三轴向振动复合试验装置专利目的

《三轴向振动复合试验装置》提供一种三轴向振动复合试验装置，其目的是在2009年2月前三轴向静压轴承式三轴振动复合装置的基础上进行改进，既降低加工制作难度、降低成本，又近一步提高工作频率的上限增大工作频率范围，增强抗倾覆力矩能力。

三轴向振动复合试验装置技术方案

《三轴向振动复合试验装置》采用的技术方案是：一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面，该工作台面在垂直的Z轴向上经第一传振机构连接Z轴向振动发生器，在水平的X轴向上经第二轴向传振机构连接X轴向振动发生器，在水平的Y轴向上经第三振动发生器连接Y轴向振动发生器，其特征在于：所述第二轴向传振动机构和第三轴向传振机构均为十字直线导轨副，所述十字直线导轨副包括滑块、横向导轨以及纵向导轨，横向导轨和纵向导轨十字交叉布置于滑块的两侧，且与滑块构成滑动连接；横向导轨和纵向导轨两者中，一者与X轴向或Y轴向振动发生器的固定连接，另一者与工作台面固定连接；

所述第一轴向传振机构包括上、下夹板以及中心嵌板，所述上、下夹板上下相对水平布置，中心嵌板位于上、下夹板之间，上、下夹板相对夹持中心嵌板，中心嵌板的上表面与上夹板的下表面间隙配合形成上配合平面，中心嵌板的下表面与下夹板的上表面间隙配合形成下配合平面，上、下夹板或中心嵌板上设有向上配合平面间隙和下配合平面间隙注油的注油通道，泵入高压油，在上配合平面间隙和下配合平面间隙中形成静压油膜，构成静压平面轴承机构；该静压平面轴承机构与Z轴向振动发生器、工作台面的连接关系为：

所述中心嵌板与工作台面固定连接，所述上夹板或下夹板经连接件与Z轴向振动发生器的固定连接；或者，所述上夹板或下夹板与工作台面固定连接，或上夹板的上表面作为工作台面；所述中心嵌板经连接件与Z轴向振动发生器的固定连接。

上述两个技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述Z轴向、X轴向、Y轴向振动发生器可以采用电动振动台、机械振动台、液压振动台或机械振动机构，其中机械振动机构是指能够产生机械振动的机构。

2、上述方案中，所述上、下夹板穿置有拉力螺钉，上、下夹板通过拉力螺钉连接构成可调间距式夹持结构。使用时，可通过旋动拉力螺钉调整上、下夹板的间距，即调整配合平面间的间隙大小，调节静压油膜的刚度。

3、上述方案中，还包括一Z轴导向支架，该Z轴导向支架相对Z轴向振动发生器的台体固定，所述Z轴导向支架上沿Z轴开设有导向孔，所述连接件中部穿过所述导向孔，所述导向孔的内表面与连接件的外表面间隙配合构成配合面，该配合面间泵入高压油，形成静压油膜，构成静压轴承导向结构。

4、上述方案中，所述工作台面的周向至Z轴导向支架周向之间连接有一环形防尘膜，利用环形防尘膜将试件工作台至Z轴导向支架间在周向上封闭，以防灰尘等杂物进入静压轴承处。

《三轴向振动复合试验装置》的设计构思是：该发明申请人对2009年2月前各类三轴振动复合试验装置（特别是三轴向静压轴承式振动复合试验装置）进行了深入试验分析。经多次试验论证，发现垂直Z轴向振动时的频响特性、工作频率上限等性能指标较水平X轴向、水平Y轴向差很多，即垂直Z轴向的振动工作频率即决定了整个装置的工作频率。故申请人在改进三轴向静压轴承式振动复合试验装置时，保留其垂直Z轴向上的静压平面轴承作为轴向传振机构，而将X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，可使三轴复合的工作频率范围提高至2000Hz以上。具体分析如下：因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用置压力施加板，可以尽可能地缩短工作台面至垂直Z轴向上的Z轴向振动发生器的距离（即降低了工作台面），从而提高了整体的刚性、减少了运动部件的质量。刚性提高及运动部质量下降，这两点使工作频率上限近一步提高。并且，十字直线导轨副可采用外购件，从而简化了结构，降低了制造的难度，降低制造成本。

