CN108760205B - 自激式冲击-振动复合试验夹具及其进给装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激式冲击‑振动复合试验夹具及其进给装置，通过模块化谐振组件的设计实现对待测试件的自激振动加载，可与冲击装置配合实现冲击‑振动复合力学环境模拟；通过调整谐振组件内悬臂弹片的数量和滑动支撑体的位置，可实现不同频率的多组振动加载；基于液压系统和滚柱直线导轨的设计，可实现整个试验夹具的快速进给并保证整套装置在复杂力学环境下的稳定可靠性。本发明克服了传统电磁振动加载方式幅值不足的缺点，可实现高过载、多频率的振动加载，为冲击‑振动复合力学环境测试提供了一种有效手段。

Description

自激式冲击-振动复合试验夹具及其进给装置

技术领域

本发明涉及冲击-振动复合环境试验领域，特别涉及一种自激式冲击-振动复合试验夹具及其进给装置。

背景技术

近年来，冲击试验装置得到了成熟的发展。例如霍普金森杆，马歇特重锤等已普遍使用，然而此类装置具有很大的局限性，往往仅用于产生单次冲击，而且无法加载振动试验。又因为冲击-振动复合的环境所造成的影响并非是简单的线性相加，在复合环境下，结构各方面的性能属性会产生不同于单一载荷时的线性变化。试件往往受到的影响更大，损耗更高，变形更快，产品受损的速度更快。最近所有的复合环境试验装置也仅仅是简单的把振动和冲击试验装置相配合，有较大的占地面积，需要更高的保养费用等缺点。

中国专利201710133869.7提出了一种《高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置》，直接基于电磁振动台与冲击试验装置耦合的方式连接，通过控制电磁振动台的振动向待测试件施加所需的振动载荷，实现冲击-振动复合力学试验环境。由于振动台所能实现的过载加速度幅值有限，难以实现较高幅值的振动加载，可能导致耦合力学环境特征不明显；且高冲击加载通过夹具直接传递到振动台台面上，容易对振动台面造成损伤，影响振动台的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自激式冲击-振动复合试验夹具及其进给装置，解决了传统试验装置仅可模拟单一冲击或振动力学环境的不足的问题，同时克服了传统电磁振动方式幅值有限的问题。

本发明的技术解决方案为：一种自激式冲击-振动复合试验夹具，包括U型限位盖板、固定座、内壳体、内腔隔板、谐振组件和弹簧，固定座顶面沿其水平方向的中轴线设有一个长条形凸起，一侧端面中心开有一个二阶盲孔，上述二阶盲孔靠近开口端的第一阶孔直径大，第二阶孔直径小，固定座上与开有二阶盲孔的侧面相邻的一个侧面向开有二阶盲孔的侧面开设一方形开口，所述方形开口与第一阶孔相通，待测试件、内壳体、内腔隔板、谐振组件和弹簧均设置在固定座内，内壳体为二阶圆筒，内腔隔板为桶形，桶底外壁设有一圈第一环形凸起，待测试件设置在上述二阶圆筒直径大的筒内并通过内腔隔板固连封口，直径小的筒伸出固定座，固定座和内壳体之间留有间隙，U型限位盖板固定在固定座的开口端，且卡住内壳体的台阶面，防止内壳体从固定座中脱出；谐振组件套接于内腔隔板的第一环形凸起，弹簧一端抵住固定座的第二阶孔底部，另一端抵住谐振组件，未受冲击时保持压缩状态，使得谐振组件与内腔隔板紧密配合。

所述谐振组件包括谐振腔外壳、M个谐振头、N个悬臂弹片、P个滑动支撑体，其中M=N=P，M=1,2,3……10，谐振腔外壳为桶形，桶底外壁设有一圈第二环形凸起，桶底内壁自边缘向中心设有Q条滑槽，所述滑槽呈放射状且互不相通，Q=P，每个悬臂弹片一端与谐振腔外壳的桶壁固连，另一端顶面固定一个谐振头，每个滑槽中分别设有一个滑动支撑体，滑动支撑体顶面与悬臂弹片相切，当滑动支撑体在滑槽中滑动时，带动悬臂弹片和谐振头弹动。

一种自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，包括“几”字形基座、固定机架、滚柱直线导轨、液压缸、液压杆、加速度传感器、加速度传感器夹具、光栅、超声波传感器、滑轨限位装置和自激式冲击-振动复合试验夹具。

所述“几”字形基座固定于地面，固定机架固定于“几”字形基座向上凸起的顶面，固定机架为U形，U形开口朝向一侧，顶面沿水平中轴线自一端开有一个长条形开口，滚柱直线导轨固定在固定机架底面，滑轨限位装置固定在固定机架底面且抵住位于长条形开口端的滚柱直线导轨边缘，导轨行程即为整个进给行程；自激式冲击-振动复合试验夹具底面固定在滚柱直线导轨上，其顶面长条形凸起与固定机架的长条形开口相配合，固定座的开口端方向与固定机架的开口方向相同，使得自激式冲击-振动复合试验夹具随滚柱直线导轨完成进给和回退动作；所述液压缸固定在固定机架底面上，液压杆一端与自激式冲击-振动复合试验夹具固定座的外壁相连，另一端与液压缸相连；加速度传感器和光栅均固定在加速度传感器夹具上，加速度传感器夹具固定在内壳体直径小的筒端面上，用来获得待测试件整个过程中的加速度值，所述超声波传感器通过支架固定在固定机架的底面上，且与液压缸同侧。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）通过谐振组件，在受多次冲击的情况下，可自主产生谐振模拟出冲击-振动复合试验环境，能够多用于种复合环境模拟试验，更加精确地测试评估在该环境下工作器件的性能，便于发现该类器件损坏的原因。该装置具有模拟真实可靠，稳定性高，实验效果好，寿命长，易于保养等特点。

（2）通过调整谐振组件内谐振头的数量可以改变谐振信号的数量，通过调整悬臂弹片的臂长和滑动支撑体的位置可以改变其谐振头受激振动的周期，从而获得不同的振动加载频率。因此本装置可以较方便有效的改变谐振信号波形进行多组试验。

（3）通过谐振组件的模块化设计，不仅可实现冲击-振动复合力学环境模拟，还可以通过拆除谐振组件用于单一冲击试验，提高了装置的复用性。

（4）采用滚柱直线导轨，改变以往的进给系统进给缓慢的缺点，增加系统可靠性，精确性，在冲击系统撞击头达到要求转速后在准确位置快速响应，精确进给。

（5）通过在固定机架上安装超声波传感器，可以实现实时输出自激式冲击-振动复合试验夹具位置信息的要求，便于对进给过程进行精确控制和数据采集；同样基于安装在保持盖上的加速度传感器设计，可以实时输出待测试件在冲击机-振动过程中的加速度信息；加速度传感器上安装有光栅，同步测量冲击-振动试验的过载加速度，同时，也可用来标定加速度传感器。

附图说明

图1是本发明的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置总体结构示意图。

图2是本发明的自激式冲击-振动复合试验夹具的结构剖视图。

图3是本发明的谐振组件结构示意图。

图4是本发明的超声波传感器和超声波传感器夹具结构示意图。

以上各图中所示附图标记所指示的部件分别为：

1、“几”字形基座；2、固定机架；3、滚柱直线导轨；4、液压缸；5、液压杆；6、U型限位盖板；7、固定座；8、内壳体；9、内腔隔板；10、谐振腔外壳；11、谐振头；12、悬臂弹片；13、滑动支撑体；14、弹簧；15、加速度传感器；16、加速度传感器夹具；17、光栅；18、超声波传感器；19、滑轨限位装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

结合图2，一种自激式冲击-振动复合试验夹具包括U型限位盖板6、固定座7、内壳体8、内腔隔板9、谐振组件和弹簧14，固定座7顶面沿其水平方向的中轴线设有一个长条形凸起，一侧端面中心开有一个二阶盲孔，上述二阶盲孔靠近开口端的第一阶孔直径大，第二阶孔直径小，固定座7上与开有二阶盲孔的侧面相邻的一个侧面向开有二阶盲孔的侧面开设一方形开口，所述方形开口与第一阶孔相通，待测试件、内壳体8、内腔隔板9、谐振组件和弹簧14均设置在固定座7内，当内壳体8与冲击头接触后，冲击头旋转产生退让，该方形开口作用在于留出冲击头退让过程的路径。内壳体8为二阶圆筒，内腔隔板9为桶形，桶底外壁设有一圈第一环形凸起，待测试件设置在上述二阶圆筒直径大的筒内并通过内腔隔板9固连封口，直径小的筒伸出固定座7，固定座7和内壳体8之间留有间隙，U型限位盖板6通过螺栓固定在固定座7的开口端，且卡住内壳体8的台阶面，防止内壳体8从固定座7中脱出。谐振组件套接于内腔隔板9的第一环形凸起，弹簧14一端抵住固定座7的第二阶孔底部，另一端抵住谐振组件，未受冲击时保持压缩状态，使得谐振组件与内腔隔板9紧密配合。

结合图3，所述谐振组件包括谐振腔外壳10、M个谐振头11、N个悬臂弹片12、P个滑动支撑体13，其中M=N=P，M=1,2,3……10，谐振腔外壳10为桶形，桶底外壁设有一圈第二环形凸起，桶底内壁自边缘向中心设有Q条滑槽，所述滑槽呈放射状且互不相通，Q=P，每个悬臂弹片12一端与谐振腔外壳10的桶壁固连（采用螺栓、焊接、胶黏等均可），另一端顶面固定一个谐振头11，每个滑槽中分别设有一个滑动支撑体13，滑动支撑体13顶面与悬臂弹片12相切，滑动支撑体13调整到滑槽的不同位置时，相当于改变了悬臂弹片12和谐振头11所构成的悬臂梁结构臂长，进而改变振动加载的频率。

结合图1和图4，一种采用自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，包括“几”字形基座1、固定机架2、滚柱直线导轨3、液压缸4、液压杆5、加速度传感器15、加速度传感器夹具16、光栅17、超声波传感器18、滑轨限位装置19和自激式冲击-振动复合试验夹具。

所述“几”字形基座1固定于地面，固定机架2固定于“几”字形基座1向上凸起的顶面，固定机架2为U形，U形开口朝向一侧，U形开口背面设有4个加强筋加强固定，顶面沿水平中轴线自一端开有一个长条形开口，滚柱直线导轨3固定在固定机架2底面，滑轨限位装置19固定在固定机架2底面且抵住位于长条形开口端的滚柱直线导轨3边缘，导轨行程即为整个进给行程；自激式冲击-振动复合试验夹具底面固定在滚柱直线导轨3上，其顶面长条形凸起与固定机架2的长条形开口相配合，由于长条形凸起的长度小于长条形开口的长度，使得长条形凸起可沿长条形开口中滑动。固定座7的开口端方向与固定机架2的开口方向相同，使得自激式冲击-振动复合试验夹具可随滚柱直线导轨3完成进给和回退动作。所述液压缸4固定在固定机架2底面上，液压杆5一端通过螺栓与自激式冲击-振动复合试验夹具固定座7的外壁相连，另一端与液压缸4相连。加速度传感器夹具16包括盖板、L形底座和连接柱，L形底座上有一个与加速度传感器15横截面形状大小相同的凹槽，盖板通过螺栓将加速度传感器15压紧在底座的凹槽内；该凹槽的作用在于可以更好的限制加速度传感器15受冲击时的位移，使得加速度传感器15的测量数据更为精确。L形底座底面设有连接柱，L形底座外壁上设有光栅17，同步测量冲击-振动试验的过载加速度，同时，也可用来标定加速度传感器15。连接柱固定在内壳体8直径小的筒端面上，用来获得待测试件整个过程中的加速度值。

所述超声波传感器18通过支架固定在固定机架2的底面上，且与液压缸4同侧；超声波传感器18发射端面向自激式冲击-振动复合试验夹具，用于实时输出自激式冲击-振动复合试验夹具的位置信息，便于观察分析进给、回退过程。

滚柱直线导轨3、固定机架2和滑轨限位装置19共同限制自激式冲击-振动复合试验夹具进给过程中其他方向的位移。

工作过程

结合图1至图4，本发明的自激式冲击-振动复合试验夹具及其进给装置工作过程如下：

冲击试验开始时，自激式冲击-振动复合试验夹具和待测试件位于初始位置，首先控制冲击台加速至试验所需工作转速，当冲击台达到试验预定转速后，开始进给过程，首先液压进给系统工作，液压缸4开始驱动液压杆5沿滚柱直线导轨3的进给行程方向水平运动，从而推动自激式冲击-振动复合试验夹具向冲击发生工位进给，控制系统根据冲击台的旋转角度，旋转速度，超声波传感器18输出信号，控制液压缸4和液压杆5的进给速度，保证自激式冲击-振动复合试验夹具和待测试件在设计指定的窗口时间内进入待冲击位置，即自激式冲击-振动复合试验夹具一端抵住滑轨限位装置19。此时在固定机架2，滚柱直线导轨3，液压杆5和滑轨限位装置19的共同限制下，自激式冲击-振动复合试验夹具固定在待冲击位置。切断液压进给系统的电源，进给过程完成。

之后是冲击过程，进给过程完成后，第一个高速冲击头与固定座8相接触产生高幅值冲击，在冲击的作用下弹簧14进一步压缩，内壳体8、内腔隔板9、谐振组件沿固定座7二阶盲孔的第一阶孔向固定座7内部移动。同时内壳体8受到冲击时，内腔隔板9、谐振腔外壳10可以传递冲击和振动，冲击传递到谐振组件内，谐振头11随之沿冲击作用方向往复弹动产生振动。该过程即为受到冲击后产生的自激振动过程。整个谐振组件结构可以通过调整谐振头11的数量改变谐振信号的数量，通过调整悬臂弹片12的臂长和滑动支撑体13的位置改变其谐振头11受激振动的周期，从而获得不同的振动加载频率。

冲击头与内壳体8接触后旋转产生退让，冲击头从固定座7二阶盲孔第一阶孔侧面的方形开口处滑出。冲击头滑出之后，处于压缩状态的弹簧14压缩量开始减小，内壳体8、内腔隔板9、谐振组件沿固定座7二阶盲孔的第一阶孔向固定座7外部移动。移动一定距离后，第二个高速冲击头与固定座8相接触产生第二次冲击。

以上过程循环往复，在整个过程中待测试件受到冲击头冲击和谐振组件受激振动的复合加载作用，模拟出冲击-振动复合力学环境，加速度传感器15和激光测振仪协同作用，共同实时采集试验过程中的冲击-振动过载加速度，用于试验效果的评价。试验结束后，冲击台关闭，给出回退动作指令，液压系统工作，液压缸4驱动液压杆5带动自激式冲击-振动复合试验夹具沿滚柱直线导轨3的回退行程方向水平运动直到回退到初始位置附近。在整个进给和回退过程中，超声波传感器18实时输出位置和运动状态信息，当出现进给或回退状态异常时，切断液压进给系统的电路开关，保护电路，同时给出报警指示，示意进给回退过程发生错误。

本发明为处于冲击-振动复合环境下工作的器件的研发设计和测试评估提供一种方便可靠的试验装置。采取液压进给系统和滚柱直线导轨3相配合的进给回退系统和一种受到冲击时产生频率可调的自激振动的谐振装置，改进了以往的单一环境试验装置无法真实模拟出复合环境性能受损原因的特性，也改进了同类复合环境试验装置仅仅是简单的把振动和冲击试验装置相配合，难以实现较高幅值的振动加载，所能实现冲击-振动复合力学环境特征不明显的缺点。该装置具有操作方便，可靠性高、复用性强等优点，为冲击-振动复合力学环境模拟提供了一种新的思路。

Claims (6)

