一種降低振動環境中品質因素的方法
2024-03-03 01:29:15
專利名稱：一種降低振動環境中品質因素的方法
技術領域：
本發明屬於各種體系的振動系統的可振動構件的共振控制技術，尤其涉及單自由度諧振系統中一種降低振動環境中品質因素Q值的方法。
背景技術：
在一些單自由度諧振系統中，為了得到較好的諧振效果，需要增大系統的品質因素，即Q值。根據物質特性，在一些振動系統和振動模擬試驗中，所有產品都會有共振現象，共振峰值的高低與材料的特性及產品結構有直接關係，這體現為品質因素的大小，對于振動系統來講，共振峰值越小對於整個基本構件的性能或特性測試越好，但是由於共振現象的存在，實際的測試結果共振峰谷非常尖銳，不利于振動控制和測試，無法實現振動的精確控制或振動頻率範圍的限定。有些情況下，會致使處于振動系統中的部分基本構件損壞，或導致試驗測試不能進行，無法得到理想和科學的測試數據。
目前為了滿足控制精度和振動頻率範圍的需要，普遍採取的措施是加強振動系統中的基本構件的結構剛度，使振動時的系統共振頻率足夠高，以滿足正常頻率範圍的需要，但這造成了基本構件的結構呆笨複雜、質量較大，這不僅增加了振動系統中設備基本構件的製造成本，對于振動模擬試驗來講，也大大降低了振動試驗設備的有效推力。
力學環境試驗中的振動試驗是模擬各種振動環境，利用激振設備使試品經受預先設定的振動，並達到一定試驗目的的過程。試驗設備和試品的性質對測定數據的準確性和試驗能否按照預期的設想進行下去有著很大的影響。試驗設備基本構件和試品的動態特性，即振動激勵響應的幅頻特性的優劣直接關係到試品的試驗準確性，對該基本構件和試品的動態特性進行分析時，較大的品質因素表現為其固有響應曲線具有一較大的響應峰值和較尖銳的響應峰，在該響應峰值時作用於試品所受到的過試驗量值，這不利于振動控制和試驗，試品也是無法承受的，這將致使實驗數據不準確或者無法繼續進行試驗得到科學的數據。較小的品質因素表現為其動態特性的響應曲線的響應峰值很小，峰谷平緩，使整個試驗處於理想的狀態。
1999年出版的《環境技術》第一期(廣東電器科學研究院編，雙月刊)公開了名稱為「用多點振動控制的方法優化夾具動態特性的研究」的文章，它採用多點振動控制方法，例如多點最大值控制或多點平均控制的方法對激振設備大型夾具的動態特性進行改變，以增加試品振動試驗的準確性。該方法需要增加多個控制傳感器，還需要振動控制儀具有多個控制通道。這種技術僅能保證試驗的進行，不能避免局部受力不均的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過改變振動系統中基本構件的阻尼特性來降低振動系統中品質因素的方法，該方法能有效降低品質因素，縮小振動激勵響應的幅頻，來實現振動系統中的有害共振的消除以及各種試驗環境中激勵響應對實驗的負面影響和破壞，提高實驗精確度。
為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案如下一種降低振動環境中品質因素的方法，包括振動系統中的基本結構件，其特徵在於，在基本結構件上組合一種或兩種不同於基本構件的材料。
具體的講，在振動試驗中，振動系統的振動試驗設備的基本結構件上組合一種不同於基本構件的材料。
所述的基本結構件包括振動試驗設備的振動臺、振動擴展臺或振動試驗設備的夾具。
所述振動臺或振動擴展臺的非工作面部分組合一層不同于振動臺或振動擴展臺的材料。
所述組合的方法包括在金屬基本構件上通過硫化、粘結、熱澆、冷壓、包裹或填充的方法固定非金屬材料。
所述金屬基本構件包括鋁、銅、鐵、鎂或者其合金材質的基本構件，所述非金屬材料包括橡膠、塑膠或樹脂材料。
該降低振動環境中品質因素的方法特徵在於，在振動模擬試驗中，振動系統的試品上組合一種不同於該試品的材料。
所述試品為金屬筒體，金屬筒體的內壁組合一層橡膠、塑膠或樹脂材料。
該方法所述振動系統還包括機動車輛上的可共振機件，包括發動機、傳動軸、油管或前、後橋組件。
在振動環境中，材料的阻尼特性和品質因素Q之間的關係為=CC0=12Q=f2-f12f0]]>式中，ξ為相對阻尼比；C為黏性阻尼係數；C0為臨界阻尼；f0為固有頻率；Q為動力放大係數；f2，f1為上下半功率頻率點。
