CN104075862A - 振动台气锤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动台气锤，它包括锤体、锤头、垫块、端盖，锤体内部具有前部布置的第一空腔部和第二空腔部，端盖固定在锤体的后端部上并且密封覆盖在第一空腔部的开口上，锤体的侧壁上设置有一进气连接口和一排气连接口；锤头，其设置在第一空腔部内，锤头能够在第一空腔部内前后移动，锤头上设置有一中心通道、第一侧通道和第二侧通道，垫块位于在第二空腔部内并且位于锤头的正前方，垫块与第二空腔部的腔壁之间间隙配合，间隙配合的间隙可选择为0.3～0.4mm。本发明通过改变锤体、锤头与垫块的结构、尺寸使得气锤的低频能量特性得到有效改善，从而使得装配此气锤的振动台所获得的能量在频域内处于所需的范围之内。

Description

振动台气锤

技术领域

本发明涉及一种用于振动试验设备中的振动台气锤。

背景技术

在研究开发振动试验设备时，非常重要的一点是如何提高设备的试验效率，而效率的高低则取决于该设备所产生的振动环境。因此，振动台产生的振动环境的好坏直接决定了振动试验设备性能的优劣，故优化振动台的振动环境至关重要。而优化气动冲击式振动设备的振动环境，必须从气动式振动台的关键部件——气锤和振动台面两个方面入手开展研究。

而气动式振动台有其弱点，其振动环境的频域能量分布不均匀。它在2000Hz以内有一个能量低谷，导致该频段的激振能量较低，特别在500Hz以内尤为明显，这就导致了设备不能有效激发对低频敏感的产品缺陷，而许多电子产品缺陷的出现一般都在2000Hz以内出现，因而限制了其在可靠性振动强化试验中的进一步应用。

公开号为201673025U的中国专利中公开了一种振动测试台,该振动测试台包括振动台、设置在振动台底部的至少一个振动气锤、用于支撑振动台的弹性装置,振动气锤包括锤体、设置在锤体内部的锤头和锤垫,锤体内部开设有气腔,锤头与锤垫设置在气腔内,锤头可沿气腔轴向移动,锤垫固定在锤体上并位于气腔的端部,气腔设置有进气通路和出气通路,锤垫沿其周向开设有第一沟槽,锤体内对应第一沟槽处开设有第二沟槽,锤垫通过O型圈固定在锤体内,当锤垫固定在锤体内时,O型圈同时位于第一沟槽与第二沟槽内。

上述的振动气锤由于其锤垫的轴向尺寸较短，其轴向刚度较高，气锤冲击锤垫后的轴向应变较小，锤头作用于锤垫的时间较短，因此气锤的冲击频率较高。导致其冲击能量集中在高频区域，而造成低频区域(此时的低频区域主要是指振动台相对于弹簧支承座的振动，振幅较大但加速度较低，能量不足。而主振能量主要是集中在台面自身的振动方面)的能量不足。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种为振动台供给足够低频能量的振动台气锤。

为了达到上述的发明目的，本发明采用如下技术方案：一种振动台气锤，包括:

锤体，其前端部具有击打面、内部开设有一前后延伸的空腔、后端部设有端盖，所述的空腔具有第一轴心线，所述的空腔自后向前分为第一空腔部和第二空腔部，所述的第一空腔部的径向尺寸大于所述的第二空腔部的径向尺寸，所述的第一空腔部的后端具有一个位于所述的锤体的后端面上的开口，所述的端盖固定在所述的锤体的后端部上并且密封覆盖在第一空腔部的开口上，所述的锤体的侧壁上设置有一进气连接口和一排气连接口；

锤头，其设置在所述的第一空腔部内，所述的锤头能够在所述的第一空腔部内前后移动，所述的锤头具有第二轴心线，所述的第二轴心线与所述的第一轴心线相重合，所述的锤头内设置有一中心通道，所述的中心通道从所述的锤头的后端面向前延伸，所述的中心通道的后端部位于所述的锤头的后端面上，所述的锤头上还设置有第一侧通道和第二侧通道，所述的第一侧通道和第二侧通道的一端部均与所述的中心通道相连通、另一端部均为位于所述的锤头的外壁面上；

