CN114001898A - 一种多自由度振动试验系统 - Google Patents

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杨志鹏
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刘德军
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Abstract

本发明公开了一种多自由度振动试验系统，包括隔振基础平台；隔振基础平台的顶部前后两端分别设置一个底座；每个底座的顶面分别与一个试验件安装块的底面相连；两个试验件安装块，分别与一个试验件的前后两端相连接；试验件的后端与水平向激振块的前端面相连接；水平向激振块的后端面，通过球铰与水平向作动器的前端相连接；水平向作动器的后端，通过球铰与承力支柱的前侧安装面上部相连接；水平向作动器的底部，位于千斤顶顶部的支撑端上；千斤顶的底部与作动器支撑柱顶部相连接；承力支柱和作动器支撑柱的底部连接隔振基础平台的顶部；本发明公开的多自由度振动试验系统，结构设计科学，能够实现对长、细外形产品进行多个自由度的振动试验。

Description

一种多自由度振动试验系统
技术领域
本发明涉及振动试验技术领域，特别是涉及一种多自由度振动试验系统。
背景技术
振动试验技术是现代工程技术中一项常见的试验手段，目的在于考核产品在各种复杂动态环境下保持原有性能的能力。
振动试验系统分为单自由度和多自由度等结构形式，其中，多自由度振动试验系统能够实现多自由度振动模拟环境，更加真实地模拟了试验件在实际使用过程中的环境工况，在各个领域有广泛应用。
在航空、航天、船舶等领域，多种规格的圆柱形产品比较常见，其外形具有长、细的特点。对于现有常规的振动试验系统，因其台面尺寸和激振位置的布置，适用长度比较短、质量和结构分布较为集中的试件。而对于长细型外形的产品，因产品质量分布较为分散，横向刚度较小，常规的振动试验系统无法模拟其真实工况，达不到振动试验考核的目的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种多自由度振动试验系统。
为此，本发明提供了一种多自由度振动试验系统，其特征在于，包括水平分布的隔振基础平台；
隔振基础平台的顶部前后两端，分别垂直设置有一个底座；
每个底座的顶面，分别与一个试验件安装块的底面相连接；
两个试验件安装块，分别与一个纵向分布的试验件的前后两端相连接；
试验件的后端，与一个水平向激振块的前端面相连接；
水平向激振块的后端面，通过一个球铰，与一个纵向分布的水平向作动器的前端相连接；
水平向作动器的后端，通过一个球铰，与一个承力支柱的前侧安装面上部相连接；
水平向作动器的底部，位于一个千斤顶顶部的支撑端上；
千斤顶的底部，与一个垂直分布的作动器支撑柱顶部相连接；
承力支柱和作动器支撑柱的底部，均固定连接隔振基础平台的顶部；
每个底座，分别包括底板、支撑柱、空气弹簧和扩展台面；
底板，通过螺栓与隔振基础平台的顶部固定连接；
扩展台面，位于底板的正上方；
底板和扩展台面之间，设置有一个垂向作动器；
垂向作动器的上下两端，分别安装一个球铰；
底板的上表面，通过螺栓与垂向作动器下端安装的球铰固定连接；
底板的顶部四角，分别安装有一个垂直分布的支撑柱；
每个支撑柱的顶端，安装一个空气弹簧；
空气弹簧的上表面，通过螺栓与扩展台面下表面的四个角对应连接；
垂向作动器上端安装的球铰，通过螺栓与扩展台面的下表面相连接；
扩展台面的上表面与试验件安装块的下表面相连接。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种多自由度振动试验系统，其结构设计科学，在结构上采用垂直方向双台同步并激的形式，配合水平向作动器(即水平向激振器)实现水平激振，同时采用机械解耦结构(即球铰)，最终能够实现对长、细外形产品进行多个自由度的振动试验，具有重大的实践意义。
通过应用本发明，可以经过控制，进行垂直方向振动、水平方向振动和俯仰摇摆三个自由度的单向或复合振动。
