CN113701970A - 一种自平衡离心振动试验设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自平衡离心振动试验设备，包括一底板、一第一电机、一第一联轴器和一传动齿轮箱，第一电机和传动齿轮箱均设置在底板上，第一电机的输出轴通过第一联轴器与传动齿轮箱的输入轴连接，在传动齿轮箱上设置中心旋转轴并连接传动齿轮箱的输出轴，在中心旋转轴上设置随着中心旋转轴旋转的旋转臂，在旋转臂的第一端设置试验件，在旋转臂的第二端设置自平衡配重装置，还包括测量旋转臂的第一端或旋转臂的第二端相对于X‑Y平面的偏移状态的平衡测量装置以及与平衡测量装置、自平衡配重装置和第一电机相连的控制系统。上述结构设计避免了生产不同配重块以及安装和卸载配重块带来的时间、人力和费用成本，提高了离心振动试验的可靠性。

Description

一种自平衡离心振动试验设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及力学环境试验设备领域，特别是涉及一种自平衡离心振动试验设备及其控制方法。

背景技术

有一些产品在实际使用中所面临的工作环境同时包含振动与离心因素，如运行的车辆、旋转机械和抛射体所产生的作用下产生的强大离心力；航天器在绕地球轨道运转时，飞机在爬升、俯冲和盘旋时，战略导弹在主动段和通过再入段时，其内部设备和装置受到离心加速度过载和发动机复合作用。诸如此类工作环境中同时包含振动与离心因素的产品，振动、离心的综合效应可包括这些单独引起的所有效应，并且振动、离心综合环境可能相互影响，产生在任何单一环境不出现的综合效应。因此针对于此类产品，要想最大限度地模拟真实的工作环境从而达到良好的试验效果，就必须同时进行振动、离心试验，否则单一的振动试验或离心试验将忽略某些综合环境应力，无法达到全面的试验效果。离心振动试验设备用于模拟加速度力学环境，广泛的用于汽车零部件、电子元器件、航空航天产品等工作环境同时包含振动与离心因素的产品。

根据调研，当前振动-离心复合环境试验系统比较少，世界上以及国内仅个别厂家能生产振动-离心复合试验系统，但是常规的离心振动试验设备由一个电机、一个减速机、一个转臂、一个旋转轴和若干配重负载等组成。试件安装在离心机悬臂的一侧，配重负载安装在离心机转臂的另一侧。试验进行时，离心机转臂高速旋转，使得试件收到一个离心加振动的力的作用。目前，常规的离心振动试验设备面临的一个难处是：每次试验需要根据试件的不同，在转臂的另一侧需要安装相同重量的负载。这样，不仅花费大量时间安装配重负载，而且制造不同质量的负载也增加费用成本和时间成本。

发明内容

本发明的一个目的是简化离心振动试验设备测试过程中配重负载安装繁琐的问题；

本发明的另一个目的是降低因生产不同配重负载增加的费用成本和时间成本的问题。

为实现上述目的，本申请是通过如下技术方案实现的。

本申请提供了一种自平衡离心振动试验设备，包括一底板、一第一电机、一第一联轴器和一传动齿轮箱，所述第一电机和所述传动齿轮箱均设置在所述底板上，所述第一电机的输出轴通过所述第一联轴器与所述传动齿轮箱的输入轴连接，在所述传动齿轮箱上设置中心旋转轴并连接所述传动齿轮箱的输出轴，在所述中心旋转轴上设置随着所述中心旋转轴旋转的旋转臂，在所述旋转臂的第一端设置试验件，在所述旋转臂的第二端设置自平衡配重装置，还包括测量所述旋转臂的第一端或所述旋转臂的第二端相对于X-Y平面的偏移状态的平衡测量装置以及与所述平衡测量装置、所述自平衡配重装置和所述第一电机相连的控制系统。

在本申请一个较佳实施例中，所述自平衡配重装置包括设置在所述旋转臂的第二端的一第二电机、一第二联轴器、一丝杆以及设于所述丝杆上的一滑块，在所述滑块上设置配重块，所述第二电机与所述控制系统相连，该第二联轴器在第二电机的作用下通过丝杆带动所述滑块在所述丝杆上往复移动。