垫块，其位于在所述的第二空腔部内并且位于所述的锤头的正前方，所述的垫块与所述的第二空腔部的腔壁之间间隙配合，所述的间隙配合的间隙为0.3～0.4mm；

所述的气锤具有第一工作位置和第二工作位置，当位于第一工作位置时，所述的进气连接口与所述的第一侧通道相通，气体依次从所述的进气连接口、第一侧通道、中心通道流动至所述的锤头与端盖的交界处；当位于第二工作位置时，所述的排气连接口与所述的第二侧通道相通，气体依次从所述的中心通道、第二侧通道、排气连接口流出；所述的气锤在从第一工作位置转换到第二工作位置时，所述的锤头的后端面离开所述的端盖，所述的锤头向前移动并撞击所述的垫块；所述的气锤在从第二工作位置转换到第一工作位置时，所述的锤头向后移动并离开所述的垫块。

上述技术方案中，优选的，所述的锤头的后端部具有一个环形凹部，所述的环形凹部的口径大于所述的中心通道的口径，所述的环形凹部的一端部与所述的中心通道相接、另一端部朝着所述的端盖。

上述技术方案中，优选的，所述的垫块的长度和直径比为1.7～1.9。

上述技术方案中，优选的，所述的第一空腔部内设置有镶套，所述的镶套具有第三轴心线，所述的第三轴心线与所述的第一轴心线相重合，所述的锤头位于所述的镶套的内侧，所述的锤头能够沿着所述的镶套的内壁滑动。

上述技术方案中，优选的，所述的镶套在位于其中部的内壁面上设有一向外侧凹陷的环状凹槽，所述的进气连接口与所述的环状凹槽相连通；当所述的气锤处于第一工作位置时，所述的第一侧通道位于外壁面的端部与所述的环状凹槽相接。

上述技术方案中，优选的，所述的锤头的前部外壁直径小于后部外壁直径，所述的锤头在其中部的外壁上形成台阶面，所述的台阶面与所述的环状凹槽相接。

上述技术方案中，优选的，所述的镶套的材质为铜。

上述技术方案中，优选的，所述的锤体和端盖的材质为硬铝合金。

上述技术方案中，优选的，所述的锤头的材质为合金结构钢。

上述技术方案中，优选的，所述的垫块材质为聚四氟乙烯，其弹性模量为E＝1.14～1.42GPa。

本发明的有益效果在于：通过改变锤体、锤头与垫块的结构、尺寸使得气锤的低频能量特性得到有效改善，从而使得装配此气锤的振动台所获得的能量在频域内处于所需的范围之内。

附图说明

附图1为本发明的振动台气锤的结构示意图；

附图2为本发明的振动台气锤在安装状态下启动时的示意图；

附图3为本发明的振动台气锤在附图2所示的状态下启动后的运行过程一；

附图4为本发明的振动台气锤在附图3所示的状态下启动后的运行过程二；

附图5为本发明的振动台气锤在附图2所示的状态下启动后的运行过程三；

附图6为本发明的振动台气锤在附图2所示的状态下启动后的运行过程四；

附图7为本发明的振动台气锤被停留在前部时启动的示意图；

附图8为本发明的振动台气锤被停留在进气连接口被关闭状态时启动时的示意图；

附图9为本发明的振动台气锤被停留在进气连接口在中间位置时启动时的示意图；

其中：100、振动台气锤；1、锤体；2、锤头；4、端盖；5、垫块；6、固定孔；7、连接面；8、空腔；9、第一轴心线；10、第一空腔部；11、第二空腔部；12、开口；13、进气连接口；14、排气连接口；15、第二轴心线；16、中心通道；17、第一侧通道；18、第二侧通道；19、镶套；20、第三轴心线；21、环状凹槽；22、环形凹部；23、启动腔；24、台阶面；200、振动台。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：