《三轴向振动复合试验装置》有以下三种使用情况：

第一种：单轴向作用的振动试验；如进行Z轴向振动试验时，只要起动Z轴向振动发生器发出Z轴向的振动，因工作台面与振动发生器间经第一轴向传振机构连接，轴向传振方向正是Z轴向，而X轴向和Y轴向为自由滑动配合，Z轴向振动发生器发出的振动经第一轴向传振机构传递给工作台面，实现单Z轴向的振动试验。进行X轴向和Y轴向振动时也只要起动相对应方向上的振动发生器即可，工作过程与上述相似。

第二种：两个轴方同时作用的复合振动试验；虽产品应用中的振动环境本质上是三轴同时发生的，当其中一个轴向与其余两向相比振动很小以至于可以忽略，或者其中一个轴向对振动试验的结果影响不大，我们可以对试件使用两个轴向同时振动试验，相比两个轴向分开振动，它可以更准确地复现真实工况。使用时，起动相对应的两个轴向上的振动发生器即可，它们发出的振动会经轴向传振机构传递至工作台面上迭加作用，实现两轴向复合振动试验。

第三种：三个轴向同时作用的复合振动试验；三轴向复合振动最接近自然真实的环境。使用时，起动三个振动发生器，三个振动发生器发出的振动经轴向传振机构同时迭加作用在工作台面上，实现三轴向复合振动试验。

三轴向振动复合试验装置改善效果

1、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用布置压力施加板，尽可能地缩短了工作台面至垂直Z轴向上的Z轴向振动发生器的距离（即降低了工作台面），从而提高了整体的刚性。

2、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用布置压力施加板，减少了中间立方体，同时减少了三轴向的运动部件的质量。

3、《三轴向振动复合试验装置》刚性提高及运动部质量的下降，这两点使工作频率上限进一步提高。

4、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，降低工作台面，从而提高了抗倾覆力矩的能力。

5、《三轴向振动复合试验装置》十字直线导轨副可采用外购件，简化了整体结构，降低了制造的难度，大幅降低制造成本。

产品在实际工况下经受的自然振动是X、Y、Z三轴向的复合振动。为了真实反应产品的抗振性能，模拟出自然振动环境，人们经多年尝试设计出了三轴向振动复合试验装置。

截至2009年2月，中国国内外三轴向振动复合试验装置已公开有多种，这些试验装置的结构总体为：包括一用于安装试件的工作台面1，以工作台面1为基准，在X、Y、Z三轴向上各布置一振动发生器2，工作台面1与各振动发生器2间经轴向传振机构连接。轴向传振机构的作用是在该轴向上构成刚性连接，将振动发生器2的激振力传递至工作台面1上，而在另两个轴向上解耦。2009年2月前各式三轴向振动复合的装置中，具代表性有以下两种：

A、十字直线导轨式的三轴向振动复合试验装置；参见中国专利公报于2008年8月13日公开了公开号为101241036A，名称为《振动台三向激振平台的连接机构》的发明专利申请。结构见附图1、附图2，其X、Y、Z三轴向上的力传递机构（即轴向传振机构）均为十字直线导轨副3，具体是由滑块4和与滑块4的上、下端面分别滑动连接的横向导轨5和纵向导轨6构成。这种三轴向振动复合试验装置因轴向传振机构采用十字直线导轨副3，整体结构简单，十字直线导轨副3可外购，制造成本低，但是该装置存在以下不足：

1、各轴向运动质量有很大差异。

2、其从振动发生器2至工作台面1的传力路径上连接关节过多从而影响了振动频率响应特性，特别是其垂直Z轴向上振动响应特性很差，导致其适用于低频振动试验。

B、静压式三轴向振动复合试验装置；参见美国专利公报公开有专利号为5,549,005的美国专利。结构见附图3，在工作台面1下固连一中间立方体7，该中间四方体7的左右、前后以及下方设有压力施加板8，各压力施加板8与中间四方体7以平面间隙配合，在各间隙配合平面间注高压油形成静压油膜9，从而构成三个轴向的静压平面轴承结构，各压力施加板8外侧固连连接轴10，通过连接轴10连接各轴向的振动发生器2。简而言之，这种三轴向振动复合试验装置是采用静压平面轴承作为轴向传振机构将工作台面1与单轴向振动发生器2连接。这种三轴向振动复合试验装置，工作中各轴向上运动部件少、质轻，振动频率范围宽，其工作频率上限达1000千Hz以上，频响特性较佳，但是，它仍存在以下不足：