在本申请一个较佳实施例中，所述自平衡配重装置还包括设置在所述旋转臂的第二端的导轨，所述配重块设置于所述导轨上，所述导轨与所述丝杆配合引导所述配重块的移动路径。

在本申请一个较佳实施例中，所述配重块上设有导向孔和和丝杆孔，所述配重块通过导向孔设置于所述导轨上，所述配重块通过丝杆孔设置于所述丝杆上，所述滑块设置于所述丝杆孔内并位于所述配重块与所述丝杆接触处。

在本申请一个较佳实施例中，在所述旋转臂的第一端设置一安装平台，在所述安装平台上安装所述试验件。

在本申请一个较佳实施例中，所述旋转臂包括至少一根支撑梁。

在本申请一个较佳实施例中，所述旋转臂包括平行设置的第一支撑梁和第二支撑梁，在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁之间设置中心板，并通过所述中心板将所述第一支撑梁和所述第二支撑梁设置于所述中心旋转轴上。

在本申请一个较佳实施例中，所述第一支撑梁的第一端和所述第二支撑梁的第一端通过第一连接板连接，所述第一支撑梁的第二端和所述第二支撑梁的第二端通过第二连接板连接。

在本申请一个较佳实施例中，在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁之间还设有至少一个第一加强件。

为实现上述目的，本申请还提供了一种自平衡离心振动试验设备的控制方法，该控制方法应用于上述所述的自平衡离心振动试验设备，包括如下步骤：

S1、在旋转臂的第一端安装试验件；

S2、平衡测量装置测量旋转臂的第一端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第一偏移量或旋转臂的第二端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第二偏移量，并将第一偏移量和第二偏移量的测量数据传送到控制系统；

S3、控制系统控制位于旋转臂的第二端的自平衡配重装置进行调整，使旋转臂的第一端和旋转臂的第二端均位于X-Y平面上；

S4、控制系统控制第一电机对试验件进行离心振动试验。

在本申请一个较佳实施例中，步骤S3中，自平衡配重装置包括设置在所述旋转臂的第二端的一第二电机、一第二联轴器、一丝杆以及设于所述丝杆上的一滑块，在所述滑块上设置配重块，所述第二电机与所述控制系统相连，自平衡配重装置进行调整的步骤如下：第二电机根据接收到的控制系统发送的控制信号驱动第二联轴器和丝杆使滑块和配重块从丝杆上的初始位置移动到目标位置，使旋转臂的第一端和旋转臂的第二端在目标位置时均位于X-Y平面上。

本申请的有益效果在于：本申请设计了一种自平衡离心振动试验设备，包括自平衡配重装置、平衡测量装置以及控制系统，能自动调整位于旋转臂上与试验件所在旋转臂的第一端相对的旋转臂的第二端上的负载，避免了生产不同配重块以及安装和卸载配重块带来的时间、人力和费用成本。且由控制系统控制自平衡配重装置调整负载，精度高，提高了离心振动试验的可靠性，进而保证了试验的顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为自平衡离心振动试验设备的立体结构示意图；

图2为自平衡离心振动试验设备俯视结构示意图；

图3为自平衡离心振动试验设备的旋转臂和自平衡配重装置的立体结构示意图；

图4为自平衡离心振动试验设备的旋转臂和自平衡配重装置的俯视结构示意图；

图中：1、底板；2、第一电机；3、第一联轴器；4、传动齿轮箱；5、中心旋转轴；6、旋转臂；7、试验件；8、自平衡配重装置；61、第一加强件；62、导轨；63、第一连接板；64、第二连接板；65、中心板；71、安装平台；81、第二电机；82、第二联轴器；83、丝杆；84、配重块；85、滑块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1至图2，为本申请的自平衡离心振动试验设备，包括一底板1、一第一电机2、一第一联轴器3和一传动齿轮箱4，第一电机2和传动齿轮箱4均设置在底板1上，第一电机2的输出轴通过第一联轴器3与传动齿轮箱4的输入轴连接，在传动齿轮箱4上设置中心旋转轴5并连接传动齿轮箱4的输出轴，在中心旋转轴5的内部安装导电环，在中心旋转轴5上设置随着中心旋转轴5旋转的旋转臂6，在旋转臂6的第一端设置试验件7，在旋转臂6的第二端设置自平衡配重装置8，还包括测量旋转臂6的第一端或旋转臂6的第二端相对于X-Y平面的偏移状态的平衡测量装置以及与平衡测量装置、自平衡配重装置8和第一电机2相连的控制系统。为便于说明，本申请设定以中心旋转轴5轴线为Z轴，以垂直于中心旋转轴5轴线的平面为X-Y平面的三维坐标系。