如图1所示的振动台气锤100，其由锤体1、锤头2、端盖4、垫块5等组成。

锤体1，其材质选用硬铝合金。锤体1的前端部具有连接面7、内部开设有一前后延伸的空腔8，锤体1的前端具有贯穿连接面7的安装孔6。空腔8具有第一轴心线9，空腔8自后向前分为第一空腔部10和第二空腔部11，第一空腔部10的径向尺寸大于第二空腔部11的径向尺寸，第一空腔部10的后端具有一个位于锤体1后端面上的开口12，即锤体1的后端部为敞口机构。端盖4采用螺钉连接固定在锤体1的后端部上并且通过密封圈密封覆盖在第一空腔部10的开口12上，端盖4的材质也选用硬铝合金。锤体1的侧壁上设置有一进气连接口13和一排气连接口14。第一空腔部10内设置有镶套19，镶套19的材质选用铜，镶套19具有第三轴心线20，第三轴心线20与第一轴心线9相重合，镶套19的内壁上设有一向外侧凹陷的环状凹槽21，进气连接口13与环状凹槽21相连通。

锤头2，其材质选用合金结构钢。锤头2设置在第一空腔部10内，其能够在第一空腔部10内前后移动。锤头2具有第二轴心线15，该第二轴心线15与第一轴心线9相重合。在该实施例中，锤头2位于镶套19的内侧，锤头2能够沿着镶套19的内壁前后滑动。锤头2内设置有一中心通道16，中心通道16从锤头2的后端面向前延伸，中心通道16的后端部位于锤头2的后端面上，锤头2上还设置有第一侧通道17和第二侧通道18，第一侧通道17和第二侧通道18的一端部均与中心通道16相连通、另一端部均为位于锤头2的外壁面上。锤头2的前部外壁直径D1小于后部外壁直径D2，锤头2在其中部的外壁上形成台阶面24，台阶面24与环状凹槽21相接。

垫块5位于在第二空腔部11内并且位于锤头2的正前方，垫块5与第二空腔部11的腔壁之间间隙配合，间隙配合的间隙可选择为0.3～0.4mm。垫块5的长度和直径比为1.7～1.9。

在该实施例中，锤头2的后端部具有一个环形凹部22，环形凹部22的口径D3小于锤头2的后部外壁直径D2，环形凹部22的一端部与中心通道16相接、另一端部朝着端盖4。环形凹部22的深度为0.5～0.6mm。

气锤具有第一工作位置和第二工作位置，当位于第一工作位置时，此为气锤的进气位置，进气连接口13与第一侧通道17相通，气体依次从进气连接口13、环状凹槽21、第一侧通道17、中心通道16流动至锤头2与端盖4的交界处的环形凹部22。当位于第二工作位置时，此为气锤的排气位置，排气连接口14与第二侧通道18相通，气体依次从环形凹部22、中心通道16、第二侧通道18、排气连接口14流出。气锤在从第一工作位置转换到第二工作位置时，锤头2的后端面离开端盖4，锤头2向前移动并撞击垫块5；气锤在从第二工作位置转换到第一工作位置时，锤头2向后移动并离开垫块5。

上述的锤体1及端盖4的材料采用高强度的硬铝合金、锤头2材料为合金结构钢，其能够减轻气锤的重量，使得配置有此气锤的振动台能够增加有效负荷。在与锤头2产生磨察的部位镶有耐磨铜质的镶套19，在锤体1一侧设有进、排气连接口，整体结构简单可靠。

上述的垫块5采用弹性模量较低的非金属材料制成，如材料选用聚四氟乙烯，制成后垫块5的弹性模量为E＝1.14～1.42GPa。该非金属的垫块5在第二空腔部11内部没有被固定，它和第二空腔部11的配合间隙相对较大，这样就避免了由于锤头2对非金属垫块5的长时间冲击后在径向发生塑性变形而产生过盈配合状态，一般来讲一个振动台至少要安装8到9个气锤，因此经一段时间工作后，由于各种不同因素的原因，就会导致各个垫块5和第二空腔部11的过盈量亦处于不同状态。在此工况下，由于垫块5在每次受锤头冲击后会产生回弹，但是由于过盈量的不同等各种不同的随机因素，垫块5回弹的位置很难一致，再加上垫块5和第二空腔部11的腔壁之间摩擦力的大小各不相同，这样就会导致每次、每个锤头2的打击效果多不一致，同时也也削弱了锤头2的冲击效能。而当垫块5和第二空腔部11的腔壁配合间隙相对较大后，垫块5和锤体1发生过盈的状态被彻底改变，此时垫块5在前后方向(即第一轴心线方向)的运动阻力非常小，可忽略不计，因而其运动阻力数值的变化亦非常小，几乎可以认为是常数。这样就使得气锤激励信号的随机特性就得到很好的改善，大大提高了锤头2打击效果的一致性。