此外，本发明采用的在垂直方向的激振器(即垂直向作动器)，可向激振方向进行水平灵活移动，根据试验需求适应不同规格的产品。
与传统的多自由度振动试验系统相比，本系统运行可靠，制造成本较低，占地较小，可适用于多种规格的长、细外形产品的多自由度振动需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种多自由度振动试验系统的立体结构示意图；
图2为图1所示A部分的放大示意图；
图3为本发明提供的一种多自由度振动试验系统中，一个底座的立体结构示意图；
图4为本发明提供的一种多自由度振动试验系统中，一个底座的后视图；
图中：1.隔振基础平台，2.承力支柱，3.作动器支撑柱，4.千斤顶，5.球铰；
6.水平向作动器，7.水平向激振块，8.试验件，9.底座，10.垂向作动器；11.试验件安装块，12.底板，13.支撑柱，14.空气弹簧，15.扩展台面。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1至图4，本发明提供了一种多自由度振动试验系统，包括水平分布的隔振基础平台1；
隔振基础平台1的顶部前后两端，分别垂直设置有一个底座9；
每个底座9的顶面，分别与一个试验件安装块11的底面相连接；
两个试验件安装块11，分别与一个纵向分布的试验件8的前后两端相连接；
试验件8的后端(即尾端)，与一个水平向激振块7的前端面相连接(例如通过螺栓固定连接)；
水平向激振块7的后端面，通过一个球铰5，与一个纵向分布的水平向作动器6的前端相连接；
水平向作动器6的后端，通过一个球铰5，与一个承力支柱2的前侧安装面上部相连接；
水平向作动器6的底部，位于一个千斤顶4顶部的支撑端上；
千斤顶4的底部，与一个垂直分布的作动器支撑柱3顶部相连接；
承力支柱2和作动器支撑柱3的底部，均固定连接隔振基础平台1的顶部。
在本发明中，具体实现上，每个底座9，分别包括底板12、支撑柱13、空气弹簧14和扩展台面15；
底板12，通过螺栓与隔振基础平台1的顶部固定连接；
扩展台面15，位于底板12的正上方；
底板12和扩展台面15之间，设置有一个垂向作动器10；
垂向作动器10的上下两端，分别安装一个球铰5；
底板12的上表面，通过螺栓与垂向作动器10下端安装的球铰5固定连接(具体连接球铰的安装座)；
底板12的顶部四角，分别安装有一个垂直分布的支撑柱13；
每个支撑柱13的顶端，安装一个空气弹簧14；
空气弹簧14的上表面，通过螺栓与扩展台面15下表面的四个角对应连接；
垂向作动器10上端安装的球铰5，通过螺栓与扩展台面15的下表面(即作为安装面)相连接；
扩展台面15的上表面与试验件安装块11的下表面(即底面)相连接。
具体实现上，底板12下端，设置有前后贯通的凹槽120，方便叉车将其抬起。
具体实现上，底座9，通过螺钉与隔振基础平台1上的地轨紧固连接。
需要说明的是，对于本发明，底座9，用于垂向作动器10与隔振基础平台1之间的固定、移动。
在本发明中，具体实现上，两个底座9，为前后对称分布；
两个底座9内的垂向作动器10，为前后对称分布。
在本发明中，具体实现上，试验件安装块11，分为上下两部分，用于将试验件8环箍在其中间具有的试验件容纳孔中。
需要说明的是，试验件安装块11，用于固定扩展台面15和试验件8，分为上下两部分，通过螺钉将两部分连为整体，将试验件8环箍在中间。试验件安装块11的下端通过螺钉与扩展台面连接。
在本发明中，具体实现上，两套垂向作动器10配套的底座9的安装方式相同。
在本发明中，具体实现上，由承力支柱2、作动器支撑柱3和千斤顶4组成水平向承力工装，布置在试验件8的尾端(即后端)。
在本发明中，具体实现上，承力支柱2，为三角立柱的结构，在水平方向和垂直方向这两个方向具有较高的刚度。
具体实现上，承力支柱2的前侧安装面上，从上往下等间距设置有多个安装孔，可以适用多种规格的试验件。
具体实现上，承力支柱2的底面，通过螺栓与隔振基础平台1的顶部固定连接；
承力支柱2的前侧安装面，通过螺栓与水平向作动器6后端安装的球铰5固定连接(具体连接球铰的安装座)。
在本发明中，具体实现上，作动器支撑柱3，为空心的立柱形结构；
