CN106908208B - 平衡弹性运动部件离心力的装置及离心振动试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡弹性运动部件离心力的装置，包括弹性运动系统和用于平衡其离心力的平衡机构，弹性运动系统包括两弹性运动机构，二者相对离心场的径线对称设置，每个弹性运动机构包括运动部件和弹性部件，平衡机构为等臂杠杆结构，两端分别与两弹性运动机构的两个运动部件连接；两个运动部件中，一个向渐近离心场的中心方向运动，另一个向渐远离心场的中心方向运动，平衡机构的每一端所受拉力和与其连接的运动部件所受离心力大小相等，方向相反。本发明能有效的平衡处于离心场中弹性运动系统中运动部件的离心力，保证运动部件沿旋转台面的径向往复运动时，其中心平衡位置不受运动部件离心力的影响而改变。本发明还公开了一种离心振动试验设备。

Description

平衡弹性运动部件离心力的装置及离心振动试验设备

技术领域

本发明属于力学环境领域，具体涉及平衡弹性运动部件离心力的方法、装置及离心振动设备。

背景技术

处于离心场中工作的弹性运动系统，运动部件不可避免的受到离心力的作用(如公式1所示)，当该弹性运动系统在离心场中沿旋转轴的径向做往复运动时，随着离心场中转动角速度大小的不同，运动部件所受的离心力的大小也不同。由于受到运动部件离心力的作用，弹簧将会被该离心力压缩，直至达到新的平衡点，即弹性恢复力和所受到的离心力平衡。而由于弹簧在新的平衡位置时已被压缩了(如公式2所示)，故其在离心场中能保证的往复运动的工作位移将受到影响，小于无离心场时的工作位移(参见图1和图2所示)，可见，处于离心场中工作的弹性系统装置，由于受到其运动部件的离心力的影响，不但改变了运动部件往复运动的中心平衡位置，而且还减小了其正常工作的的往复运动位移。

公式1和公式2如下所示：

F1＝-mrω²…………………(1)

m—运动部件质量

r—旋转半径

ω—旋转角速度

F1＝-kx……………………(2)

k—弹簧刚度

x—位移变化量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种平衡弹性运动部件离心力的装置，弹性运动系统的运动部件沿旋转台面的径向往复运动时，其中心平衡位置不受运动部件离心力的影响而改变，其位移行程不受运动部件离心力的影响而减小。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种平衡弹性运动部件离心力的装置，包括：

-弹性运动系统，其包括两弹性运动机构，二者相对离心场的径线对称设置，每个所述弹性运动机构包括运动部件和弹性部件，所述弹性部件的一端固定设置，所述运动部件与所述弹性部件的另一端连接并进行往复运动；

-平衡机构，其为等臂杠杆结构，两端分别与所述两弹性运动机构的两个运动部件连接；

其中，所述两个运动部件中，一个向渐近离心场的中心方向运动，另一个向渐远离心场的中心方向运动，所述平衡机构的每一端所受拉力和与其连接的运动部件所受离心力大小相等，方向相反。

进一步的，所述运动部件的质心位于所述平衡机构的两端的运动平面内。

进一步的，所述运动部件沿平行于离心场的径线方向运动。

进一步的，所述平衡机构包括定滑轮组和绳索，所述定滑轮组包括一个或多个定滑轮，所述定滑轮的心轴固定设置，所述绳索绕过所述定滑轮，所述定滑轮可在绳索摩擦力下绕其旋转中心作自转运动，所述绳索的两端分别与两个所述运动部件连接，所述绳索的每一端所受拉力和与其连接的运动部件所受离心力大小相等，方向相反。

