專利名稱:脈沖激振器的制作方法
本發(fā)明涉及一種特別適用于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性試驗研究和無損探傷研究的脈沖激振器。
脈沖激振法是結(jié)構(gòu)動態(tài)特性試驗和研究的一種重要方法。和其它的激振方法相比具有獨特的優(yōu)點試驗時間短;所需儀器設(shè)備簡單，操作方便;對被測試結(jié)構(gòu)不需施加剛度及質(zhì)量約束，因此可以避免由于接入激振器而影響被測結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性;適用于自由約束條件的試件，故可對具有復(fù)雜表面形狀而不易夾固的輕小型試件進行測試;實驗不僅可在試驗室進行，而且還可在生產(chǎn)車間或使用現(xiàn)場進行;便于對所得試驗結(jié)果作進一步數(shù)學(xué)分析，等等。
目前廣泛采用的脈沖激振法是使用帶力傳感器手錘(脈沖錘)進行敲擊的“錘擊脈沖激振法”。測試時，用脈沖錘敲擊構(gòu)件，同時記錄由力傳感器測出的力脈沖信號和用其它傳感器測出的響應(yīng)信號，然后進行分析處理。圖1是脈沖錘的示意圖。用手持手柄，使錘頭敲擊被測試件的預(yù)定部位，從與錘頭聯(lián)接的力傳感器上就輸出脈沖信號。
用脈沖激振法測試結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性時，激振力和響應(yīng)信號中難免混入噪聲干擾信號。因此，應(yīng)在相同條件下進行多次敲擊，以便通過多次總體平均，減少噪聲的影響。所以，在進行敲擊時，如何控制動作使多次敲擊的著力點的位置、力的大小和作用方向有較好的重復(fù)精度，是一個值得重視的問題。顯然，用手握錘丙進行敲擊，無論是著力點的位置，還是錘擊力的大小和方向，都難以達到較高的重復(fù)精度。一種較普遍采用的改進措施是把原來手持錘柄進行敲擊，改進為固定錘柄上的一點，使其成為回轉(zhuǎn)中心，如圖2所示。這樣使力脈沖的重復(fù)精度有所提高。但是這種方法不如“手錘”激振操作簡單，不能方便地在試件的任何部位進行激振，每換一個激振點，都要重新調(diào)整錘的位置或移動試件，不便于現(xiàn)場測試。而且，在完成每次激振時，還必須及時用手抓住彈回的錘頭，防止二次敲擊，更增加了操作的復(fù)雜性。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈沖激振法的應(yīng)用領(lǐng)域日益寬廣。因此迫切需要一種簡便實用，重復(fù)精度高的新型脈沖激振器。本發(fā)明的目的就是，研制一種滿足上述要求的新型脈沖激振器。使用這種新型脈沖激振器時，能夠準確地控制激振速度，激振力的位置、方向和大小，從而具有較高的重復(fù)精度。
本發(fā)明的目的是通過下列措施實現(xiàn)的在所說的脈沖激振器中，有一個沖擊系統(tǒng)，它可沿固定軸線射出和縮回。該系統(tǒng)中，有一個用以撞擊被測試件的沖擊頭，其后面可拆卸地與一個力傳感器聯(lián)接，該力傳感器又與一沖擊桿可拆卸地聯(lián)接，該沖擊桿上安裝著一個激振速度和激振力調(diào)節(jié)及指示機構(gòu)。
沖擊系統(tǒng)運動的能量靠一個儲能器提供。在本發(fā)明所列舉的實施例中，該能量由一個壓縮彈簧提供。
為了使沖擊頭每次與試件碰撞后能離開被測試件，本脈沖激振器中還有一個脫離機構(gòu)。在本發(fā)明列舉的實施例中，脫離機構(gòu)主要由一個較弱的復(fù)位彈簧組成，也可以采用其它方式實現(xiàn)所要求的脫離，避免產(chǎn)生二次撞擊，比如利用摩擦副，或慣性力，或其它機構(gòu)等。
此外，該脈沖激振器還具有一套擊發(fā)系統(tǒng)和瞄準測點的機構(gòu)。
為使脈沖的頻寬可調(diào)，在以上所述的脈沖激振器中還可以增加一個可調(diào)節(jié)頻寬的機構(gòu)。下面，在簡要地介紹之后，將詳細地敘述本發(fā)明的最佳實施例。
圖1是一般的脈沖手錘的示意圖。
圖2是改進后，有固定支點的脈沖錘的示意圖。
圖4是本發(fā)明第二種實施例中頻寬調(diào)節(jié)部分的示意圖。
圖3是本發(fā)明第一實施例的示意圖。
圖5是可自動調(diào)位的平頭沖擊頭的示意圖。