作动器支撑柱3的底部与隔振基础平台1固连，作动器支撑柱3的上端安装千斤顶4。
需要说明的是，作动器支撑柱3，用于非试验状态下的作动器支撑，其顶端为千斤顶4，可以根据需求升降水平向作动器6的高度。当在试验状态时，千斤顶4与水平向作动器6脱离接触，避免对水平向作动器6造成干扰。
在本发明中，具体实现上，千斤顶4顶部的支撑端，顶在水平向作动器6的重心位置，千斤顶4用于将水平向作动器6的高度，调节到保持在水平状态为准，与试验件8水平对齐。
在本发明中，具体实现上，水平向激振块7的形状，为内部中空的钟罩形状，此外，还可以是圆锥形状。
具体实现上，水平向激振块7的后端面是小端面，并且与水平向作动器6前端安装的球铰5固定连；
水平向激振块7的前端面是大端面，并且与试验件8的后端固定连接(例如通过螺栓固定连接)；
水平向激振块7，用于将水平向作动器6输出的点激振力，转换为均布面激振力，使试验件8受力均匀。
需要说明的是，水平向激振块7，用于连接水平向作动器6和试验件8，采用钟罩形的结构，能够将水平向作动器6输出的点激振力，转换为均布面激振力。
在本发明中，需要说明的是，水平向作动器6的前后两端和垂向作动器10的上下两端均安装一个球铰5。每套作动器两端的球铰5的安装方向一致，使安装球铰的作动器仅能向一个方向旋转摆动。
本发明共包含三个作动器。其中,垂直方向有两个同规格的作动器，用于实现垂直方向的双台同步并激和异步并激功能。水平方向有一个作动器，用于实现水平方向的激振(即激励振动)。
在本发明中，水平向作动器6以及垂向作动器10，均是伺服作动器，每个伺服作动器配套连接现有的电液伺服系统，由电液伺服系统提供高压的油液。现有电液伺服系统为现有公知的技术，在此不再赘述。
需要说明的是，作动器又名激振器，用于进行动力学试验，是动力学试验的常规的、公知的出力装置。水平向作动器6以及垂向作动器10采用的是现有的伺服液压缸，在本专利中是作为振动系统的执行机构。
需要说明的是，对于本发明，可以通过控制垂直方向的两个垂向作动器10进行异步振动(具体可以通过作动器配套的控制系统来控制)，以及同时控制水平向作动器6随两个垂直作动器10的振动进行随动运动时，可实现本系统的俯仰摇摆动作。具体实现上，作动器配套的控制系统中有现有的多通道控制算法，可实现该随动运动的具体控制。
对于本发明，具体实现上，振动试验系统在进行单向振动时，可以控制振动方向的作动器振动，同时控制另外一个方向的作动器随动运动，即可实现振动方向的复合振动。
在本发明中，需要说明的是，每个作动器(平向作动器6以及垂向作动器10)的两端各配备一套球铰，用于耦合运动的机械解耦。两端的球铰为同向安装，实现作动器该向自由度释放的同时，限制另一个水平向的自由度，保证作动器在振动试验进行的时候，不会向侧向倾倒。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面说明本发明的操作过程。
在振动试验前，根据试验件8的规格，确定垂直方向两个激振点(即两个垂向作动器10)的间距，调整两个垂向作动器10到激振点位置；
然后，将两个底座9顶部的扩展台面15通过试验件安装块11与试验件8固连，将水平向作动器6通过水平向激振块7与试验件8固连，以及将千斤顶4降低高度并脱离水平向作动器6。此时，可开始正式振动试验。
在试验结束后，千斤顶4升起，将水平向作动器6托至水平状态。松开扩展台面15与试验件安装块11之间的连接，以及水平向作动器6与水平向激振块7之间的连接。此时可将试验件8运走。
需要说明的是，本发明的多自由度振动试验系统，在不脱离本发明宗旨的前提下能做出各种变化和拓展，并不局限于航空、航天、船舶等领域的柱状产品。还可应用于有同类振动需求的各类规格和外形的产品，可以起到同等效果，本发明中未作详细描述。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种多自由度振动试验系统，其结构设计科学，在结构上采用垂直方向双台同步并激的形式，配合水平向作动器(即水平向激振器)实现水平激振，同时采用机械解耦结构(即球铰)，最终能够实现对长、细外形产品进行多个自由度的振动试验，具有重大的实践意义。