可見環境中材料的相對阻尼比和品質因素間成反比關係，可以通過改變相對阻尼比來調整品質因素，而相對阻尼比與系統中構件的楊氏模量E及構件材料密度ρ有著密切的關係。
發明人通過大量實驗發現，通過改變振動系統中材料的密度可以有效的控制品質因素，即通過在振動系統中的基本構件上組合一種不同於基本構件的材料，即將兩種、三種或以上的材料組合成一個結構整體方法，有效的降低振動響應曲線的峰谷，實現振動系統的易控性能和保證試驗的精確度。
由於處于振動系統中共振響應頻幅寬的基本構件均為金屬材料，通過在金屬基本構件上組合楊氏模量E和密度ρ不同的非金屬材料，有效改善基本構件的材質特性。同時根據材料學理論，各材料均有其獨特的楊氏模量E和密度ρ，控制固有頻率的因素是E/ρ，對於大多數金屬來說E/ρ的比值差別不太大，這也是需要採用金屬和非金屬進行組合的理論基礎。
組合的方法可以是常規的粘接、包裹和填充，也可以採用熱膠粘結、半流體定性後硫化的方法，對於管狀或槽形基本構件還可以採用填充的方法進行組合。
處于振動系統中的基本構件的材質包括鋁AL、銅Cu、鐵Fe、鎂Mg或者由其組成的合金，非金屬材料包括橡膠、塑膠和樹脂材料。對于振動試驗系統，基本構件包括激振設備的各部件，夾具和試品，該基本構件可以通過組合的方式在激振設備部件、夾具或試品上組合或部分組合非金屬材料。例如激振設備的振動臺面、擴展臺面、動圈骨架等，可以在振動臺面或擴展臺面的非工作面組合另一非金屬材料層，也可在其工作面和非工作面同時複合，但為了有效降低臺面的負載，一般僅在其非工作面組合一非金屬材料層即可得到理想的效果。試品在進行模擬試驗測試時，也會因為其激振響應而出現高品質因數值，致使響應曲線中出現非常大的尖銳共振峰谷，例如在對彈射飛行器的筒形鋼殼體進行模擬試驗以測定相應的實驗數據時，由於在振動系統中響應曲線共振峰谷較大，常常致使試驗無法進行，更不用說得到準確的實驗數據了，通過在其內壁粘結組合一層橡膠層，其響應曲線的共振峰得到良好的抑制，品質因數大大降低，試驗易於操控，測試的實驗數據精確度提高。
更進一步的講，該方法可用於各種環境的振動系統中，用於控制品質因素即Q值，有效消除共振帶來的不利影響。例如在機動車輛的一些可共振機件上進行非金屬材料的組合，降低其在振動系統中的品質因素。例如很多機動車輛的傳動軸、油管在車速達到一定值以後，會發生強烈的共振，致使車身抖動劇烈，通過對激振響應機件上組合非金屬材料，有效降低了共振響應頻幅，消減共振峰谷。
本發明的有益效果在於，該降低振動系統中品質因素的方法通過改變振動系統中基本構件的楊氏模量E和密度ρ來改變相對阻尼比，從而達到控制品質因素Q值的目的，通過該方法可使振動試驗中的系統品質因素明顯降低，整個響應曲線更趨近於平坦，能夠保證系統的可控性，不需要對大臺面進行多點控制就可以避免過試驗和欠試驗的發生。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的闡述。
圖1是本發明實施例中激振設備擴展臺的剖面結構示意圖；圖2是對本發明實施例中激振設備擴展臺的振動響應曲線；圖3是本發明對比例中激振設備擴展臺的振動響應曲線。
具體實施例方式
實施例1 如圖，該降低振動系統中品素因素的方法是應用于振動試驗環境中，在激振設備的擴展臺上組合一非金屬材料，該擴展臺為中空筒3末端固定一擴展平臺1的結構，整體為鋁合金材質，擴展平臺的臺面為工作面，臺面背側為非工作面，在其非工作面部分通過熱膠組合一個環形的樹脂薄層2。
用東菱公司產ES-10型號的振動臺和上述擴展臺，美國SD公司產PUMAFoundation型振動控制儀作響應測試，並繪製響應曲線，見圖2。
對比例採用與實施例1相同的振動臺和振動控制儀對無組合橡膠的同一擴展臺進行響應測試，並繪製響應曲線，見圖3。
由兩響應曲線和測定數據可以看出未經過樹脂層組合的對比例中的振動擴展臺的響應曲線在達到一定振動頻率時，出現了非常大而尖銳的峰谷，對于振動測試來講，這將嚴重影響振動試驗的進行和測得實驗數據的準確性。因為出現一個較大峰谷值的同時會出現一個較大的峰底，這是振動控制所不希望出現的。
通過對同一振動擴展臺的非工作檯面進行樹脂材料的組合，測得的響應曲線的峰谷值較小，而且峰谷比較平緩，這表明振動控制比較精確，試驗可以正常進行，測定的實驗數據準確性大大提高。