另外，通过将非金属垫块5的长度和直径比加以适当提高，使得激励信号中的中低频能量获得提高。因为将非金属垫块5的长度和直径之比加以适当提高后，可使得碰撞产生的应力波在垫块5中传递的时间周期被延长。具体的讲，就是当锤头冲击垫块5时，从碰撞产生应力波开始到垫块轴向应变达到最大而相应最大冲击力的出现，之后伴随着垫块轴向应变由最大变为零的过程，应力波不断衰减直到消失，冲击力亦由发生到最大并逐步衰减归零。而正是这个冲击力作用的时间周期被延长的结果使得驱动源的频率相应下降，可使其远低于2000Hz。又由于振动台在受迫振动情况下其振动频率和驱动源(此处即为气锤)的频率相关，如此振动台的频率就相应下降。由于能量守恒的原因，当频率下降的同时台面由此而获得的振幅却相应的增加，从而使得台面所获得的能量在频域内能够集中分布在其频率附近，有效改善了低频段激振能量的不足。除了和非金属垫块尺寸的相关之外，激励信号中的中低频能量还和垫块的弹性模量呈负相关趋势，弹性模量越低，应力波从出现到消失的时间周期越长，其激振频率就越低，振动台所获得的振幅就越大，同样由于激励源频率和振动台频率相关性的缘故，能够使得激振能量集中分布在台面的振动频率附近。由此通过多方面采取措施来延长应力波从出现至衰减到零的时间周期是提高中低频能量的有效方法。

正是基于上述分析可知，本实施例中的气锤在产生激励信号的随机特性和低频能量特性得到显著改善。并且由于激励信号一致性得到提高，对提高振动台加速度值的控制精度及均匀性也是非常有益的。同时通过合理优化气锤结构，及进一步提高锤体和锤头配合的制造精度，提高两者运动间隙的一致性，设计和制造了一种结构更简单，便于实际安装与维护，动态性能良好的气锤，大大改善了气锤运行状态。

下面阐述一下气锤的工作原理如下：

一、气锤安装状态下的启动

附图2所示，一振动台气锤100通过锤体1前端的固定孔6倾斜固定安装于振动台200下端面。此时的锤头2由于安装角度的原因在启动前处于锤体1的后部，且进气连接口13与第一侧通道17相通使得气体能够直通锤头后端部。在这种情况下启动运行时，压缩空气经过进气连接口13、环状凹槽21、台阶面24、第一侧通道17、中心通道16直接流动至锤头2与端盖4的交界处的环形凹部22。此时，环形凹部22与台阶面24均会向锤头施加压力，锤头2的后端部与端盖形成启动腔23，由于后部启动腔23的横截面面积远大于环形凹部22的横截面面积而向前运动，当锤头2的后端面一旦离开端盖5的内侧面后，此时锤体1内向前的压缩空气受压计算面积增大为式中：D1—锤头的前部外壁直径。

锤头运行过程一：

在忽略锤头的排气阻力情况下，实际使锤头向上的作用力为N：

式中：P—压缩空气的压力值，β—锤体与台面安装后形成的夹角，G—锤头的质量，f——锤头与镶套之间的摩擦系数；图中的G2即为Gsinβ，G1为Gcosβ。

如图3所示，锤头在作用力N的推动下向前运行，直到第一侧通道17与进气连接口13被隔断。此时由于锤头2在惯性的作用下继续向前运动，直到和前端的垫块5发生碰撞，并通过垫块5将能量向前传递。

