3 向可調節通用振動機構設計＊

林偉峰

（廈門市產品質量監督檢驗院，福建廈門 361000）

一個產品要獲得大眾的認可，功能和性能是一方面。環境適應性和可靠性決定著產品的使用范圍和使用壽命，直接影響功能和性能的發揮效果。據調查統計，產品損壞受振動影響而損壞的占14%。振動是重要的環境因素，幾乎所有的產品從產品設計、研制、生產全過程都要進行振動試驗。通過振動試驗發現產品結構、材料強度等問題，并進行改進，以滿足使用要求。

振動試驗時樣品需要通過振動機構固定在振動臺上，振動臺產生的振動應力通過振動機構不失真地傳遞到產品上。這就要求振動機構要有良好的傳遞特性，能較好地限定正交運動，這對振動機構的材料、工藝、結構要求很高。

由于不同產品的體積、質量不同，且安裝方式不一樣。一般企業進行振動試驗需要針對每個產品定制振動機構，制作完后需進行試驗驗證振動機構性能，如果不符合要求需要重新設計、制作和評估。如果未經評估直接進行振動試驗往往造成過試驗或者欠試驗，無法準確評估產品機械負荷相關的環境適應性和可靠性。

本文設計了一種3 向可調節的振動機構。通過模態分析和試驗評估，該機構的傳遞特性和橫向運動符合標準要求。該振動機構可以方便地進行調節，滿足一定范圍內各種尺寸樣品3 個軸向的振動需求，并且可以節約振動機構制作成本，縮短試驗時間。使用該機構進行試驗，產品機械負荷相關的環境適應性和可靠性評估的準確性也得到了保證。

1 振動機構設計要求

振動機構的基本作用是將試驗臺所產生的機械激勵不失真地傳遞給樣品，并且確保在樣品的固定點上滿足規范的要求。國內外振動試驗標準對于振動試驗中固定點的主要指標要求如下[1-4]。

橫向運動：正弦振動時，IEC 60068 和GB/T 2423相關標準要求小于或等于500 Hz 時，橫向運行的最大振幅不大于規定振幅的50%；超過500 Hz 時，不大于規定振幅的100%。隨機振動時，IEC 60068 和GB/T 2423 相關標準要求小于或等于500 Hz 時，橫向運行的加速度譜密度不應超出規定值的-3 dB；超過500 Hz 時，不應超出規定值，總加速度均方根值不應超過規定值的50%。

基本運動振幅容差：IEC 60068 和GB/T 2423 相關正弦振動標準要求基準點的控制信號偏差在±15%。檢查點的控制信號偏差小于或等于500 Hz 時，為±25%；超過500 Hz 時，為±50%。隨機振動標準要求基準點的控制信號偏差在試驗頻率范圍內為±3 dB，總的加速度均方根值不應偏離規定總的加速度均方根值的10%。

IEC 60068 和GB/T 2423 提出了振動機構（夾具）應不失真地傳遞機械能的要求。但目前并沒有標準提出如何實現這些要求，僅粗略給出了應該考慮的一些參數。如材料的選擇應考慮剛性和阻尼等參數，制作工藝包括螺栓連接、鉚接、鑄造、膠粘合等[5]。

國內外技術文獻提出了振動機構（夾具）設計的參數要求及不同的材料、工藝、結構（尺寸、重心）對這些參數的影響[6-7]。

2 3 向可調節通用振動機構設計

首先，根據3 向和可調節的特點進行了振動機構結構的初步設計；其次，根據振動機構所需，對振動試驗的試驗條件、振動臺的推力等參數進行了振動機構的參數設計；最后，根據經驗完善了設計并對振動機構的主要部分進行了模態分析，得到的振動機構固有頻率符合要求。

2.1 振動機構結構初步設計

為了解決通用性的問題，設計了一種雙層槽道結構。頂層槽道可在底層槽道上移動并用螺栓鎖緊固定在底層槽道上，實現X方向可調節。樣品在頂層槽道上移動并用螺栓鎖緊固定在頂層槽道上，實現Y方向可調節。如此，不同尺寸的試驗樣品就可以通過2 層槽道的調節鎖緊在振動機構上。此外，底層槽道采用銑槽的方式銑在底板上，提升槽道結構的剛性。雙層槽道結構如圖1 所示。

圖1 雙層槽道結構

為了實現多軸向并行，設計了一個立方體結構，如圖2 所示，可將多個雙層槽道結構同時鎖在立方體結構的不同面上。

圖2 立方體結構

2.2 振動機構結構參數設計

2.2.1 振動機構質量

振動機構質量公式為：

式中：m為振動機構質量的數值；b為常數，根據振動系統的動態特性取值，一般取0.8；F為振動臺推力的數值；a為加速度的數值；m1為樣品總質量的數值；m2為振動臺動圈質量的數值。