實施例2 該降低振動系統中品素因素的方法是應用於環境試驗的試品數據測定中。在對彈射飛行器的鋼質圓形筒體進行同步試驗測定時，由於響應曲線峰谷的存在，使試驗得不到準確的數據，甚至由於共振頻幅較大，響應曲線的峰谷過於尖銳，品質因素過大致使無法繼續試驗。
在鋼質圓形筒體的內壁塗敷一層丁腈橡膠彈性體層，然後進行硫化組合，再進行響應的同步試驗測定，結果振動控制儀所描繪的響應曲線中的峰谷值非常小，品質因素Q值也很小，同步試驗的進行不會受到共振的影響，可以正常進行並能保證試驗測定數據更加準確。
實施例3 該降低振動系統中品素因素的方法是應用於車輛的可共振機件中。該汽車底部的傳動軸在汽車行駛到100公裡/小時速度時，會發生嚴重的共振，從而影響汽車的正常運行和質量，現有的解決方式是根據多點靜平衡的原理進行相應的機械處理，這相應降低了傳動軸的傳動精度。
在汽車底部的金屬傳動軸上進行熱澆的方式包裹一層聚氨酯塑膠套，使品質因數即Q值也大大減小。然後進行行使試驗，在汽車行駛速度達到100公裡/小時時，傳動軸沒有發生共振，當汽車速度達到160公裡/小時，傳動軸仍然沒有發生共振，這表明通過組合聚氨酯塑膠套，傳動軸的共振頻幅大大降低。
權利要求
1.一種降低振動環境中品質因素的方法，包括振動系統中的基本結構件，其特徵在於，在基本結構件上組合一種或兩種不同於基本構件的材料。
2.根據權利要求1所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，在振動試驗中，振動系統的振動試驗設備的基本結構件上組合一種不同於基本構件的材料。
3.根據權利要求2所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，所述的基本結構件包括振動試驗設備的振動臺、振動擴展臺或振動試驗設備的夾具。
4.根據權利要求3所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於所述振動臺或振動擴展臺的非工作面部分組合一層不同于振動臺或振動擴展臺的材料。
5.根據權利要求2所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，所述組合的方法包括在金屬基本構件上通過硫化、粘結、熱澆、冷壓、包裹或填充的方法固定非金屬材料。
6.根據權利要求5所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，所述金屬基本構件包括鋁、銅、鐵、鎂或者其合金材質的基本構件，所述非金屬材料包括橡膠、塑膠或樹脂材料。
7.根據權利要求1所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，在振動模擬試驗中，振動系統的試品上組合一種不同於該試品的材料。
8.根據權利要求7所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，所述試品為金屬筒體，金屬筒體的內壁組合一層橡膠、塑膠或樹脂材料。
9.根據權利要求1所述的一種降低振動環境中品質因素的方法，其特徵在於，所述振動系統還包括機動車輛上的可共振機件，包括發動機、傳動軸、油管或前、後橋組件。
全文摘要
一種降低振動環境中品質因素的方法，屬於各種體系的振動系統的可振動構件的共振控制技術。包括振動系統中的基本結構件，其特徵在於，在基本結構件上組合一種或兩種不同於基本構件的材料。該方法可用于振動試驗的激振設備、試品的品質因素的降低，也可用於機動車輛的振動機件的品質因素的降低。該降低振動系統中品質因素的方法通過改變振動系統中基本構件的楊氏模量E和密度ρ來改變相對阻尼比，從而達到控制品質因素Q值的目的，通過該方法可使振動試驗中的系統品質因素明顯降低，整個響應曲線更趨近於平坦，能夠保證系統的可控性，不需要對大臺面進行多點控制就可以避免過試驗和欠試驗的發生。
文檔編號G01M7/02GK101034046SQ20061016736
公開日2007年9月12日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者吳國雄, 葉騰波 申請人:蘇州東菱振動試驗儀器有限公司