进一步的，所述定滑轮包括滚动轴承和滚轮套，所述心轴为阶梯轴，所述滚动轴承套设安装于所述心轴的轴头上，所述滚轮套过盈安装于所述滚动轴承上，所述滚动轴承靠近所述心轴的轴肩一端的内圈与所述心轴的轴肩之间设置一套筒，所述滚动轴承远离所述心轴的轴肩一端的外圈与所述滚轮套通过挡圈相对固定，所述滚动轴承远离所述心轴的轴肩一端的内圈抵靠于一固定连接在所述心轴的轴头的端盖的套筒上。

进一步的，所述滚轮套筒分别与所述心轴的轴肩和所述端盖之间设有间隙。

进一步的，两个所述运动部件的运动方向与所述离心场的径向平行时，所述平衡弹性运动部件离心力的装置无限接近所述离心场的径线，其整体质心无限接近于垂直于离心场且经过径线的平面上。

进一步的，所述的平衡弹性运动部件离心力的装置还增设有配重，使得所述平衡弹性运动部件离心力的装置和所述配重组成的整体的心无限靠近于离心场的旋转中心轴。

本发明还提供另外一个技术方案：一种离心振动试验设备，包括离心机和如上所述的装置；

所述离心机设有旋转台面，其形成所述离心场；

每个所述弹性运动机构还包括磁路部件，所述磁路部件形成稳定的恒定磁场，所述运动部件连接于所述弹性部件上并采用线圈驱动，所述线圈悬挂在所述磁路部件形成的环形气隙中以交变切割所述恒定磁场的磁力线，所述运动部件包括激振杆，所述激振杆还连接有试件安装台。所述线圈输入相反电流以实现运动部件的异向运动。

进一步的，所述激振杆设有外螺纹段，所述外螺纹段上设有一周向凹槽，所述周向凹槽两侧的外螺纹段上分别螺纹连接有螺母，靠近所述平衡机构的外螺纹段的外壁和螺母的内壁分别开设有与所述周向凹槽连通的轴向线槽。

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：本发明公开的平衡弹性运动部件离心力的方法和装置，能有效的平衡处于离心场中弹性运动系统中运动部件的离心力，保证运动部件沿旋转台面的径向往复运动时，其中心平衡位置不受运动部件离心力的影响而改变，其位移行程不受运动部件离心力的影响而减小，保证弹性运动系统中运动部件的中心位置，从而保证该弹性运动系统中运动部件往复运动的中心位置和其机械行程。

附图说明

图1为离心机的旋转台面未工作时弹性运动部件的工作示意图；

图2为离心机的旋转台面工作时离心场中弹性运动部件的工作示意图；

图3为本发明公开一种实施方式中的平衡弹性运动部件的离心力的装置的结构示意图；

图4为本发明公开另一种实施方式中的平衡弹性运动部件的离心力的装置的结构示意图；

图5为本发明公开的平衡机构的结构示意图；

图6为本发明公开的离心振动试验设备的主视图；

图7为本发明公开的离心振动试验设备的俯视图；

图8为本发明公开的振动发生器的结构示意图；

图9为本发明公开的激振杆的局部示意图。

其中，11、旋转台面；20、弹性运动机构；21、运动部件；22、弹性部件；30、平衡机构；31、定滑轮；31-1、滚动轴承；31-2、滚轮套；31-3、心轴；31-4、套筒；31-5、挡圈；31-6、端盖；32、绳索；40、配重；51、转臂；52、支架；61、外壳；62、激振杆；63、悬挂弹簧；64、磁路部件；65、线圈；66、导向部件；67、周向凹槽；68、螺母；69、轴向线槽；70、试件安装台；80、平衡机构；90、配重；100、试件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：参见图3和图5，如其中的图例所示：