通过应用本发明，可以经过控制，进行垂直方向振动、水平方向振动和俯仰摇摆三个自由度的单向或复合振动。
此外，本发明采用的在垂直方向的激振器(即垂直向作动器)，可向激振方向进行水平灵活移动，根据试验需求适应不同规格的产品。
与传统的多自由度振动试验系统相比，本系统运行可靠，制造成本较低，占地较小，可适用于多种规格的长、细外形产品的多自由度振动需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多自由度振动试验系统，其特征在于，包括水平分布的隔振基础平台(1)；
隔振基础平台(1)的顶部前后两端，分别垂直设置有一个底座(9)；
每个底座(9)的顶面，分别与一个试验件安装块(11)的底面相连接；
两个试验件安装块(11)，分别与一个纵向分布的试验件(8)的前后两端相连接；
试验件(8)的后端，与一个水平向激振块(7)的前端面相连接；
水平向激振块(7)的后端面，通过一个球铰(5)，与一个纵向分布的水平向作动器(6)的前端相连接；
水平向作动器(6)的后端，通过一个球铰(5)，与一个承力支柱(2)的前侧安装面上部相连接；
水平向作动器(6)的底部，位于一个千斤顶(4)顶部的支撑端上；
千斤顶(4)的底部，与一个垂直分布的作动器支撑柱(3)顶部相连接；
承力支柱(2)和作动器支撑柱(3)的底部，均固定连接隔振基础平台(1)的顶部；
每个底座(9)，分别包括底板(12)、支撑柱(13)、空气弹簧(14)和扩展台面(15)；
底板(12)，通过螺栓与隔振基础平台(1)的顶部固定连接；
扩展台面(15)，位于底板(12)的正上方；
底板(12)和扩展台面(15)之间，设置有一个垂向作动器(10)；
垂向作动器(10)的上下两端，分别安装一个球铰(5)；
底板(12)的上表面，通过螺栓与垂向作动器(10)下端安装的球铰(5)固定连接；
底板(12)的顶部四角，分别安装有一个垂直分布的支撑柱(13)；
每个支撑柱(13)的顶端，安装一个空气弹簧(14)；
空气弹簧(14)的上表面，通过螺栓与扩展台面(15)下表面的四个角对应连接；
垂向作动器(10)上端安装的球铰(5)，通过螺栓与扩展台面(15)的下表面相连接；
扩展台面(15)的上表面与试验件安装块(11)的下表面相连接。
2.如权利要求1所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，底板(12)下端，设置有前后贯通的凹槽(120)，方便叉车将其抬起。
3.如权利要求1所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，两个底座(9)，为前后对称分布；
两个底座(9)内的垂向作动器(10)，为前后对称分布。
4.如权利要求1所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，承力支柱(2)，为三角立柱的结构。
5.如权利要求1所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，承力支柱(2)的前侧安装面上，从上往下等间距设置有多个安装孔。
6.如权利要求1所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，作动器支撑柱(3)，为空心的立柱形结构。
7.如权利要求1至6中任一项所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，水平向激振块(7)的形状，为内部中空的钟罩形状。
8.如权利要求7所述的多自由度振动试验系统，其特征在于，水平向激振块(7)的后端面是小端面，并且与水平向作动器(6)前端安装的球铰(5)固定连；
水平向激振块(7)的前端面是大端面，并且与试验件(8)的后端固定连接；
水平向激振块(7)，用于将水平向作动器(6)输出的点激振力，转换为均布面激振力，使试验件(8)受力均匀。
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