1、制造方面，因三轴向均采用静压轴承结构，结构较复杂，各配合平面加工要求高、难度大，制造成本高昂。

2、振动试验性能方面，因工作台面1下需设一定高度的中间立方体7以便布置压力施加板8，这就增加了工作台面1至垂直轴向上的振动发生器2的距离（即抬高了工作台面1），从而在一定程度上影响了整体的刚性；因工作台面1下需设中间立方体7以及多块压力施加板8，增加了运动部件的质量；刚性差及运动部质量大，这两点直接限制了工作频率的进一步提高；并且，工作台面1的抬高，也直接导致抗倾覆力矩能力的下降。

附图1为2009年2月前十字导轨式三轴向振动复合试验装置的结构主视示意图；

附图2为附图1的俯视示意图；

附图3为2009年2月前静压式三轴向振动复合试验装置的结构示意图；

附图4为《三轴向振动复合试验装置》实施例一结构主视示意图；

附图5为附图4的俯视示意图；

附图6为《三轴向振动复合试验装置》实施例二结构主视示意图；

附图7为附图6的俯视示意图；

附图8为《三轴向振动复合试验装置》实施例三结构俯视示意图。

以上附图中：1、工作台面；2、振动发生器；3、十字交叉的直线导轨副；4、滑块；5、横向导轨；6、纵向导轨；7、中间立方体；8、压力施加板；9、静压油膜；10、连接轴；11、；12、导轨；13、附加台面；20、工作台面；21、Z轴向振动发生器；22、X轴向振动发生器；23、Y轴向振动发生器；24、第一轴向传振机构；25、第二轴向传振机构；26、第三轴向传振机构；27、上夹板；28、下夹板；29、中心嵌板；30、注油通道；31、滑块；32、横向导轨；33、纵向导轨；34、拉力螺钉；35、Z轴导向支架；36、导向孔；37、连接件；38、静压油膜；39、环形防尘膜；40、直线导轨连接件；41、连接体；42、避让槽；43、避让槽；44、附加台面；45、静压油膜。

《三轴向振动复合试验装置》涉及力学环境试验设备，具体涉及一种X、Y、Z三轴向振动复合试验装置。该三轴向振动复合试验装置可用于模拟X、Y、Z三个轴向单独作用的振动环境，也可用于模拟X、Y、Z三个轴向同时作用的复合振动环境。

1、一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面（20），该工作台面（20）在垂直的Z轴向上经第一传振机构（24）连接Z轴向振动发生器（21），在水平的X轴向上经第二轴向传振机构（25）连接X轴向振动发生器（22），在水平的Y轴向上经第三振动发生器（23）连接Y轴向振动发生器（23），其特征在于：所述第二轴向传振动机构（25）和第三轴向传振机构（26）均为十字直线导轨副，所述十字直线导轨副包括滑块（31）、横向导轨（32）以及纵向导轨（33），横向导轨（32）和纵向导轨（33）十字交叉布置于滑块（31）的两侧，且与滑块（31）构成滑动连接；横向导轨（32）和纵向导轨（33）两者中，一者与X轴向或Y轴向振动发生器的固定连接，另一者与工作台面（20）固定连接；所述第一轴向传振机构（24）包括上、下夹板（27、28）以及中心嵌板（29），所述上、下夹板（27、28）上下相对水平布置，中心嵌板（29）位于上、下夹板（27、28）之间，上、下夹板（27、28）相对夹持中心嵌板（29），中心嵌板（29）的上表面与上夹板（27）的下表面间隙配合形成上配合平面，中心嵌板（29）的下表面与下夹板（28）的上表面间隙配合形成下配合平面，上、下夹板（27、28）或中心嵌板（29）上设有向上配合平面间隙和下配合平面间隙注油的注油通道（30），泵入高压油，在上配合平面间隙和下配合平面间隙中形成静压油膜（45），构成静压平面轴承机构；该静压平面轴承机构与Z轴向振动发生器（21）、工作台面（20）的连接关系为：所述中心嵌板（29）与工作台面（20）固定连接，所述上夹板（27）或下夹板（28）经连接件（37）与Z轴向振动发生器（21）的固定连接；或者，所述上夹板（27）或下夹板（28）与工作台面（20）固定连接，或上夹板（27）的上表面作为工作台面（20）；所述中心嵌板（29）经连接件（37）与Z轴向振动发生器（21）的固定连接。