一种平衡弹性运动部件离心力的装置，其设于一离心机的旋转台面11上，旋转台面11绕其旋转中心作自转运动，上述装置包括两个弹性运动机构20和一个平衡机构30，两个弹性运动机构20设置在旋转台面11上并且相对上述旋转中心的径线对称设置，每个弹性运动机构20包括运动部件21和弹性部件22，弹性部件22的一端相对旋转台面11固定设置，弹性部件22的另一端与运动部件21连接，运动部件21在其导向部件的导向作用下沿平行于径线的方向作往复运动，两个运动部件21中，一个向渐近旋转台面11的中心的方向运动，另一个向渐远旋转台面11的中心的方向运动，平衡机构30包括定滑轮31和绳索32，定滑轮31的心轴相对旋转台面11固定设置，绳索32绕过定滑轮31并驱动定滑轮31绕其旋转中心作自转运动，绳索32的两端分别与两个运动部件21连接，绳索32的每一端所受拉力和与其连接的运动部件21所受的离心力的大小相等，方向相反。

平衡弹性运动部件离心力的装置无限接近离心场的径线，其整体质心无限接近于垂直于离心场且经过径线的平面上。

旋转台面11上还设置有配重40或者另一个相同的上述平衡弹性运动部件离心力的装置，使得平衡弹性运动部件离心力的装置和所述配重组成的整体的心无限靠近于离心场的旋转中心轴。

通过以上装置可以看出：用以平衡一个弹性运动机构的运动部件离心力的外力来自于绳索的拉力，而该绳索的拉力又来自于另个一弹性运动机构的运动部件所受到的离心力。由于两组弹性运动机构的结构完全相同，其运动部件的质量也完全相同，故其运动部件产生的离心力的大小时刻相同，且不受离心场中转动角速度改变的影响，故两个运动部件各自产生的离心力可以通过该滚轮机构而彼此互相平衡抵消。

上述装置，可以很好平衡弹性运动系统中运动部件在离心场产生的离心力，不但消除了离心力引起的运动部件往复运动的中心平衡位置变化的影响，而且保证了运动部件正常的工作位移，从而保证了弹性系统装置的安全可靠的运行。

参见图4，如其中的图例所示，运动部件21在其导向部件的导向作用下沿径线的方向作往复运动，两个运动部件21中，一个向渐近旋转台面11的中心的方向运动，另一个向渐远旋转台面11的中心的方向运动。

一种实施方式中，定滑轮31包括滚动轴承31-1和滚轮套31-2，心轴31-3为阶梯轴，滚动轴承31-1套设安装于心轴31-3的轴头上，滚轮套31-2过盈安装于滚动轴承31-1上，滚动轴承31-1靠近心轴31-3的轴肩一端的内圈与心轴31-3的轴肩之间设置一套筒31-4，滚动轴承31-1远离心轴31-3的轴肩一端的外圈与滚轮套31-2通过挡圈31-5相对固定，滚动轴承31-1远离心轴31-3的轴肩一端的内圈抵靠于一固定连接在心轴31-3的轴头的端盖31-6的套筒上。

滚轮套31-2的两端面不与心轴31-3的轴肩和端盖31-6接触，这样当绳索32受到外力的作用下，由于绳索32与滚轮套31-2之间摩擦阻力的影响，滚轮套31-2和绳索32会一起相对于心轴31-3作旋转运动。上述平衡机构的结构不仅减小了由于绳索32和滚轮套31-2之间相对运动引起的摩擦损耗，增加二者的使用寿命；而且使得绳索32两端的拉力，大小相等，方向相反。

将绳索32通过滚轮套31-2的凹槽，其两端分别连接于运动部件21上，且让绳索32处于张紧状态，这样可以保证绳索32工作时不会上下滑动，按设计方向受拉，且可通过设计心轴31-3的长短来保证绳索32的高度和运动部件21质心的高度一致，从而保证拉力方向和运动部件离心力方向在同一平面内。