在一些具体的实施方式中，平衡测量装置可以为分别设置于中心旋转轴5两侧的应变计。当在旋转臂6的第一端安装试验件7后，由于旋转臂6两侧的力矩不平衡，导致中心旋转轴5两侧的应变计受力不等，应变计与控制系统相连，应变计测量的受力的数据传送到控制系统，从而开展下步自平衡配重装置8的调整。在一些具体的实施方式中，传动齿轮箱4可以为但不仅仅限于减速箱、加速箱、变速箱等中的任意一种。在一些具体的实施方式中，平衡测量装置还可以为丝式电阻应变片、箔式电阻应变片等，还可以是其它可以测量力矩的传感器。

使用时，平衡测量装置测量旋转臂6的第一端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第一偏移量或旋转臂6的第二端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第二偏移量。若第一偏移量为沿着Z轴的正方向，第二偏移量为沿着Z轴的负方向，则调控自平衡配重装置8减轻旋转臂6的第二端的负载量；若第一偏移量为沿着Z轴的负方向，第二偏移量为沿着Z轴的正方向，则调控自平衡配重装置8增加旋转臂6的第二端的负载量。按上述步骤重复调控自平衡配重装置8，最终使旋转臂6的第一端和旋转臂6的第二端均位于X-Y平面上，即：旋转臂6的第一端沿着Z轴方向未发生偏移，旋转臂6的第二端沿着Z轴方向也未发生偏移。

在一些实施例中，参考图2，自平衡配重装置8包括设置在旋转臂6的第二端的一第二电机81、一第二联轴器82、一丝杆83以及设于丝杆83上的一滑块85，在滑块85上设置配重块84，第二电机81与控制系统相连，该第二联轴器82在第二电机81的作用下通过丝杆83带动滑块85在丝杆83上往复移动。该结构设计是依据杠杆原理，杠杆平衡是指杠杆在动力和阻力作用下处于静止状态下或者匀速转动的状态下。若杠杆上只有两个力：动力×支点到动力作用线的距离＝阻力×支点到阻力作用线的距离，即动力×动力臂＝阻力×阻力臂，即F1×L1＝F2×L2。本申请中，F1代表试验件7的重力，F2代表配重块84的重力，L1代表试验件7到中心旋转轴5轴线的距离，L2代表配重块84到中心旋转轴5轴线的距离。为使旋转臂6的第一端和旋转臂6的第二端均位于X-Y平面上，本申请主要是通过调整配重块84在X-Y平面上到中心旋转轴5轴线的距离来实现的。此外，还可在旋转臂6上设置第二电机81的电机安装板和丝杆83的丝杆安装板，第二电机81安装在电机安装板上，丝杆83安装在丝杆安装板上，第二电机81和丝杆83之间通过第二联轴器连接，丝杆83和滑块85形成传动机构。

使用时，首先，将试验件7安装到旋转臂6的第一端；其次，应用平衡测量装置测量旋转臂6的第一端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第一偏移量或旋转臂6的第二端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第二偏移量；再次，将平衡测量装置的测量数据传递到控制系统，控制系统再向第二电机81传递控制信号，第二电机81根据平衡测量装置的测量数据调整配重块84到中心旋转轴5轴线的距离，利用杠杆原理使旋转臂6的第一端沿着Z轴方向未发生偏移，旋转臂6的第二端沿着Z轴方向也未发生偏移。此外，根据待测的试验件7，本申请中的配重块84也可以进行调整，这样可以针对较大质量范围的试验件7进行离心振动试验。

在一些具体的实施例中，参考图4，自平衡配重装置8还可包括设置在所述旋转臂6的第二端的导轨62，所述配重块84设置于所述导轨62上，所述导轨62与所述丝杆83配合引导所述配重块84的移动路径。导轨62的作用主要是使配重块84在X-Y平面上沿着X轴正向或负向移动，但若是配重块84的形状不规则或设置到丝杆83上的位置并未居于中心点或重心点处，配重块84在丝杆83上发生转动时，极易影响测量的精度，且针对重量较大的配重块84时，丝杆83的支撑强度也不够，容易使丝杆83发生弯曲而影响测试。因此，增设导轨62，一方面配合丝杆83引导配重块84的移动路径，另一方面对配重块84也起支撑作用，保证配重块84在X-Y平面上稳定的沿着X轴正向或负向移动，提高测试精度。