2、根据权利要求1所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：所述上、下夹板（27、28）设有拉力螺钉（34），上、下夹板（27、28）通过拉力螺钉（34）连接构成可调间距式夹持结构。

3、根据权利要求1所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：还包括一Z轴导向支架（35），该Z轴导向支架（35）相对Z轴向振动发生器（21）的台体固定，所述Z轴导向支架（35）上沿Z轴开设有导向孔（36），所述连接件（37）中部穿过所述导向孔（36），所述导向孔（36）的内表面与连接件（37）的外表面间隙配合构成配合面，泵入高压油，该配合面间形成静压油膜（38），构成静压轴承导向结构。

4、根据权利要求3所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：所述工作台面（20）的周向至Z轴导向支架（35）周向之间连接有一环形防尘膜（39）。

• 实施例一

参见附图4～5所示，一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面20，该工作台面20在垂直的Z轴向上经第一轴向传振机构24连接Z轴向振动发生器21，在水平X轴向上经第二轴向传振机构25连接X轴向振动发生器22，在水平Y轴向上经第三轴向传振机构26连接Y轴向振动发生器23。

所述第一轴向传振机构24包括上、下夹板27、28以及中心嵌板29，所述工作台面20下设一连接体41，该连接体41截面为“H形”，其周向壁顶端与工作台面20底面固定连接，其中心横向板体即为中心嵌板29，所述上、下夹板27、28相对水平分置于连接体41的中心横向板体（即中心嵌板29）的上下，中心嵌板29的中心开避让槽42，上、下夹板27、28中心经避让槽42穿置拉力螺钉34，上、下夹板27、28过拉力螺钉34连接，上、下夹板27、28相对夹持中心嵌板29。避让槽42的大小需大于该装置X轴向及Y轴向的移动范围，工作过程中，拉力螺钉34不会碰及槽42的侧壁。上夹板27的下表面与中心嵌板29的上表面间隙配合构成上配合平面，下夹板28的上表面与中心嵌板29的下表面间隙配合构成下配合平面，上、下夹板27、28上设有向上配合平面间隙和下配合平面间隙注油的注油通道30，泵入高压油，在上配合平面间隙和下配合平面间隙中形成静压油膜45，构成静压平面轴承机构；通过调节拉力螺钉34可以调整上、下夹板27、28的间距，即调节配合平面的间隙，调节静压油膜45的刚度。

所述静压平面轴承机构与Z轴向振动发生器21、工作台面20的连接关系为：所述中心嵌板29经连接体41与工作台面20固定连接，所述下夹板28经连接件37（具体为一空心轴件）与Z轴向振动发生器21固定连接。

所述第二轴向传振动机构25和第三轴向传振机构26均为十字直线导轨副，每个十字直线导轨副包括一个滑块31、一个横向导轨32以及一个纵向导轨33，横向导轨32和纵向导轨33十字交叉布置于滑块31的两侧，且与滑块31构成滑动连接；横向导轨32和纵向导轨33两者中，纵向导轨33经直线导轨连接件40与X轴向或Y轴向振动发生器22、23固定连接，横向导轨32具体与连接体41的周向侧壁固定连接，最终连接至工作台面20上。

上述装置还包括一Z轴导向支架35，该Z轴导向支架35底部对Z轴振动台台体固定，所述Z轴导向支架35上沿Z轴开设有导向孔36，所述连接件37中部穿过所述导向孔36，所述导向孔36的内表面与连接件（具体为一空心轴件）37的外表面间隙配合构成配合面，且该配合面间泵入高压油，形成静压油膜38，构成静压轴承导向结构。在连接体41底部的周向至Z轴导向支架35的顶部周向之间连接有一环形防尘膜39，将两者间的周向间隙封闭，以免使用中外界灰尘等进入静压平面轴承内部。

