3 向可调节通用振动机构设计＊

林伟峰

（厦门市产品质量监督检验院，福建厦门 361000）

一个产品要获得大众的认可，功能和性能是一方面。环境适应性和可靠性决定着产品的使用范围和使用寿命，直接影响功能和性能的发挥效果。据调查统计，产品损坏受振动影响而损坏的占14%。振动是重要的环境因素，几乎所有的产品从产品设计、研制、生产全过程都要进行振动试验。通过振动试验发现产品结构、材料强度等问题，并进行改进，以满足使用要求。

振动试验时样品需要通过振动机构固定在振动台上，振动台产生的振动应力通过振动机构不失真地传递到产品上。这就要求振动机构要有良好的传递特性，能较好地限定正交运动，这对振动机构的材料、工艺、结构要求很高。

由于不同产品的体积、质量不同，且安装方式不一样。一般企业进行振动试验需要针对每个产品定制振动机构，制作完后需进行试验验证振动机构性能，如果不符合要求需要重新设计、制作和评估。如果未经评估直接进行振动试验往往造成过试验或者欠试验，无法准确评估产品机械负荷相关的环境适应性和可靠性。

本文设计了一种3 向可调节的振动机构。通过模态分析和试验评估，该机构的传递特性和横向运动符合标准要求。该振动机构可以方便地进行调节，满足一定范围内各种尺寸样品3 个轴向的振动需求，并且可以节约振动机构制作成本，缩短试验时间。使用该机构进行试验，产品机械负荷相关的环境适应性和可靠性评估的准确性也得到了保证。

1 振动机构设计要求

振动机构的基本作用是将试验台所产生的机械激励不失真地传递给样品，并且确保在样品的固定点上满足规范的要求。国内外振动试验标准对于振动试验中固定点的主要指标要求如下[1-4]。

横向运动：正弦振动时，IEC 60068 和GB/T 2423相关标准要求小于或等于500 Hz 时，横向运行的最大振幅不大于规定振幅的50%；超过500 Hz 时，不大于规定振幅的100%。随机振动时，IEC 60068 和GB/T 2423 相关标准要求小于或等于500 Hz 时，横向运行的加速度谱密度不应超出规定值的-3 dB；超过500 Hz 时，不应超出规定值，总加速度均方根值不应超过规定值的50%。

基本运动振幅容差：IEC 60068 和GB/T 2423 相关正弦振动标准要求基准点的控制信号偏差在±15%。检查点的控制信号偏差小于或等于500 Hz 时，为±25%；超过500 Hz 时，为±50%。随机振动标准要求基准点的控制信号偏差在试验频率范围内为±3 dB，总的加速度均方根值不应偏离规定总的加速度均方根值的10%。

IEC 60068 和GB/T 2423 提出了振动机构（夹具）应不失真地传递机械能的要求。但目前并没有标准提出如何实现这些要求，仅粗略给出了应该考虑的一些参数。如材料的选择应考虑刚性和阻尼等参数，制作工艺包括螺栓连接、铆接、铸造、胶粘合等[5]。

国内外技术文献提出了振动机构（夹具）设计的参数要求及不同的材料、工艺、结构（尺寸、重心）对这些参数的影响[6-7]。

2 3 向可调节通用振动机构设计

首先，根据3 向和可调节的特点进行了振动机构结构的初步设计；其次，根据振动机构所需，对振动试验的试验条件、振动台的推力等参数进行了振动机构的参数设计；最后，根据经验完善了设计并对振动机构的主要部分进行了模态分析，得到的振动机构固有频率符合要求。

2.1 振动机构结构初步设计

为了解决通用性的问题，设计了一种双层槽道结构。顶层槽道可在底层槽道上移动并用螺栓锁紧固定在底层槽道上，实现X方向可调节。样品在顶层槽道上移动并用螺栓锁紧固定在顶层槽道上，实现Y方向可调节。如此，不同尺寸的试验样品就可以通过2 层槽道的调节锁紧在振动机构上。此外，底层槽道采用铣槽的方式铣在底板上，提升槽道结构的刚性。双层槽道结构如图1 所示。

图1 双层槽道结构

为了实现多轴向并行，设计了一个立方体结构，如图2 所示，可将多个双层槽道结构同时锁在立方体结构的不同面上。

图2 立方体结构

2.2 振动机构结构参数设计

2.2.1 振动机构质量

振动机构质量公式为：

式中：m为振动机构质量的数值；b为常数，根据振动系统的动态特性取值，一般取0.8；F为振动台推力的数值；a为加速度的数值；m1为样品总质量的数值；m2为振动台动圈质量的数值。