在一些具体的实施例中，参考图3，配重块84上设有导向孔和和丝杆孔，配重块84通过导向孔设置于导轨62上，配重块84通过丝杆孔设置于丝杆83上，滑块85设置于丝杆孔内并位于配重块84与丝杆83接触处。这种结构设计保证了配重块84移动的稳定性。优选的，配重块84与导轨62之间间隙配合，配重块84与滑块85之间过盈配合。

在一些具体的实施例中，参考图3和图4，在旋转臂6的第一端设置一安装平台71，在安装平台71上安装试验件7。安装平台71上设置用于安装试验件7的螺纹孔，螺纹孔按阵列或非阵列结构进行排布。考虑到试验件7的安装拆卸非常频繁，这种结构设计便于安装和拆卸试验件7，节省时间和操作步骤，且安装平台71的设计避免了试验件7与旋转臂6的第一端直接接触造成的摩损，从而提升了自平衡离心振动试验设备的使用寿命。

在一些具体的实施例中，旋转臂6包括至少一根支撑梁。优选的，参考图2至图4，旋转臂6包括平行设置的第一支撑梁和第二支撑梁，在第一支撑梁和第二支撑梁之间设置中心板65，在中心板65的中心设有通孔，在通孔内设置中心旋转轴5。如图3和图4所示，第一支撑梁、第二支撑梁和中心板65均位于X-Y平面上，中心旋转轴5轴线沿着Z轴的正负方向。

在一些具体的实施例中，在第一支撑梁的第一端和第二支撑梁的第一端通过第一连接板63连接，所述第一支撑梁的第二端和所述第二支撑梁的第二端通过第二连接板64连接。更优选的，在第一支撑梁和第二支撑梁之间还设有至少一个第一加强件61。在中心板65与第一支撑梁和第二支撑梁之间还设有至少一个第二加强件。第一加强件61和/或第二加强件为加强筋。进一步的，如图3和图4所示，在所述第一支撑梁的第二端与第二连接板64之间设置第一导轨，在所述第二支撑梁的第二端与第二连接板64之间设置第二导轨，配重块84上设有安装第一导轨的第一导轨孔和安装第二导轨的第二导轨孔。优选的，第一导轨孔和第二导轨孔对称设于丝杆孔的两侧，丝杆孔位于配重块84上安装滑块85的位置处，第一导轨孔或第二导轨孔位于配重块84上丝杆孔的任意一侧。优选的，在第一导轨孔内还可以设有第一导向块，第一导向块与配重块84之间为过盈配合，第一导向块与第一导轨之间为间隙配合；在第二导轨孔内还可以设有第二导向块，第二导向块与配重块84之间为过盈配合，第二导向块与第二导轨之间为间隙配合。第一导向块的作用是避免第一导轨与配重块84之间的摩损，第二导向块的作用是避免第二导轨与配重块84之间的摩损。

基于上述自平衡离心振动试验设备，本申请还提供了一种自平衡离心振动试验设备的控制方法，包括如下S1-S4步骤：S1、在旋转臂6的第一端安装试验件7；S2、平衡测量装置测量旋转臂6的第一端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第一偏移量或旋转臂6的第二端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第二偏移量，并将第一偏移量和第二偏移量的测量数据传送到控制系统；S3、根据第一偏移量和第二偏移量的测量数据，控制系统控制位于旋转臂6的第二端的自平衡配重装置8进行调整，使旋转臂6的第一端和旋转臂6的第二端均位于X-Y平面上；S4、控制系统控制第一电机2对试验件7进行离心振动试验。

