振动试验/冲击试验夹具的设计与制造

时间：2023-04-20作者：广东莱伯通试验设备有限公司浏览：31

振动和冲击试验夹具设计，有时被称为不正规技术。当人们看到一个有经验的夹具设计师不经任何计算而设计出夹具，就加强了这种想法。如果某人要按分振动教材书去设计，他就会立即感到，诸如刚度矩阵也都用不上。于是这种想法就更进一步加深了。一些夹具设计者，只计算一些简支梁的振型，却很少去计算整个夹具的响应，只有及少数设计师能够恰如其份地运用逻辑程序去阐述并成功地设计夹具。许多评论者认为，对一个夹具不可能作出满意的分析。所以一个成功的设计，部分靠运气，部分凭经验。




对夹具各个部分作出合理的逐步分析后，就能够完成夹具的设计。夹具振动的误差，不会**过10%或20%，这样的误差通常是允许的。精度提得越高，需要花费的时间和努力就越大。




在机械工程方面有一定学位的人，并不一定设计出好夹具；而许多没有学位的人反到设计出优秀的夹具。对于夹具设计者，有了机械制造与电子学的基础，加上工程经验，特别是加工的经验。其次单位内外的制造的能力,就能制造出一个好的夹具。




2、夹具的作用

试验样品的安装有二种方法，一种是直接安装在振动台台面上，另一种是通过过渡装置安装在振动台的台面（即动圈）上，这种过渡装置在振动和冲击试验中将其称为夹具。可见夹具的功用，就是将振动台（或冲击机）的振动和冲击能量通过机械连接不失真、不放大、的传递传给试件，从而保证试验样品经受到所规定的试验应力，当然这是理想状态。图1给出的电—机械方块图，表示振动试验系统各部分的关系：实线表示电能传递路线，虚线表示机械能传递路线。




3、夹具基本要求

上面已说了振动、冲击试验夹具的功用就是将振动台（或冲击机）产生的机械能传递给试件。夹具在总体设计方面所遇到的困难是必须设计出重量较小、刚性较大、在试验频率范围内不会发生结构共振的夹具。夹具设计往往取决于工程经验，夹具设计一般比较费时、费力，不仅要考虑夹具本身的特性，而且要尽量减少夹具与试件的相互影响。夹具设计应包括分析和预计试件的较低阶振型。




夹具设计的理论计算主要包括刚度、质量和固有频率三个基本参数。刚度包括刚体平移、刚体旋转及刚体弯曲；阻尼并不明显地改变固有频率，仅改变振动幅值。影响固有频率的二个要素为质量和刚性。对于复杂夹具的固有频率，erley方程提供了一种方法，即通过结合复合结构元件中的非偶合型固有频率来估计系统的固有频率。夹具设计时必须进行的几个较基本设计如下。




（1）夹具的固有频率应满足试验的频率范围

许多产品的可靠性与环境试验要求的试验频率范围一般为10～2000Hz，所有试验必须使用电磁振动台。电磁振动台是目前较先进较常用的振动台，其较低频率一般为5～10Hz，较率可达3000～4000Hz以上。为了满足10～2000Hz试验频率范围，在此频率范围，夹具的频响特性要平坦，夹具设计和计算（或测定）时，其一阶频率应**较高试验频率。这对于小型、简单夹具是易做到的，但对大型复杂夹具则很困难甚至是不可能的。即使这样，设计计算（或测定）夹具的一阶固有频率也应**试件的一阶固有频率，以避免发身夹具与试件的共振偶合。温馨提醒在确定试件的固有频率时，可以把试件划分为梁、板等元件，计算各个元件的固有频率，然后用erley方程计算试件的固有频率。