圖6是用本發(fā)明脈沖激振器和脈沖錘分別重復(fù)打擊試件得到的力脈沖峰值的散點圖，其中圖6a是脈沖激振器激勵的散點圖，圖6b是脈沖錘激勵的散點圖。
圖7是用本發(fā)明第二種實施例脈沖激振器，打擊試件時，力脈沖幅值的變化圖。
圖8是用本發(fā)明第二種實施例脈沖激振器打擊試件時，脈沖頻帶寬度的變化圖。
圖3顯示了本發(fā)明的第一種實施例，脈沖激振器做成易于抓持的手槍形狀。所說的沖擊系統(tǒng)、儲能裝置和脫離機構(gòu)都布置在槍筒內(nèi)。擊發(fā)機構(gòu)做成復(fù)合扳機。瞄準機構(gòu)位于槍口處。
沖擊系統(tǒng)可在槍筒內(nèi)沿軸向射出或縮回。其前端是一個頭部為半球形的沖擊頭(1)，該沖擊頭可拆卸地與一個力傳感器(2)連接，該力傳感器另一端與一個沖擊桿(3)連接，沖擊桿上還可拆卸地安裝著調(diào)速塊(7)。在沖擊桿后端有一段螺紋，可以用螺母(4)固定所需的配重塊(8)，以改變沖擊系統(tǒng)的質(zhì)量。調(diào)速塊上有一排沿軸向分布的齒，可與復(fù)合扳機(9)中的棘爪(10)嚙合，以調(diào)節(jié)激振速度和激振力。
由壓縮彈簧(5)構(gòu)成的儲能裝置也裝在槍筒內(nèi)，并套在沖擊桿上。沖擊系統(tǒng)回縮時，彈簧(5)被壓縮，從而積聚了彈性能。當(dāng)擊發(fā)機構(gòu)動作時，沖擊系統(tǒng)被松開，由于壓縮彈簧(5)的作用，使沖擊系統(tǒng)向前射出。
脫離機構(gòu)由一個復(fù)位彈簧(6)組成，它也套在沖擊桿上并位于槍筒內(nèi)。與壓縮彈簧(5)相反，當(dāng)沖擊系統(tǒng)縮回時，復(fù)位彈簧(6)處于接近放松狀態(tài)，而當(dāng)沖擊系統(tǒng)前沖時，該復(fù)位彈簧被壓縮，從而積聚起復(fù)位能量，當(dāng)完成激振后，由于復(fù)位彈簧的作用，使沖擊頭復(fù)位，防止了二次碰擊。復(fù)位彈簧(6)的剛度應(yīng)低于壓縮彈簧(5)的剛度。
瞄準機構(gòu)由一個三爪套(11)組成。該三爪套位于槍口處。三爪園周等距分布。當(dāng)沖擊系統(tǒng)縮回處于待擊發(fā)狀態(tài)時，三爪的外端面應(yīng)高于沖擊頭(1)的外端，當(dāng)激振時，即沖擊系統(tǒng)射出時，沖擊頭外端應(yīng)能超過三爪套的外端面。
沖擊頭的材料可根據(jù)對脈沖寬度和頻帶的要求選定。例如可用鋼，鋁等金屬材料制成，也可用尼龍，有機玻璃或橡膠等非金屬材料制成。
此外，沖擊頭的形狀還可做成前端有小平面的球形。為了使沖擊頭和被測試件能始終保持較理想的接觸姿態(tài)，可使該沖擊頭有自動調(diào)位的功能。這種可自動調(diào)位的沖擊頭如圖5所示。帶有小平面的球頭(20)被臥入一個超過半球的球形凹窩(21)內(nèi)，球頭(20)與凹窩(21)間有均勻的微小間隙，因此該球頭可在該凹窩內(nèi)轉(zhuǎn)動，以調(diào)整其姿勢。這種可自動調(diào)位的沖擊頭的優(yōu)點是碰撞時試件和沖擊頭的局部應(yīng)力降低，所以變形小，并且減小了試件局部加工硬化，也使重復(fù)打擊時波形變化小，因而重復(fù)性好。
該第一種脈沖激振器的使用方法是，首先拉回沖擊系統(tǒng)，使調(diào)速塊(7)上合適的齒與棘爪(10)嚙合，以確定激振的速度和激振力。接著持槍使三爪外端輕觸被測試件的表面，使沖擊頭對準測試點后稍微后撤使三爪與試件脫離接觸，然后扣動扳機。
本發(fā)明的第二種實施例是在第一種實施例的基礎(chǔ)上又增加了一個脈沖頻帶寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)。該機構(gòu)的示意圖如圖所示。圖中省略了與第一實施例相同的部分、只畫出了脈沖頻帶寬度調(diào)節(jié)部分。
進行結(jié)構(gòu)動態(tài)試驗時，有時需要了解被測試結(jié)構(gòu)對某一特定頻率寬度脈沖激動的響應(yīng)，因此希望能控制脈沖激勵時的頻寬。一般的方法是更換不同的沖擊頭。而使用按照本發(fā)明的這種實施例制造的脈沖激振器，可以不必更換沖擊頭，只需進行簡單的操作即可在一定范圍內(nèi)任意選擇所需要的脈沖頻帶寬度。
