为M；

利用静态加载装置分别对弹性简支梁和隔振器（3）施加静载荷F，静载荷F的大小等于隔振器（3）在隔振方向上承受的载荷，利用变形测量装置测试得到两者的变形分别为δ₀和δ；根据静刚度的定义得到两者的静刚度分别为

（2）将静态加载装置、组合式振动质量块（4）、弹性简支梁和被测试的隔振器（3）共同构成一个隔振方向上的单自由度阻尼振动系统，利用静态加载装置施加的静载荷F模拟隔振器（3）在隔振方向承受的载荷m，F=mg，g为重力加速度；组合式振动质量块（4）的质量为m′，m′≥10M；

（3）在组合式振动质量块（4）的上方中心安装一个与振动测试系统（15）连接的阻抗头（5），阻抗头（5）两端分别与组合式振动质量块（4）和直角弹性连杆（12）牢固连接；

（4）利用激振器（11）通过直角弹性连杆（12）和阻抗头（5）对单自由度阻尼振动系统进行激励，激励的力值为f′，此时阻抗头（5）将激励力值f′和单自由度阻尼振动系统之加速度响应信号同时传输给振动测试系统（15），振动测试系统（15）得到该单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′，该频响函数A′为关于圆频率ω的函数：A′=A′(ω)；

（5）隔振器（3）实际工作时与被隔振物体也构成一个单自由度阻尼振动系统，在频域内，隔振器（3）的动刚度K_D可表示圆频率ω的函数，K_D=-mω²+jcω+k；

同理，步骤（2）～（4）中所述的单自由度阻尼振动系统的动刚度

可表示为

其中k′=k+k₀；c′=c+c₀；将

的表达式变形整理可得 $K_D^{\′}=\mathrm{jc\ω}+k-m\′{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}+k_0=K_D+{\mathrm{m\ω}}^2-m\′{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}+k_0,$ 于是可知步骤（2）～（4）中所示的单自由度阻尼振动系统的动刚度

与隔振器（3）动刚度K_D之间的关系为 $K_D=K_D^{\′}+(m\′-m){\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{jc}}_0\mathrm{\ω}-k_0;$

（6）单自由度阻尼振动系统的动刚度还可用加速度响应频响函数表示，则步骤（2）～（4）中所示的单自由度阻尼振动系统的动刚度

用由振动测试系统（15）得到的加速度响应频响函数A′表示为

于是可得到隔振器（3）的动刚度为其中，弹性简支梁的阻尼c₀趋于零，故隔振器（3）的动刚度为 $K_D=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{A\′}+(m\′-m){\mathrm{\ω}}^2-k_0;$

（7）将弹性简支梁的静刚度k₀、组合式振动质量块（4）的质量为m′、振动测试系统（15）得到的单自由度阻尼振动系统的加速度响应频响函数A′代入公式

通过计算得到隔振器（3）的动刚度K_D关于圆频率ω的关系方程，最终得到被测试隔振器（3）在任意圆频率ω下的动刚度。

2.根据权利要求1所述的隔振器动刚度测试方法，其特征在于：所述静态加载装置为万能试验机，所述变形测量装置为万能试验机自带的位移传感器。

3.根据权利要求1所述的隔振器动刚度测试方法，其特征在于：所述组合式振动质量块（4）包括若干分质量块，该组合式振动质量块（4）的质量m′为各分质量块质量的总和。

4.一种用于实现权利要求1～3任一项所述的隔振器动刚度测试方法的装置，其特征在于：包括基座（1）、球铰式垫板（2）、组合式振动质量块（4）、弹性简支梁和激振器（11），所述球铰式垫板（2）位于基座（1）上，球铰式垫板（2）上设置有隔振器（3）；所述弹性简支梁包括置于组合式振动质量块（4）最上层并且对称放置的支座（6）和支座（6）上带刻度的弹性梁（7）；在组合式振动质量块（4）的上方中心安装有阻抗头（5）；所述激振器（11）与悬臂支架（13）的底板连接，悬臂支架（13）的悬臂端与直角弹性连杆（12）的拐角处连接，直角弹性连杆（12）的一端与激振器（11）的激振杆前端连接，直角弹性连杆（12）的另一端通过螺栓与阻抗头（5）上端连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述组合式振动质量块（4）由若干个分质量块由下至上叠加组成；最下一层的分质量块的上方中心设有凹槽，该分质量块下表面为平面，压在隔振器（3）上方；从下至上第二层以上的分质量块均在下方的中心设有凸起，上方的中心设有与最下一层分质量块相同的凹槽，所述凸起与凹槽间隙配合。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述凸起为圆柱，所述凹槽为圆柱形凹槽。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述阻抗头（5）安装在组合式振动质量块（4）的最上层分质量块上方中心的圆柱形凹槽内中心处，利用胶水或磁性座或螺栓保证牢固连接，所述阻抗头（5）通过信号线与振动测试系统（15）连接。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：还包括静态加载装置和力传感器（9），所述静态加载装置的压头（8）与力传感器（9）通过螺纹连接，测试时压头（8）将载荷作用在弹性梁（7）的中部。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述基座（1）与平整地面牢固连接，固定支座（10）通过螺栓与基座（1）牢固连接。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述激振器（11）通过螺栓与悬臂支架（13）的底板连接，直角弹性连杆（12）的拐角处通过销钉（14）与悬臂支架（13）的悬臂端连接。

Images