一种实施方式中，上述弹性运动系统无限接近旋转台面11的旋转中心，在不影响安装和使用的情况下，弹性运动系统尽可能靠近旋转台面11的旋转中心，以减小离心力的大小。

实施例二：参见图6至图9，如其中的图例所示：

一种离心振动试验设备，包括：

-离心机，其设有转臂51，转臂51绕其旋转中心作自转运动；

-振动系统，其包括两个振动发生器60和两个试件安装台70，两个振动发生器60设置在转臂51上并且相对上述旋转中心的径线对称设置，每个振动发生器包括外壳61、分别设置在外壳61内部的激振杆62、悬挂弹簧63、磁路部件64和线圈65，悬挂弹簧63的上端连接于一相对转臂51固设的支架52上，悬挂弹簧63的下端与激振杆62连接，磁路部件64形成恒定的稳定磁场，激振杆62采用线圈65驱动，线圈65悬挂在磁路部件64的环形气隙中以交变切割磁场的磁力线，线圈65驱动激振杆62在其导向部件66的导向作用下沿平行于径线的方向作往复运动，

-平衡机构80，其与实施例一中的平衡机构30为相同的结构，包括定滑轮和绳索，定滑轮的心轴相对转臂51固定设置，绳索绕过定滑轮并驱动定滑轮绕其旋转中心作自转运动，绳索的两端分别与两激振杆62连接，绳索的每一端所受拉力和与其连接的激振杆62所受离心力大小相等，方向相反。

两个试件安装台70分别安装于两根激振杆62上。

转臂51上还设置有与上述振动系统位置对称并且重量适配的配重90，或对称设置两个相同的振动系统，以平衡转臂51。

离心机主要用于模拟离心振动试验所需的离心加速度力学环境，振动发生器主要用于模拟振动或冲击力学环境。离心振动试验设备主要用于的模拟加速度和振动合成的综合力学环境，该类设备主要应用于航空、航天、兵器等领域。

通常的离心振动试验设备是将一振动发生器60安装在离心机的转臂51上，使得振动发生器60在离心场的力学环境下工作，试件100安装在振动发生器60上，这样在振动发生器60和离心机均按试验要求工作的情况下，就能满足试件的试验要求，但由于振动发生器需要在离心场的力学环境下工作，故对振动台而言，其结构本身必须适应离心场的力学环境。

对于振动发生器设备来说，目前国内外按其出力的方式不同，分为机械式振动发生器、液压式振动发生器和电动式振动发生器，而电动式振动发生器由于其可使用频率范围宽，波形失真度小等原因而被广泛应用，占据目前振动试验设备市场的主导地位，因此本技术方案选用电动式振动发生器进行说明。

当驱动激振杆62的线圈65通以交变的电流时，激振杆62会在交变的磁场力的作用下产生往复运动，即所谓的振动。

当振动发生器60安装在离心机上后，由于其激振杆62处于悬挂状态，且激振杆62轴向运动方向处于无约束状态，当其往复运动的方向与离心机旋转的径向方向一致时，激振杆62在离心场中产生的离心力将会施加在悬挂弹簧63上，从而引起悬挂弹簧63变形，不仅改变了弹性运动系统初始的中心平衡位置，而且影响振动发生器60的初始设计运动位移，且增加了弹簧材料本身的失效风险。所以，要限制变运动部件离心力的不利影响，必须有外力来平衡这一离心力。

将2台结构完全相同的振动发生器60、1个平衡机构80和2组导向装置共同安装在同一个底板上，底板固定在离心机的转臂51上，安装时要尽量保证：1)振动发生器60的运动方向及绳索的拉伸方向均与离心机转动的径向一致，2)包括激振杆62的运动部件的质心均和绳索在同一平面内，当离心机转动时，振动发生器60的运动部件的离心力通过绳索而互相抵消。

一种实施方式中，激振杆62设有外螺纹段，外螺纹段上设有一周向凹槽67，周向凹槽67两侧的外螺纹段上分别螺纹连接有螺母68，靠近平衡机构80的外螺纹段的外壁和螺母的内壁分别开设有与周向凹槽67连通的轴向线槽69，平衡机构80的绳索可以通过轴向线槽69并固定于周向凹槽67处，再用另一锁紧螺螺母将其压紧于此。