在一些具体的实施例中，步骤S3中，自平衡配重装置8包括设置在所述旋转臂6的第二端的一第二电机81、一第二联轴器82、一丝杆83以及设于所述丝杆83上的一滑块85，在所述滑块85上设置配重块84，所述第二电机81与所述控制系统相连，自平衡配重装置8进行调整的步骤如下：第二电机81根据接收到的控制系统发送的控制信号驱动第二联轴器82和丝杆83使滑块85和配重块84从丝杆83上的初始位置移动到目标位置，使旋转臂6的第一端和旋转臂6的第二端均位于X-Y平面上。初始位置为在旋转臂6的第一端安装完试验件7之后，滑块85和配重块84在丝杆83上所处的位置，目标位置为使旋转臂6的第一端和旋转臂6的第二端均位于X-Y平面上时，滑块85和配重块84在丝杆83上所处的位置。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。

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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (11)

1.一种自平衡离心振动试验设备，包括一底板、一第一电机、一第一联轴器和一传动齿轮箱，所述第一电机和所述传动齿轮箱均设置在所述底板上，所述第一电机的输出轴通过所述第一联轴器与所述传动齿轮箱的输入轴连接，在所述传动齿轮箱上设置中心旋转轴并连接所述传动齿轮箱的输出轴，其特征在于，在所述中心旋转轴上设置随着所述中心旋转轴旋转的旋转臂，在所述旋转臂的第一端设置试验件，在所述旋转臂的第二端设置自平衡配重装置，还包括测量所述旋转臂的第一端或所述旋转臂的第二端相对于X-Y平面的偏移状态的平衡测量装置以及与所述平衡测量装置、所述自平衡配重装置和所述第一电机相连的控制系统。

2.如权利要求1所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述自平衡配重装置包括设置在所述旋转臂的第二端的一第二电机、一第二联轴器、一丝杆以及设于所述丝杆上的一滑块，在所述滑块上设置配重块，所述第二电机与所述控制系统相连，该第二联轴器在第二电机的作用下通过丝杆带动所述滑块在所述丝杆上往复移动。

3.如权利要求2所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述自平衡配重装置还包括设置在所述旋转臂的第二端的导轨，所述配重块设置于所述导轨上，所述导轨与所述丝杆配合引导所述配重块的移动路径。

4.如权利要求3所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述配重块上设有导向孔和和丝杆孔，所述配重块通过导向孔设置于所述导轨上，所述配重块通过丝杆孔设置于所述丝杆上，所述滑块设置于所述丝杆孔内并位于所述配重块与所述丝杆接触处。

5.如权利要求1所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，在所述旋转臂的第一端设置一安装平台，在所述安装平台上安装所述试验件。

6.如权利要求5所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述旋转臂包括至少一根支撑梁。

7.如权利要求6所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述旋转臂包括平行设置的第一支撑梁和第二支撑梁，在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁之间设置中心板，并通过所述中心板将所述第一支撑梁和所述第二支撑梁设置于所述中心旋转轴上。

8.如权利要求7所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，所述第一支撑梁的第一端和所述第二支撑梁的第一端通过第一连接板连接，所述第一支撑梁的第二端和所述第二支撑梁的第二端通过第二连接板连接。

9.如权利要求7所述的自平衡离心振动试验设备，其特征在于，在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁之间还设有至少一个第一加强件。

10.一种自平衡离心振动试验设备的控制方法，其特征在于，该控制方法应用于权利要求1-9任意一项所述的自平衡离心振动试验设备，包括如下步骤：

S1、在旋转臂的第一端安装试验件；

S2、平衡测量装置测量旋转臂的第一端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第一偏移量或旋转臂的第二端沿着Z轴方向相对于X-Y平面的第二偏移量，并将第一偏移量和第二偏移量的测量数据传送到控制系统；

S3、控制系统控制位于旋转臂的第二端的自平衡配重装置进行调整，使旋转臂的第一端和旋转臂的第二端均位于X-Y平面上；

S4、控制系统控制第一电机对试验件进行离心振动试验。

11.如权利要求10所述的自平衡离心振动试验设备的控制方法，其特征在于，步骤S3中，自平衡配重装置包括设置在所述旋转臂的第二端的一第二电机、一第二联轴器、一丝杆以及设于所述丝杆上的一滑块，在所述滑块上设置配重块，所述第二电机与所述控制系统相连，自平衡配重装置进行调整的步骤如下：第二电机根据接收到的控制系统发送的控制信号驱动第二联轴器和丝杆使滑块和配重块从丝杆上的初始位置移动到目标位置，使旋转臂的第一端和旋转臂的第二端在目标位置时均位于X-Y平面上。

Images