该实施例有以下三种使用方式：第一种：X、Y或Z轴向单独作用的振动试验；第二种：两个轴向同时作用的复合振动试验；第三种：三个轴向同时作用的复合振动试验，在进行三个方向同时作用的复合振动试验时，可以通过人为设计并协调各振动发生器的振动波形，使三轴向复合振动复现出真实工况下的自然振动波形，使之达到最接近自然真实振动效果。

• 实施例二

参见附图6～7所示，一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面20，与实施例一的区别在于：没有连接体41，直接将上夹板27的上表面作为工作台面20，中心嵌板29的底面固连连接件37，经连接件37与Z轴向振动发生器21的振动体连接；下夹板28上避让连接件37开有避让槽43；所述上夹板27的侧部直接与第二轴向传振机构25和第三轴向传振机构26中的横向导轨32固定连接。在上夹板27底部的周向至Z轴导向支架35的顶部周向之间连接有一环形防尘膜39，以封闭两者间的周向，防灰尘进入。

• 实施例三

参见附图8所示，一种三轴向振动复合试验装置，包括一个工作台面20、三个振动发生器以及三个轴向传振机构；与实施例一的区别在于：所述第二轴向传振机构25和第三轴向传振机构26为十字直线导轨副，每个十字直线导轨副各包括一横向导轨32、两纵向导轨33以及两滑块31，两纵向导轨33平行并列设置，横向导轨32和两纵向导轨33十字交叉分布，在两个交叉点上各设一滑块31，当然，横向导轨32和纵向导轨33与滑块31间还是滑动连接。两个并列的第二轴向传振机构25/第三轴向传振机构26中的纵向导轨33通过附加台面44与X轴向振动发生器22/Y轴向振动发生器23固定连接。

其它同实施例一，这里不再赘述。

上述实施例三是工作台面20面积尺寸较大时，故在此情况下采用的具两纵向导轨33的十字直线导轨副。实际使用中，十字直线导轨副中横向导轨32、纵向导轨33以及滑块31的具体数量不限，可按工作台面20的面积大小及厚度调整。

2016年12月7日，《三轴向振动复合试验装置》获得第十八届中国专利优秀奖。

用于进行三轴向振动耦合，实现空间三轴向振动的复现。

由玻璃纤维等特殊材料编织的“多轴向经编织物”经涂层等后整理后形成的复合材料。多轴向经编复合材料中，各类原料的衬纬纱线可各种角度铺衬多层，也可同时喂入纤维网等非织造布，使纱线的机械潜能得到充分的发挥和利用。多轴向经编复合材料受力时几乎各向同性，具有较高的抗拉伸强力和剪切阻力，具存极好的涂层分布和内聚力，且重量轻、表面平整、难腐蚀、易涂层，被广泛用作各类增强、过滤、防辐射等产业用布及航空、航天等高科技材料。

现有摩擦焊技术由于热源输入单一、空间成形轨迹适应性差、难以连续填充材料和大顶锻力等因素，极大地限制其推广应用。 课题创新提出了一种复合轴向振动的旋转消耗极摩擦焊新技术。该技术借用消耗极旋转及轴向振动摩擦生热，使摩擦界面能量以高频小位移方式输入，以小顶锻力实现界面附近材料双向搅拌作用，提供了成形界面间塑变、流动、扩散与再结晶过程所需的热、力条件，最终形成消耗极与母材连续的冶金结合。课题在研究复合运动作用下摩擦焊过程消耗极和融合区全局耦合动力学模型的基础上，掌握了其准稳态过程与消耗极扭振等动力学行为特征；并以典型材料和结构为对象进行仿真与实验研究，定量分析了轴向振动参数等对连续填充过程影响，获得了消耗极长压杆扭振规律和小顶锻力建立准则，并搭建了该技术工艺系统原型。成果提供的振动摩擦复合、小顶锻力、适于各类空间轨迹成形与便捷实施的新材料连接技术和理论，为摩擦焊技术应用提供新途径，具有重要理论与工程意义。