某振动夹具的设计及改进

某振动夹具的设计及改进

摘要:首先介绍了产品试验的原理和要求,并论述了一般夹具的设计要点,根据产品的信息和设计要求完成了振动夹具的设计,通过完善夹具的刚度达到满足产品试验要求,该设计要点和改进方法对一般振动夹具的设计有一定指导意义。

关键词:振动夹具随机振动固有频率

某产品出厂验收时,要做振动试验来考核是否满足环境要求,产品的夹持以及与振动设备的连接需要合适的振动夹具。一个好的夹具既保证产品的安全,又可与振动设备可靠连接,保证振动有效的传递到产品。因此,振动夹具设计的好坏就成为振动试验能否顺利进行的关键,本文介绍了一般振动夹具的设计要点和一个典型的夹具设计改进实例。

1 试验的原理和要求

1.1 试验的原理

产品的振动试验过程如图1所示,产品通过振动夹具装夹到振动台面上,两组传感器分别粘接到产品和台面上,两组传感器分别通过信号放大器传至振动台控制设备,最后通过振动台控制设备对台面进行控制,从而完成振动试验。

1.2 试验要求

产品所做的振动为随机振动,振动的功率谱形如图2所示,GL=0.02g2/Hz,GP= 0.06g2/Hz,Grms=10g。产品需要做三个方向(X、Y、Z)的振动,每个方向持续3分钟。

1.3 产品的信息

产品的外形为圆柱形,最大轮廓尺寸约为Φ250mm×450mm,质量约为20kg,重心据产品前部约300mm处,如图3所示为产品的三维模型示意图,产品可夹持外壳或者通过后部的法兰固定。产品的三个方向的固有频率约在110Hz左右。

2 夹具的设计

夹具的设计通常要考虑产品的信息(尺寸、质量、重心、试验方向的固有频率等),产品和夹具的合成重心应该和振动台面的几何重心重合,夹具和产品的连接尽量与产品的实际连接方式近似,产品安装螺钉数量、尺寸、位置、减振器等与实际工作状态相同。此外,夹具要与振动台面接口吻合,振动台面试验方向通常有水平向和垂直向,设计夹具时候要考虑产品的振动方向与台面一致。

2.1 夹具的设计要点

(1)产品和夹具固有频率计算:计算的目的是使得夹具的固有频率远离产品的固有频率,减小共振的发生可能。产品或者夹具的一阶固

有频率根据各组成零件的固有频率,根据克雷方程算出。方程如公式(1)所示:

(6)夹具材料优先选用刚度/质量比值大的。比如铝和镁铝合金,以提高固有频率。整机产品可选用45号钢调质处理或者型材焊接提高刚度。

(7)振动夹具的固有频率一般为产品最低频率的3～4倍。

2.2 夹具的设计

试验的振动台为水平台,台面的接口为圆周直径为Φ400mm的8个M10螺纹孔。根据上面的设计要点和产品的试验条件,初步设定夹具的形式为底板和振动台面连接,立板和产品连接,底板和立板相连构成夹具的方案,结构如图4所示。

夹具材料选择的是45号钢,主要考虑到成本和夹具制造周期的因素。此外由于产品的质量比较大,将45号钢调质处理以提高刚度。两个立板作用分别为后立板与产品法兰相连,前立板支撑产品的前部,两

个立板分别通过两组螺钉与底板相连。

由于产品要做3个方向的随机振动,此结构形式在水平台上比较容易实现。试验过程为:在图4显示的夹具装夹产品状态为一个振动的方向,将产品沿回转中心自传90°后可做另一个方向振动,最后将底板随产品一起转90°可做第三个方向,产品前部和底板上都可粘接传感器。

夹具按如图4所示的结构加工装配完毕后,利用敲击试验方法进行模态分析,一阶固有频率在300Hz以下,且夹具的模态曲线毛刺较多,在产品的固有频率点附近有共振的危险,夹具还需改进。

2.3 夹具的改进

根据模态试验曲线分析,可能的原因是夹具的刚度不够。分析夹具的结构可知,夹具两个立板靠螺钉与底板相连,仅仅靠压紧力,有点单薄,两个立板没有组成一个整体加强刚度;此外,前立板支撑的间隙也是影响刚度的重要因素。据此,夹具改进措施为:两立板与底板采取螺钉拧紧外,再通过焊接增加连接刚度;前立板采用压紧产品前部的方式提高刚度;立板之间通过增加筋板连成一个整体。结构改进后模型如图5所示。

对改进后的夹具利用敲击法分析模态,夹具在3个方向的一阶固有频率都在300Hz以上,满足振动夹具要求。

3 结语

本文根据产品信息和试验要求,分析了一般振动夹具设计的要点,并通过产品夹具设计实例及改进措施介绍了夹具设计全过程。产品的验收试验得以顺利的完成,证明改进的措施有效,达到了振动夹具设计的要求。

参考文献

[1] 张志旭,朱学旺.振动夹具一阶共振频率的试验数据识别[J].航天器环境工程2009(26).

[2] 张义民.机械振动学漫谈[M].北京:科学出版社,2010.

[3] 胡志强,法庆衍.随机振动试验应用技术[M].中国计量出版社,1996.