一种实施方式中，上述振动系统无限接近转臂51的旋转中心，振动系统尽可能靠近转臂51的旋转中心，以减小离心力的大小。

实施例三

其余与实施例一或二相同，不同之处在于，上述平衡机构包括支点座和杠杆，支点座相对旋转台面固定设置，杠杆绕支点座的支轴作自转运动，杠杆的两端分别与两个运动部件连接，杠杆的每一端所受拉力大小和与其连接的激振杆所受离心力大小相等，方向相反。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，包括：

-弹性运动系统，其包括两弹性运动机构，二者相对离心场的径线方向对称设置，每个所述弹性运动机构包括运动部件和弹性部件，所述弹性部件的一端固定设置，所述运动部件与所述弹性部件的另一端连接并进行往复运动；

-平衡机构，其为等臂杠杆结构，两端分别与所述两弹性运动机构的两个运动部件连接；

其中，所述两个运动部件中，一个向渐近离心场的中心方向运动，另一个向渐远离心场的中心方向运动，所述平衡机构的每一端所受拉力和与其连接的运动部件所受离心力大小相等，方向相反。

2.根据权利要求1所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述运动部件的质心位于所述平衡机构的两端的运动平面内。

3.根据权利要求1所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述运动部件沿平行于离心场的径线方向运动。

4.根据权利要求1所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述平衡机构包括定滑轮组和绳索，所述定滑轮组包括一个或多个定滑轮，所述定滑轮的心轴固定设置，所述绳索绕过所述定滑轮，所述定滑轮可在绳索摩擦力下绕其旋转中心作自转运动，所述绳索的两端分别与两个所述运动部件连接，所述绳索的每一端所受拉力和与其连接的运动部件所受离心力大小相等，方向相反。

5.根据权利要求4所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述定滑轮包括滚动轴承和滚轮套，所述心轴为阶梯轴，所述滚动轴承套设安装于所述心轴的轴头上，所述滚轮套过盈安装于所述滚动轴承上，所述滚动轴承靠近所述心轴的轴肩一端的内圈与所述心轴的轴肩之间设置一套筒，所述滚动轴承远离所述心轴的轴肩一端的外圈与所述滚轮套通过挡圈相对固定，所述滚动轴承远离所述心轴的轴肩一端的内圈抵靠于一固定连接在所述心轴的轴头的端盖的套筒上。

6.根据权利要求5所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述滚轮套筒分别与所述心轴的轴肩和所述端盖之间设有间隙。

7.根据权利要求1所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，两个所述运动部件的运动方向与所述离心场的径向平行时，所述平衡弹性运动部件离心力的装置无限接近所述离心场的径线，其整体质心无限接近于垂直于离心场且经过径线的平面上。

8.根据权利要求1所述的平衡弹性运动部件离心力的装置，其特征在于，所述的平衡弹性运动部件离心力的装置还增设有配重，使得所述平衡弹性运动部件离心力的装置和所述配重组成的整体的心无限靠近于离心场的旋转中心轴。

9.一种离心振动试验设备，其特征在于，包括离心机和如权利要求1-8任一所述的装置；

所述离心机设有旋转台面，其形成所述离心场；

每个所述弹性运动机构还包括磁路部件，所述磁路部件形成稳定的恒定磁场，所述运动部件连接于所述弹性部件上并采用线圈驱动，所述线圈悬挂在所述磁路部件形成的环形气隙中以交变切割所述恒定磁场的磁力线，所述运动部件包括激振杆，所述激振杆还连接有试件安装台。

10.根据权利要求9所述的离心振动试验设备，其特征在于，所述激振杆设有外螺纹段，所述外螺纹段上设有一周向凹槽，所述周向凹槽两侧的外螺纹段上分别螺纹连接有螺母，靠近所述平衡机构的外螺纹段的外壁和螺母的内壁分别开设有与所述周向凹槽连通的轴向线槽。