锤头运行过程二：

如图4所示，在第一侧通道17与进气连接口13被隔断到锤头2和垫块5发生碰撞的过程中，锤头2的第二侧通道18与进气连接口13逐步被贯通，并在碰撞发生时被打开到最大状态。这样的结果使得锤头2一方面在继续向前的过程还可以利用锤头后端部的气压，另一方面当锤头2和垫块5在发生碰撞后发生向后反弹时锤头2后端部的气压被泄出，有利于锤头2的返回。

锤头运行过程三：

如图5所示，锤头2在和垫块5碰撞使得垫块5达到最大应变的瞬间便开始向后运动。由于锤头2在向后运动开始到第一侧通道17与进气连接口13相贯通这个过程，第一侧通道17与进气连接口13是被隔断的，因此在第一侧通道17与进气连接口13相贯通前的这段时间内，通过气压作用于锤头12中部的台阶面24起到了帮助锤头2快速退回的作用。退回的距离和锤头2中部台阶面24的压缩空气作用面积、时间及锤头撞击后的反作用力、锤头后端启动腔内空气被压缩产生的压力等因素相关。在这样一个过程中，锤头退回的距离有一个最佳值，它既保证锤头向前运动有合适的冲击距离又要保证锤头与缸盖有一个安全距离。

锤头运行过程四：

如图6所示，锤头2继续向后运行并将第一侧通道17与进气连接口13逐步相贯通，此时压缩空气开始逐步进入锤头2的后端部，使得锤头后端部的空气压力得到提高，直到锤头两端的作用力平衡，锤头停止退回，随后由于锤头后部压力的不断增加，又向前运行重复锤头运行过程一。

二、锤头被停留在前部时的启动状况

如图7所示，当锤头2被停留在前端部被加压启动的情况下，除了其它已启动锤体的激震力及锤头自身的重力使得锤头松动外，主要就是依靠压缩空气作用在锤头中部的台阶面24上的力N3，在多力(G，N3等)的共同作用下锤头2向下运动直到第一侧通道17与进气连接口13相贯通，排气连接口14与第二侧通道18被隔断。此时压缩空气很快从第一侧通道17进入锤头后端部使得锤头后端的压力瞬间增高，使得锤头向前运动和垫块发生碰撞，最后锤头在碰撞反弹力和台阶面24的气压作用力的共同作用下向下运动，并经过多次的反复使得锤头前后运动的动能不断提高，直到正常运行。

三、锤头被停留在进气连接口被关闭状态时的启动状况

如图8所示，当锤头2被停留在第一侧通道17与进气连接口13被隔断状态时，除了其它已启动锤体1的激震力及锤头自身的重力G使得锤头2松动外，主要就是依靠压缩空气作用在锤头台阶面24上的力N3，在多力的共同作用下锤头2向下运动直到第一侧通道17与进气连接口13相贯通，此时压缩空气很快从第一侧通道17进入锤头2的后端部，使得锤头2后端压力的瞬间增高，锤头2向前运动和垫块5发生碰撞，最后锤头2在碰撞反弹力和台阶面24气压作用力的共同作用下向下运动，并经过多次的反复使得锤头前后运动的动能不断提高，直到正常运行。

四、锤头被停留在进气连接口在中间位置时的启动状况

如图9所示，当锤头2被停留在进气连接口13的中间位置时，除了其它已启动锤体的激震力及锤头自身的重力使得锤头松动外，主要就是依靠压缩空气作用在锤头后端部的作用力下，使得锤头向前运动和垫块发生碰撞，最后锤头在碰撞反弹力和台阶面气压作用力的共同作用下向下运动，并经过多次的反复使得锤头前后运动的动能不断提高，直到正常运行。

通过上述不同位置启动的分析，说明气锤的结构及动力设计能够满足在各种不同状态下的正常启动及运行。气锤激励信号的随机特性及低频能量特性得到有效改善，台面加速度平稳性取得了较大的提升。因此，同时也证明了通过改变驱动源碰撞信号的频率，可使得振动台所获得的能量在频域内处于所需的范围之内，对提高在所需频率范围内的能量是一种行之有效的方法。