如圖4所示，沖擊頭1′和力脈沖傳感器2′安裝在沖擊桿3′的前端。調(diào)速塊7′可滑動地套在沖擊桿3′后部直徑較細的部分上。在調(diào)速塊7′前面有一個套在沖擊桿3′上的彈簧15，該彈簧的一個端面靠在沖擊桿3′的臺肩上，另一端與調(diào)速塊7′的前端面接觸。調(diào)節(jié)旋鈕16通過螺紋安在沖擊桿3′的后端，該旋鈕16的前端面壓緊在調(diào)速塊7′的后端面上。轉(zhuǎn)動旋鈕16，就可以改變彈簧15的預(yù)緊力，從而改變整個沖擊系統(tǒng)的剛度，實現(xiàn)脈沖頻帶寬度的調(diào)節(jié)。脈沖激勵時，沖擊頭1′、力傳感器2′、沖擊桿3′首先沖擊試件，而調(diào)速塊7′則由于慣性和彈簧15的可壓縮性而繼續(xù)前沖一段很小距離。其動能隨后轉(zhuǎn)變成沖擊能，形成第二次沖擊。因此，整個沖擊波形是這兩次沖擊波的迭加。彈簧15預(yù)緊力的變化即影響合成的脈沖波形，因而影響了頻帶寬度。在本實施例中，如果采用如圖5所示的那種可調(diào)位的平頭，則效果更佳。便用一臺這種脈沖激振器，就可對不同結(jié)構(gòu)和不同材料的試件在不同頻寬范圍內(nèi)進行試驗。圖7是調(diào)節(jié)旋鈕16于不同位置時，所得力脈沖幅值的變化情況。其中A是彈簧15預(yù)緊力較低時的力脈沖波形，B是彈簧15預(yù)緊力較高時的力脈沖波形，可以看出它們都是由兩次沖擊的波形迭加而成。圖8是與圖7相對應(yīng)的頻譜圖，其中A′是力脈沖A′的頻譜，B′，是力脈沖B的頻譜，f1和f2分別表示脈沖A和B半功率點所對應(yīng)的頻寬?？梢钥闯?，當(dāng)彈簧15預(yù)緊力變化時，脈沖的頻寬也隨之產(chǎn)生了變化。
第二種脈沖激振器的使用方法與第一種脈沖激振器的使用方法相同，只是應(yīng)事先把調(diào)節(jié)旋鈕轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，以選定所需的脈沖頻帶寬度。
按本發(fā)明制造的脈沖激振器具有許多優(yōu)點。首先，它具有脈沖所有的主要優(yōu)點，即所需試驗設(shè)備簡單，試驗時間短，激振靈活方便，適于現(xiàn)場使用等。而且還具有其獨特的優(yōu)點，如試驗時力脈沖峰值、寬度和頻寬可以控制，而且多次打擊時所激勵出的力脈沖具有較高的重復(fù)精度。圖6是用本第一種脈沖激振器和脈沖分別重復(fù)打擊相同的標(biāo)準試件得到的力脈沖峰值的散點圖，其中圖(6a)是脈沖錘激勵的散點圖。表1顯示了上述試驗結(jié)果的對比。其中反映重復(fù)精度的變異系數(shù)W為測量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望
x和標(biāo)準差S的比值，即W＝
表1
顯然，使用本脈沖激振器激振時的重復(fù)精度比用脈沖手錘激振的重復(fù)精度高得多。
把用本發(fā)明脈沖激振器對周邊固定薄園扳進行脈沖激振試驗摸態(tài)分析所得的結(jié)果與理論解比較，其固有頻率和各階振型的實測值與理論解之間的誤差很小。而且發(fā)現(xiàn)，用本脈沖激振器打擊園板內(nèi)剛度相同的點時，實測力脈沖具有較好的重復(fù)性;用它打擊園扳內(nèi)剛度不同的點，實測力脈沖發(fā)生有規(guī)律可循的變化。因此，本發(fā)明為用脈沖激振法進行現(xiàn)場無損探傷，提供了理想的儀器。
權(quán)利要求
1.一種帶有力傳感器的脈沖激振器，其特征在于，該脈沖激振器包括a.一個激振速度和激振力可調(diào)的沖擊系統(tǒng)；b.一個為所說的沖擊系統(tǒng)提供沖擊能量的儲能裝置；C.一個防止二次沖擊的脫離機構(gòu)；d.一個擊發(fā)機構(gòu)；e.一個瞄準機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求
1所述的脈沖激振器，其特征在于，該脈沖激振器的沖擊系統(tǒng)中包含一個可以調(diào)整脈沖頻帶寬度的機構(gòu)。
3.如權(quán)利要求
1所述的脈沖激振器，其特征是，該沖擊系統(tǒng)是一個可沿固定軸線向前射出和縮回的組件，該組件的最前端是一個沖擊頭，與該沖擊頭可拆卸連接的是一個力傳感器，后面是一根桿件和一個激振速度和激振力調(diào)節(jié)及指示結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求