1.一种自激式冲击-振动复合试验夹具，其特征在于：包括U型限位盖板（6）、固定座（7）、内壳体（8）、内腔隔板（9）、谐振组件和弹簧（14），固定座（7）顶面沿其水平方向的中轴线设有一个长条形凸起，一侧端面中心开有一个二阶盲孔，上述二阶盲孔靠近开口端的第一阶孔直径大，第二阶孔直径小，固定座（7）上与开有二阶盲孔的侧面相邻的一个侧面向开有二阶盲孔的侧面开设一方形开口，所述方形开口与第一阶孔相通，待测试件、内壳体（8）、内腔隔板（9）、谐振组件和弹簧（14）均设置在固定座（7）内，内壳体（8）为二阶圆筒，内腔隔板（9）为桶形，桶底外壁设有一圈第一环形凸起，待测试件设置在上述二阶圆筒直径大的筒内并通过内腔隔板（9）固连封口，直径小的筒伸出固定座（7），固定座（7）和内壳体（8）之间留有间隙，U型限位盖板（6）固定在固定座（7）的开口端，且卡住内壳体（8）的台阶面，防止内壳体（8）从固定座（7）中脱出；谐振组件套接于内腔隔板（9）的第一环形凸起，弹簧（14）一端抵住固定座（7）的第二阶孔底部，另一端抵住谐振组件，未受冲击时保持压缩状态，使得谐振组件与内腔隔板（9）紧密配合；

所述谐振组件包括谐振腔外壳（10）、M个谐振头（11）、N个悬臂弹片（12）、P个滑动支撑体（13），其中M=N=P，M=1,2,3……10，谐振腔外壳（10）为桶形，桶底外壁设有一圈第二环形凸起，桶底内壁自边缘向中心设有Q条滑槽，所述滑槽呈放射状且互不相通，Q=P，每个悬臂弹片（12）一端与谐振腔外壳（10）的桶壁固连，另一端顶面固定一个谐振头（11），每个滑槽中分别设有一个滑动支撑体（13），滑动支撑体（13）顶面与悬臂弹片（12）相切。

2.基于权利要求1所述的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，其特征在于：包括“几”字形基座（1）、固定机架（2）、滚柱直线导轨（3）、液压缸（4）、液压杆（5）、加速度传感器（15）、加速度传感器夹具（16）、光栅（17）、超声波传感器（18）、滑轨限位装置（19）和自激式冲击-振动复合试验夹具；

所述“几”字形基座（1）固定于地面，固定机架（2）固定于“几”字形基座（1）向上凸起的顶面，固定机架（2）为U形，U形开口朝向一侧，顶面沿水平中轴线自一端开有一个长条形开口，滚柱直线导轨（3）固定在固定机架（2）底面，滑轨限位装置（19）固定在固定机架（2）底面且抵住位于长条形开口端的滚柱直线导轨（3）边缘，导轨行程即为整个进给行程；自激式冲击-振动复合试验夹具底面固定在滚柱直线导轨（3）上，其顶面长条形凸起与固定机架（2）的长条形开口相配合，固定座（7）的开口端方向与固定机架（2）的开口方向相同，使得自激式冲击-振动复合试验夹具随滚柱直线导轨（3）完成进给和回退动作；所述液压缸（4）固定在固定机架（2）底面上，液压杆（5）一端与自激式冲击-振动复合试验夹具固定座（7）的外壁相连，另一端与液压缸（4）相连；加速度传感器（15）和光栅（17）均固定在加速度传感器夹具（16）上，加速度传感器夹具（16）固定在内壳体（8）直径小的筒端面上，用来获得待测试件整个过程中的加速度值，所述超声波传感器（18）通过支架固定在固定机架（2）的底面上，且与液压缸（4）同侧。

3.根据权利要求2所述的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，其特征在于：所述固定机架（2）U形开口背面设有4个加强筋加强固定。

4.根据权利要求2所述的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，其特征在于：所述长条形凸起的长度小于长条形开口的长度，使得长条形凸起沿长条形开口中滑动。

5.根据权利要求2所述的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，其特征在于：所述加速度传感器夹具（16）包括盖板、L形底座和连接柱，L形底座上有一个与加速度传感器（15）横截面形状大小相同的凹槽，盖板通过螺栓将加速度传感器（15）压紧在底座的凹槽内；L形底座底面设有连接柱，L形底座外壁上设有光栅（17），同步测量冲击-振动试验的过载加速度，同时，也可用来标定加速度传感器（15）；连接柱固定在内壳体（8）直径小的筒端面上，用来获得待测试件整个过程中的加速度值。

6.根据权利要求2所述的自激式冲击-振动复合试验夹具的进给装置，其特征在于：所述滚柱直线导轨（3）、固定机架（2）和滑轨限位装置（19）共同限制自激式冲击-振动复合试验夹具进给过程中其他方向的位移。