振动机构设计为在1 t 台上使用，F为1 000 kgf（1 kgf≈9.8 N），加速度a为5g，m1为5 kg，m2为25 kg，计算可得m≤130 kg。一般来说振动机构的质量应不小于样品质量的2～4 倍。前面设m1为5 kg，得到m≥20 kg，可得20 kg≤m≤130 kg。

2.2.2 振动机固有频率

当试验频率从低频接近振动机构固有频率时，振动幅值将会放大（传递系数大于1）。试验频率超过振动机构固有频率的1.414 倍时，振动幅值将会减少（传递系数小于1），也就是隔振现象。因此，需要振动机构有较高的一阶固有频率以避开传递系数异常放大或缩小的区域。一般情况下，需要将一阶固有频率设计在试验最高频率的154%。这里将试验频率的上限定为常见的试验频率上限，即2 000 Hz，振动机构的一阶固有频率fn≥3 080 Hz，公式如下：

式中：k为振动机构刚度的数值。

振动机构固有频率与刚度成正比，与质量成反比。提升固有频率，需要用较少的质量得到较好的刚度。因此，振动机构应该是一个镂空形式的结构，材料和质量集中在提供刚性的骨架上。

2.2.3 振动机构重心和尺寸

为了避免倾翻力矩，振动机构的重心越低越好。振动机构近似为一个立方体，低重心的要求即应限制振动机构的尺寸。本项目根据日常试验样品情况和立方体机构的制作难度，将立方体机构的尺寸控制在25 cm×25 cm×25 cm 左右。此外，立方体结构的中心为对称结构，可以使重心和几何中心重合，有效减少偏心距和横向运动。

2.2.4 振动机构固有阻尼和材料

振动机构应该有较小的机械Q值。阻尼越大，机械Q值越小。采用阻尼较大的铝材来制作振动机构。整体铸造工艺的阻尼高于锻造，采用整体铸造的工艺来进行立方体母机构制作。

2.3 振动机构设计和模态分析

结合上述参数分析，图2 的结构质量和刚性不足，可以通过增加刚性骨架来同步提升质量和刚性。将立方体侧面和顶面由镂空面改为完成面，减少立方体支柱的负荷。振动台动圈固定点（螺孔）为同心圆布局，结合立方体机构的尺寸，在立方体内部增加同心圆布局从底面直通顶面的支柱，如图3 所示。其中，灰色孔位为与动圈螺孔匹配的沉孔，这些沉孔全部位于振动机构从地面直通顶面的支柱内。这种情况下，振动台产生的应力从动圈上的螺孔直接通过与之匹配的支柱在最短距离内到达立方体顶面，有利于提升振动机构刚性。

图3 立方体母机构内部支柱设计（底面）

按照改进后的设计对立方体母机构进行了模态分析。一阶固有频率为4 908×0.7=3 435 Hz，振型如图4所示。符合前面分析参数时提出的一阶固有频率应大于3 080 Hz 的要求。

图4 立方体机构模态分析

3 振动机构制作及试验验证

根据改进后的设计，用铝材采用整体铸造的工艺制作了新的立方体母机构和配套的3 个滑槽子机构。立方体机构质量为25 kg。槽道子机构质量为5.2 kg。立方体机构加3 个子机构满载的情况下，质量为40.6 kg，符合20 kg≤m≤130 kg 的要求。

将3 个槽道子机构全部装上立方体母机构，每个子机构上加装样品，样品总质量达到5 kg，如图5所示。

图5 振动机构性能验证

分别将传感器固定在3 个轴向样品的固定点处，在20～2 000 Hz 的频率范围内进行随机振动，得到3个轴向样品固定点的振动曲线，如图6—图8 所示。由图可见，3 个轴向随机振动的传递系数在20～2 000 Hz范围内，皆未超出规定值功率谱密度的±3 dB 的范围。横向分量在500 Hz 以下低于目标值的-3 dB，500 Hz以上低于目标值，满足相关标准要求（使用正弦振动验与随机试验进行振动机构分析效果相当，随机振动试验相对便捷，这里只做随机响应分析）。

图6 顶面样品固定点振动响应曲线

图7 左侧样品固定点振动响应曲线

图8 右侧样品固定点振动响应曲线

4 结束语

本文设计了一种3 向可调节的振动机构。通过模态分析和试验评估，该机构的传递特性和横向运动符合标准要求。该振动机构可以方便地进行调节，满足一定范围各种尺寸样品3 个轴向的振动需求，并且可以节约振动机构制作成本，缩短试验时间。使用该机构进行试验，产品机械负荷相关的环境适应性和可靠性评估的准确性也得到了保证。