2所述的脈沖激振器，其特征在于，該沖擊系統(tǒng)是一個可沿固定軸線向前射出和縮回的組件，該組件中還包括一個位于最前端的沖擊頭，一個力傳感器與該沖擊頭可拆卸地連接，后面是一根桿件和一個激振速度和激振力調(diào)節(jié)指示機構(gòu)，所說的脈沖頻帶寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在該沖擊桿件上。
5.如權(quán)利要求
1或2所述的脈沖激振器，其特征是，所說的為所說的沖擊系統(tǒng)提供沖擊能量的儲能器有一個壓縮彈簧，該壓縮彈簧套在所說的桿件上，該壓縮彈簧的一端抵在一個固定的端蓋的一個端面上，其另一端抵在該桿件的臺肩面上。
6.如權(quán)利要求
3所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的激振速度和激振力調(diào)節(jié)及指示機構(gòu)包括一個帶有棘齒的調(diào)速塊，該調(diào)速塊可拆卸地安裝在所說的桿件的后端上，和一個固定在該調(diào)速塊上可一起運動的指針。
7.如權(quán)利要求
4所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的激振速度和激振力調(diào)節(jié)及指示機構(gòu)包括一個帶棘齒的調(diào)速塊，該調(diào)速塊可滑動地套在所說的桿件的后部，和一個固定在該調(diào)速塊上可一起運動的指針，所說的脈沖頻帶調(diào)節(jié)機構(gòu)包括一個彈簧和一個調(diào)節(jié)旋鈕，該彈簧套在該桿件上，其一個端面靠在所說桿件的臺肩面上，另一個端面與所說的調(diào)速塊的前端面接觸，所說的調(diào)節(jié)旋鈕借助其上的螺紋擰在桿件后端并壓住所說的調(diào)速塊的后端面，轉(zhuǎn)動所說的調(diào)節(jié)旋鈕，就可以改變所說彈簧的預(yù)緊力，從而改變該脈沖激振器的脈沖激勵的寬度。
8.如權(quán)利要求
1或2所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的防止二次沖擊的脫離機構(gòu)包括一個復(fù)位彈簧，該彈簧套在所說的桿件上，其一端與所說的固定的端蓋的另一端面接觸，另一端與所說的調(diào)速塊的前端面接觸。
9.如權(quán)利要求
1或2所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的擊發(fā)機構(gòu)，由一復(fù)合板機組成，該復(fù)合板機有一棘爪和所說調(diào)速塊的棘嚙合。
10.如權(quán)利要求
1或2所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的瞄準機構(gòu)是一個位于所說激振器前端的帶有園周均勻分布的三爪套，沖擊頭未擊發(fā)時，三爪端面稍高于沖擊頭，沖擊頭實施激振時，其端面又低于沖擊頭。
11.如權(quán)利要求
3或4所述的脈沖激振器，其特征在于，該脈沖激振器有一可自動調(diào)位的平頭沖擊頭，它包括一個帶有一個小平面的球體和一個帶有球形凹窩的基座，該球體可自由轉(zhuǎn)動地臥入該基座的球形凹窩中。
12.如權(quán)利要求
3或4所述的脈沖激振器，其特征在于，所說的沖擊頭是一個前端為半球體并可拆卸地與所說的力傳感器聯(lián)接的零件。
專利摘要
帶有力傳感器的脈沖激振器，特別適用于結(jié)構(gòu)動態(tài)測試和無損探傷，包括一個提供沖擊能量的儲能裝置，一個激振速度和激振力可調(diào)的沖擊系統(tǒng)，一個防止二次沖擊的脫離機構(gòu)，一個擊發(fā)機構(gòu)和一個瞄準機構(gòu)，還可以包括一個脈沖寬度及頻帶寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)。
文檔編號B06B1/00GK85106830SQ85106830
公開日1987年3月11日 申請日期1985年9月10日
發(fā)明者王超然 申請人:陜西機械學(xué)院北京研究生部導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan