CN109402373A - 一种变截面形式的高频振动振幅放大装置 - Google Patents

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Abstract

变截面形式的高频振动振幅放大装置包括安装工件的工作平台、固定在电磁式激振器激振台面上的支撑平台、连接工作平台与支撑平台的变截面形式的连杆；所述的变截面形式的连杆为阶梯形的圆柱连杆；所述的阶梯形圆柱连杆的最大截面面积小于所述的工作平台和所述的支撑平台的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆的长度大于所述的工作平台和所述的支撑平台的厚度。本发明是将等截面圆柱连杆的高频振动振幅放大装置优化设计为阶梯形圆柱连杆的高频振动振幅放大装置，能够获得更好的振幅放大效果，改善高频振动时效效果，拓展高频振动时效的应用范围，且本发明优化的高频振动振幅放大装置具有结构简单，操作方便的优点。

Description

一种变截面形式的高频振动振幅放大装置
技术领域
本发明涉及高频振动时效技术领域，特指一种变截面形式的高频振动振幅放大装置。
技术背景
振动时效技术是利用输入的振动能量使工件产生塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。振动时效按频率的不同可分为低频振动时效技术(激振频率通常低于200Hz)、高频振动时效技术(激振频率高于1kHz)以及超声振动时效技术(激振频率高于20kHz)。在传统低频振动时效技术中通常采用大振幅的动应力，如果工艺参数设置不当很容易使待处理工件产生一定的疲劳损伤，且对于小尺寸工件的残余应力消除效果并不理想。针对传统低频振动时效技术的局限性，高频振动时效技术开始被提出并被研究。浙江大学何闻团队采用电磁式激振器设计的高频振动时效装置可以有效地消除小尺寸工件的残余应力，且残余应力的均化效果也更好。高频振动时效虽然在很大程度上弥补了低频振动时效的不足，但市场上普遍使用的电磁式激振器并不能提供足够大的振动能量，需要对其振幅进行放大才能进一步改善残余应力的消除效果，因此设计一种高频振动振幅放大装置已成为高频振动时效技术领域的一项关键技术。
目前对于高频振动振幅放大装置的连杆主要采用的是等截面圆柱连杆，振幅放大效果有限，从而导致高频振动时效效果很难进一步提高。因此，有必要对振幅放大装置的连杆截面形式进行设计，进一步提高振幅放大效果，从而进一步提高高频振动时效效果，拓展高频振动时效的应用范围。为了进一步提高高频振动振幅放大装置的放大效果，本发明提出一种变截面形式的高频振动振幅放大装置，即将等截面的圆柱连杆设计为变截面形式的圆柱连杆，克服了现有高频振动振幅放大装置的连杆为等截面圆柱连杆而导致的振幅放大效果有限的不足，能够进一步提高振幅放大效果，从而拓展高频振动时效的应用范围。
发明内容
针对现有高频振动振幅放大装置的连杆为等截面圆柱连杆而导致的振幅放大效果有限的不足，本发明提出一种变截面形式的高频振动振幅放大装置，即将等截面的圆柱连杆设计为变截面形式的圆柱连杆，能够进一步提高振幅放大效果，改善高频振动时效效果，从而达到拓展高频振动时效应用范围的目的。
变截面形式的高频振动振幅放大装置包括安装工件的工作平台、固定在电磁式激振器激振台面上的支撑平台、连接工作平台与支撑平台的变截面形式的连杆；所述的变截面形式的连杆为阶梯形的圆柱连杆；所述的阶梯形圆柱连杆的最大截面面积小于所述的工作平台和所述的支撑平台的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆的长度大于所述的工作平台和所述的支撑平台的厚度。
进一步，所述的工作平台、阶梯形的圆柱连杆和支撑平台一体成型。
或者，所述的阶梯形的圆柱连杆两端分别通过紧固件与工作平台和支撑平台固接。
进一步，所述的支撑平台为对称图形，支撑平台的质心与支撑平台的对称中心重合，且所述的支撑平台的对称中心与所述的电磁式激振器激振台面的对称中心重合；所述的电磁式激振器运动部件为空心圆柱体，运动部件的端面即为电磁式激振器的激振台面，即电磁式激振器的激振台面为圆形台面，所述的支撑平台的对称中心与所述的电磁式激振台面的对称中心重合，有利于在工作平台上获得较为均匀的振动能量。如果所述的支撑平台的对称中心与所述的电磁式激振器激振台面的对称中心不重合，会导致电磁式激振器运动部件产生偏斜，且电磁式激振器激振台面中心部分输出的振动能量比较均匀，偏离中心部分输出的能量变得不均匀，容易导致工作平台上获得的振动能量变得不均匀，会降低高频振动时效均化残余应力的效果。
进一步，所述的工作平台为对称图形，工作平台的质心与工作平台的对称中心重合。
进一步，所述的阶梯形圆柱连杆的轴线分别通过工作平台和支撑平台的对称中心。
进一步，所述的工作平台和所述的支撑平台均为圆柱体。
本发明的技术构思是：支撑平台固定在电磁式激振器激振台面上，且支撑平台的对称中心与电磁式激振器激振台面的对称中心重合；阶梯形圆柱连杆的下端连接支撑平台、上端连接工作平台，且阶梯形圆柱连杆的轴线分别通过工作平台和支撑平台的对称中心；工作平台用于安装待高频振动时效处理的工件；通过支撑平台、阶梯形圆柱连杆以及工作平台组成变截面形式的高频振动振幅放大装置。所述的工作平台和支撑平台均为对称图形，工作平台和支撑平台的对称中心分别与工作平台和支撑平台的对称中心重合，所述的阶梯形圆柱连杆的最大截面面积小于所述的工作平台和所述的支撑平台的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆的长度大于所述的工作平台和所述的支撑平台的厚度。
本发明的有益效果如下：
1、本发明设计的变截面形式的高频振动振幅放大装置具有结构简单、紧凑、放大效果好、便于应用的优点。
2、本发明将目前使用的等截面圆柱连杆的高频振动振幅放大装置优化设计为阶梯形圆柱连杆的高频振动振幅放大装置，能够获得更好的振幅放大效果，改善高频振动时效效果，拓展高频振动时效的应用范围。
附图说明
图1阶梯形的高频振动振幅放大装置示意图。
图2指数形的高频振动振幅放大装置示意图。
图3阶梯形的高频振动振幅放大装置安装示意图。
具体实施方式
实施例一
参照附图，进一步说明本发明：
变截面形式的高频振动振幅放大装置包括安装工件的工作平台A、固定在电磁式激振器激振台面D上的支撑平台C、连接工作平台A与支撑平台C的变截面形式的连杆B；所述的变截面形式的连杆B为阶梯形的圆柱连杆；所述的阶梯形圆柱连杆B的最大截面面积小于所述的工作平台A和所述的支撑平台C的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆B的长度大于所述的工作平台A和所述的支撑平台C的厚度。
进一步，所述的工作平台A、阶梯形的圆柱连杆B和支撑平台C一体成型。
或者，所述的阶梯形的圆柱连杆B两端分别通过紧固件与工作平台A和支撑平台C固接。
进一步，所述的支撑平台C为对称图形，支撑平台C的质心与支撑平台C的对称中心重合，且所述的支撑平台C的对称中心与所述的电磁式激振器激振台面D的对称中心重合；所述的电磁式激振器运动部件为空心圆柱体，运动部件的端面即为电磁式激振器的激振台面D，即电磁式激振器的激振台面D为圆形台面，所述的支撑平台C的对称中心与所述的电磁式激振台面D的对称中心重合，有利于在工作平台A上获得较为均匀的振动能量。如果所述的支撑平台C的对称中心与所述的电磁式激振器激振台面D的对称中心不重合，会导致电磁式激振器运动部件产生偏斜，且电磁式激振器激振台面D中心部分输出的振动能量比较均匀，偏离中心部分输出的能量变得不均匀，容易导致工作平台上获得的振动能量变得不均匀，会降低高频振动时效均化残余应力的效果。
进一步，所述的工作平台A为对称图形，工作平台A的质心与工作平台的对称中心重合。
进一步，所述的阶梯形圆柱连杆B的轴线分别通过工作平台A和支撑平台C的对称中心。
进一步，所述的工作平台A和所述的支撑平台C均为圆柱体。
本发明的技术构思是：支撑平台C固定在电磁式激振器激振台面D上，且支撑平台C的对称中心与电磁式激振器激振台面D的对称中心重合；阶梯形圆柱连杆B的下端连接支撑平台C、上端连接工作平台A，且阶梯形圆柱连杆B的轴线分别通过工作平台A和支撑平台C的对称中心；工作平台C用于安装待高频振动时效处理的工件；通过支撑平台C、阶梯形圆柱连杆B以及工作平台A组成变截面形式的高频振动振幅放大装置。所述的工作平台A和支撑平台C均为对称图形，工作平台A和支撑平台C的对称中心分别与工作平台A和支撑平台C的对称中心重合，所述的阶梯形圆柱连杆的最大截面面积小于所述的工作平台和所述的支撑平台的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆的长度大于所述的工作平台和所述的支撑平台的厚度。