本实施例中，通过改变气锤垫块的尺寸比例及选用弹性模量较低的垫块材料使得驱动源碰撞信号的频率处于中低频率的范围之内；通过中低频的频率的驱动源，使得振动台所获得的能量其频域处于中低频率的范围之内；通过锤垫和锤体采用大间隙配合方式使得气锤激励信号的随机特性得到很好的改善，提高锤头打击效果的一致性。

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 (10)

1.一种振动台气锤，其特征在于：它包括:

锤体，其前端部具有击打面、内部开设有一前后延伸的空腔、后端部设有端盖，所述的空腔具有第一轴心线，所述的空腔自后向前分为第一空腔部和第二空腔部，所述的第一空腔部的径向尺寸大于所述的第二空腔部的径向尺寸，所述的第一空腔部的后端具有一个位于所述的锤体的后端面上的开口，所述的端盖固定在所述的锤体的后端部上并且密封覆盖在第一空腔部的开口上，所述的锤体的侧壁上设置有一进气连接口和一排气连接口；

锤头，其设置在所述的第一空腔部内，所述的锤头能够在所述的第一空腔部内前后移动，所述的锤头具有第二轴心线，所述的第二轴心线与所述的第一轴心线相重合，所述的锤头内设置有一中心通道，所述的中心通道从所述的锤头的后端面向前延伸，所述的中心通道的后端部位于所述的锤头的后端面上，所述的锤头上还设置有第一侧通道和第二侧通道，所述的第一侧通道和第二侧通道的一端部均与所述的中心通道相连通、另一端部均为位于所述的锤头的外壁面上；

垫块，其位于在所述的第二空腔部内并且位于所述的锤头的正前方，所述的垫块与所述的第二空腔部的腔壁之间间隙配合，所述的间隙配合的间隙为0.3～0.4mm；

所述的气锤具有第一工作位置和第二工作位置，当位于第一工作位置时，所述的进气连接口与所述的第一侧通道相通，气体依次从所述的进气连接口、第一侧通道、中心通道流动至所述的锤头与端盖的交界处；当位于第二工作位置时，所述的排气连接口与所述的第二侧通道相通，气体依次从所述的中心通道、第二侧通道、排气连接口流出；所述的气锤在从第一工作位置转换到第二工作位置时，所述的锤头的后端面离开所述的端盖，所述的锤头向前移动并撞击所述的垫块；所述的气锤在从第二工作位置转换到第一工作位置时，所述的锤头向后移动并离开所述的垫块。

2.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述的锤头的后端部具有一个环形凹部，所述的环形凹部的口径大于所述的中心通道的口径，所述的环形凹部的一端部与所述的中心通道相接、另一端部朝着所述的端盖。

3.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述垫块的长度和直径比为1.7～1.9。

4.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述的第一空腔部内设置有镶套，所述的镶套具有第三轴心线，所述的第三轴心线与所述的第一轴心线相重合，所述的锤头位于所述的镶套的内侧，所述的锤头能够沿着所述的镶套的内壁滑动。

5.根据权利要求4所述的振动台气锤，其特征在于：所述的镶套在位于其中部的内壁面上设有一向外侧凹陷的环状凹槽，所述的进气连接口与所述的环状凹槽相连通；当所述的气锤处于第一工作位置时，所述的第一侧通道位于外壁面的端部与所述的环状凹槽相接。

6.根据权利要求5所述的振动台气锤，其特征在于：所述的锤头的前部外壁直径小于后部外壁直径，所述的锤头在其中部的外壁上形成台阶面，所述的台阶面与所述的环状凹槽相接。

7. 根据权利要求4所述的振动台气锤，其特征在于：所述的镶套的材质为铜。

8.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述的锤体和端盖的材质为硬铝合金。

9.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述的锤头的材质为合金结构钢。

10.根据权利要求1所述的振动台气锤，其特征在于：所述的垫块材质为聚四氟乙烯，所述的垫块的弹性模量为E=1.14～1.42GPa。