（2）对夹具重量（振动台额定推力）的验算

对夹具重量（振动台额定推力）的验算，主要考虑振动台的承载重量W和试验加速度a。当正弦振动试验的较大加速度为a时，振动台的正弦推力F应大于W.a；当随机振动试验的总均方根加速度值已知为arms时，振动台的随机推力F应大于（W1+W2+W3）. arms。式中：W1：试验样品重量，W2：夹具重量，W3：振动台动圈重量。 设计用来支撑试件的夹具，试件的尺寸和形状是的，因为它们决定夹具的尺寸和形状。你还必须试件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，试件和夹具的合成重心尽可能精确地落在振动台的中心线上。




温度对夹具的性能也是有影响的，当一夹具要用于温度振动试验时，就要注意这一点，高温可使金属产生塑性屈服，低温可使材料冷脆。

一个好的夹具至少应满足下列要求：




（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，夹具的**阶固有频率应**较高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合。

（2）夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时激励输入的均匀性。

（3）夹具的刚度质量比要足够大。

（4）夹具的阻尼要大，夹具共振时（**阶固有频率），其品质（放大）因数Q不应大于4。

（5）夹具的质量较好是试件的2～4倍。通常在估算振动台需要的推力的时，用此比值就行。

（6）夹具横向运动（指垂直于激振方向）要尽量小。




接点的运动都一致是困难的，在某些频率下，出现相位和振幅的差别，其差别有时较高到50：1，这从台面上几个加速度计的输出中就能看到。一个好的设计能够部分地使差别减至较小，而且能够在实验规范要求的频率范围内，使得各加速度计之间的差别达到容许限度，很大程度上决定于夹具和振动台的尺寸。无论你的设计和制造出的夹具多么好，如果合力**出振动台规定的倾覆力矩，运动将不再是线性的，而且各加速度计输出差别很大。




4、夹具的基本形式

夹具的种类繁多，差别很大，从专门用途以及设计上的差别可分为：




（1）平板型夹具

平板型夹具的作用是把试件与振动台面连接起来，若没有这样的板，要使试件与振动台面直接连接进行振动试验或冲击试验，就很少有这种可能性。此外这种板减少了对振动台面上衬套的磨损以及衬套从台面上脱出的危险。




平板型夹具绝大部分是价值不大的消耗品，如简单的平板。但有些需精心制作。如需长期的、大量的做试验用，这些板就应当精心设计。实际的例子就是，把大量零件放到一块大型转接板上在大振动台上做试验，这要比只是单个或有限个零件放在小振动台上做试验经济得多。一般地讲，过度板的尺寸是任意的，直到和振动台面的直径一般大（有时允许稍微**出一些）。厚度可以从2.5cm到15cm任选。埋螺钉头的孔一般是用平底打孔钻钻成。并用钢制平垫圈（机加工并淬火）以保护肩部。




（2）立方型夹具

立方体夹具主要用于小型零构件的振动冲击试验。可以直接固定振动台上。也可以由过度板来固定。当装在**面上的试件接受垂直方向的振动冲击时，其它四个平面（在四周上）都能接受到平行方向的振动冲击。四周上的任一快板均能转900（在基平面内旋转）用于经受平行于基平面的二个方向的振动或四个方向冲击（冲击有正向冲击和反向冲击之分，故比振动多了二个方向）。




立方体上有螺钉衬套，用螺钉连接板（或者与试件直接相连）。夹具上还必需有连接气、液、或电器的安装孔。




（3）过度架型夹具

过度架型夹具主要用于整机产品的试验，这种夹具要根据试验样品的形状来设计。所以不同形状的样品，其夹具的形状也不相同。过度架型夹具的形状、刚度和强度要尽量接近样品在实际使用中的情况。




（4）L形夹具

L形夹具的各部分可用螺接，亦可用粘结或焊接结合起来，或者用整块料机械加工而成。




（5）T形夹具

T形夹具除了垂直平板装在中心位置外，其他方面和L形夹具相类似。试验件可以同时固定在垂直平板的两面，只要夹具比试件重，就很容易做到使试件/夹具的组合重心通过振动台的轴线。除上述5种形式外，还有各种形式的夹具等。

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