假设阶梯形圆柱连杆B的长度为L。当电磁式激振器产生的激振频率等于该系统共振频率时，该放大装置会产生共振，从而工作平台A的振幅将大于支撑平台C的振幅，实现振幅放大的效果。本发明采用阶梯形圆柱连杆替代等截面圆柱连杆，进行高频振动振幅放大装置的优化设计。
所述的阶梯形圆柱连杆的圆截面半径的函数为
其中R1和R2分别为阶梯形圆柱连杆的下端圆截面半径与上端圆截面半径，L1为与半径R1相对应的圆柱体的长度，L2为与半径R2相对应的圆柱体的长度。
利用正交实验法与有限元仿真软件对该装置进行了优化设计，材料采用的是铝合金2A12，激振频率选用2.4kHz，在优化设计过程中圆柱体长度L1等于圆柱体长度L2。表1给出了振幅放大效果相对较好的两个方案。
表1优化设计方案及结果
与目前关于高频振动振幅放大装置优化设计的文献(高频振动能量放大装置的优化设计与实验研究，发表于振动与冲击杂志上)相比较，在相近的尺寸参数下，优化后的等截面圆柱连杆的高频振动振幅放大装置的振幅放大倍数在7-10之间，远小于阶梯形圆柱连杆的高频振动振幅放大装置的振幅放大倍数。
由此可见，与采用等截面圆柱连杆的高频振动振幅放大装置相比，采用阶梯形圆柱连杆的高频振动振幅放大装置，具有更好的振幅放大效果，能够进一步提高高频振动时效效果，对扩展高频振动时效应用范围具有极大的促进作用。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：所述的变截面形式的连杆截面形式为指数形。其余都相同。
假设指数形连杆B的长度为L。所述的指数形连杆圆截面半径的函数为
R＝R1e-βx (2)
式中R1和R2分别为指数形连杆B下端的截面半径与上端的截面半径。
等截面圆柱连杆的高频振动振幅放大装置的振幅放大效果与采用指数形连杆的高频振动振幅放大装置的振幅放大效果基本一致。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.变截面形式的高频振动振幅放大装置包括安装工件的工作平台、固定在电磁式激振器激振台面上的支撑平台、连接工作平台与支撑平台的变截面形式的连杆；所述的变截面形式的连杆为阶梯形的圆柱连杆；所述的阶梯形圆柱连杆的最大截面面积小于所述的工作平台和所述的支撑平台的截面面积；所述的阶梯形圆柱连杆的长度大于所述的工作平台和所述的支撑平台的厚度。
2.如权利要求1所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的工作平台、阶梯形的圆柱连杆和支撑平台一体成型。
3.如权利要求1所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的阶梯形的圆柱连杆两端分别通过紧固件与工作平台和支撑平台固接。
4.如权利要求1-3所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的支撑平台为对称图形，支撑平台的质心与支撑平台的对称中心重合，且所述的支撑平台的对称中心与所述的电磁式激振器激振台面的对称中心重合；所述的电磁式激振器运动部件为空心圆柱体，运动部件的端面即为电磁式激振器的激振台面，即电磁式激振器的激振台面为圆形台面，所述的支撑平台的对称中心与所述的电磁式激振台面的对称中心重合，有利于在工作平台上获得较为均匀的振动能量。
5.如权利要求1-4所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的工作平台为对称图形，工作平台的质心与工作平台的对称中心重合。
6.如权利要求1-5所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的阶梯形圆柱连杆的轴线分别通过工作平台和支撑平台的对称中心。
7.如权利要求1-6所述的变截面形式的高频振动振幅放大装置，其特征在于：所述的工作平台和所述的支撑平台均为圆柱体。
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