振動機構設計為在1 t 臺上使用，F為1 000 kgf（1 kgf≈9.8 N），加速度a為5g，m1為5 kg，m2為25 kg，計算可得m≤130 kg。一般來說振動機構的質量應不小于樣品質量的2～4 倍。前面設m1為5 kg，得到m≥20 kg，可得20 kg≤m≤130 kg。

2.2.2 振動機固有頻率

當試驗頻率從低頻接近振動機構固有頻率時，振動幅值將會放大（傳遞系數大于1）。試驗頻率超過振動機構固有頻率的1.414 倍時，振動幅值將會減少（傳遞系數小于1），也就是隔振現象。因此，需要振動機構有較高的一階固有頻率以避開傳遞系數異常放大或縮小的區域。一般情況下，需要將一階固有頻率設計在試驗最高頻率的154%。這里將試驗頻率的上限定為常見的試驗頻率上限，即2 000 Hz，振動機構的一階固有頻率fn≥3 080 Hz，公式如下：

式中：k為振動機構剛度的數值。

振動機構固有頻率與剛度成正比，與質量成反比。提升固有頻率，需要用較少的質量得到較好的剛度。因此，振動機構應該是一個鏤空形式的結構，材料和質量集中在提供剛性的骨架上。

2.2.3 振動機構重心和尺寸

為了避免傾翻力矩，振動機構的重心越低越好。振動機構近似為一個立方體，低重心的要求即應限制振動機構的尺寸。本項目根據日常試驗樣品情況和立方體機構的制作難度，將立方體機構的尺寸控制在25 cm×25 cm×25 cm 左右。此外，立方體結構的中心為對稱結構，可以使重心和幾何中心重合，有效減少偏心距和橫向運動。

2.2.4 振動機構固有阻尼和材料

振動機構應該有較小的機械Q值。阻尼越大，機械Q值越小。采用阻尼較大的鋁材來制作振動機構。整體鑄造工藝的阻尼高于鍛造，采用整體鑄造的工藝來進行立方體母機構制作。

2.3 振動機構設計和模態分析

結合上述參數分析，圖2 的結構質量和剛性不足，可以通過增加剛性骨架來同步提升質量和剛性。將立方體側面和頂面由鏤空面改為完成面，減少立方體支柱的負荷。振動臺動圈固定點（螺孔）為同心圓布局，結合立方體機構的尺寸，在立方體內部增加同心圓布局從底面直通頂面的支柱，如圖3 所示。其中，灰色孔位為與動圈螺孔匹配的沉孔，這些沉孔全部位于振動機構從地面直通頂面的支柱內。這種情況下，振動臺產生的應力從動圈上的螺孔直接通過與之匹配的支柱在最短距離內到達立方體頂面，有利于提升振動機構剛性。

圖3 立方體母機構內部支柱設計（底面）

按照改進后的設計對立方體母機構進行了模態分析。一階固有頻率為4 908×0.7=3 435 Hz，振型如圖4所示。符合前面分析參數時提出的一階固有頻率應大于3 080 Hz 的要求。

圖4 立方體機構模態分析

3 振動機構制作及試驗驗證

根據改進后的設計，用鋁材采用整體鑄造的工藝制作了新的立方體母機構和配套的3 個滑槽子機構。立方體機構質量為25 kg。槽道子機構質量為5.2 kg。立方體機構加3 個子機構滿載的情況下，質量為40.6 kg，符合20 kg≤m≤130 kg 的要求。

將3 個槽道子機構全部裝上立方體母機構，每個子機構上加裝樣品，樣品總質量達到5 kg，如圖5所示。

圖5 振動機構性能驗證

分別將傳感器固定在3 個軸向樣品的固定點處，在20～2 000 Hz 的頻率范圍內進行隨機振動，得到3個軸向樣品固定點的振動曲線，如圖6—圖8 所示。由圖可見，3 個軸向隨機振動的傳遞系數在20～2 000 Hz范圍內，皆未超出規定值功率譜密度的±3 dB 的范圍。橫向分量在500 Hz 以下低于目標值的-3 dB，500 Hz以上低于目標值，滿足相關標準要求（使用正弦振動驗與隨機試驗進行振動機構分析效果相當，隨機振動試驗相對便捷，這里只做隨機響應分析）。

圖6 頂面樣品固定點振動響應曲線

圖7 左側樣品固定點振動響應曲線

圖8 右側樣品固定點振動響應曲線

4 結束語

本文設計了一種3 向可調節的振動機構。通過模態分析和試驗評估，該機構的傳遞特性和橫向運動符合標準要求。該振動機構可以方便地進行調節，滿足一定范圍各種尺寸樣品3 個軸向的振動需求，并且可以節約振動機構制作成本，縮短試驗時間。使用該機構進行試驗，產品機械負荷相關的環境適應性和可靠性評估的準確性也得到了保證。