本發(fā)明涉及力學(xué)環(huán)境的擬態(tài)模擬，尤其涉及多自由度的機(jī)械振動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

1、在力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)領(lǐng)域，多自由度振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芨鎸?shí)地模擬實(shí)際的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，可以用于測(cè)試大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多自由度振動(dòng)激勵(lì)方式下的性能，或者用于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷和隱患。多自由度振動(dòng)試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于高鐵、汽車以及土木等領(lǐng)域中，用來(lái)測(cè)試試件的環(huán)境振動(dòng)或力學(xué)響應(yīng)特性。

2、目前的用來(lái)進(jìn)行多自由度振動(dòng)試驗(yàn)的常規(guī)裝置為正交構(gòu)型裝置(或稱正交式的裝置)。所述正交構(gòu)型裝置可以進(jìn)行六自由度振動(dòng)模擬。

3、如圖1所示，正交構(gòu)型裝置采用四二二結(jié)構(gòu)，即豎直方向采用四個(gè)作動(dòng)器、水平的兩個(gè)方向各采用兩個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行激勵(lì)。

4、現(xiàn)有常規(guī)的正交構(gòu)型裝置存在以下問(wèn)題：

5、所述正交構(gòu)型裝置在豎直方向占用四個(gè)作動(dòng)器，使平臺(tái)的底部空間較為擁擠。

6、特別是在水平方向上，為了保證試驗(yàn)時(shí)作動(dòng)器的激振性能，會(huì)在每個(gè)作動(dòng)器后面(即尾部)設(shè)置反力基礎(chǔ)，而該反力基礎(chǔ)要求固有頻率高，否則會(huì)導(dǎo)致裝置的開(kāi)環(huán)頻率特性轉(zhuǎn)折頻率和諧振峰值難以控制，這不僅會(huì)增加設(shè)備的造價(jià)，同時(shí)裝置帶寬難以提高，控制特性難以保證，增加了裝置的控制難度。

7、另外，在常規(guī)的正交構(gòu)型裝置中，平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)方向是平面內(nèi)的，常規(guī)作動(dòng)器也是水平布置，導(dǎo)致作動(dòng)器方向與平臺(tái)的方向一樣，從而占用了更大的水平空間。

8、在某些情況下，試驗(yàn)時(shí)空間較小或者試件需要占用一部分空間時(shí)，現(xiàn)有常規(guī)的正交構(gòu)型裝置因占用空間較大，難以滿足此種場(chǎng)景下的多自由度振動(dòng)試驗(yàn)要求。

9、目前亟需一種結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小的振動(dòng)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了機(jī)械振動(dòng)裝置，解決了現(xiàn)有常規(guī)的正交構(gòu)型裝置所存在的占用空間大的問(wèn)題。

2、本發(fā)明所述的機(jī)械振動(dòng)裝置，所述裝置包括平臺(tái)、3個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器以及3個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)；

3、所述3個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器與所述3個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)正交布置；

4、所述3個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器的上端分別與平臺(tái)的底面固定連接，所述3個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器的下端分別與固定底座固定連接，用于完成z軸方向激振；所述3個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器按三角形三個(gè)頂點(diǎn)方位布置，其中1個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器布置在所述平臺(tái)沿x軸方向的中線上，另外2個(gè)z軸方向激振作動(dòng)器對(duì)稱于所述平臺(tái)沿x軸方向的中線布置；

5、所述3個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)水平布置于所述平臺(tái)的相鄰兩邊，其中：1個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)沿x軸方向布置于所述平臺(tái)的一個(gè)側(cè)邊，用于完成x軸方向激振；另外2個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)沿y軸方向布置于所述平臺(tái)的另一個(gè)側(cè)邊，用于完成y軸方向激振；

6、所述豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)包括反力支架、豎向激振作動(dòng)器、彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸、連接傳動(dòng)桿；

7、所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的中部與所述反力支架的上端通過(guò)銷軸活動(dòng)連接；所述反力支架沿z軸方向布置；所述反力支架的底端固定于固定底座上；

8、所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的左端與所述連接傳動(dòng)桿的一端鉸接；所述連接傳動(dòng)桿沿水平方向布置；所述連接傳動(dòng)桿遠(yuǎn)離彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的一端與所述平臺(tái)的側(cè)邊鉸接；

9、所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的右端與所述豎向激振作動(dòng)器的一端鉸接；所述豎向激振作動(dòng)器沿z軸方向布置；所述豎向激振作動(dòng)器的底端與固定底座鉸接；

10、所述豎向激振作動(dòng)器用于產(chǎn)生豎直方向激振力或運(yùn)動(dòng)行程，豎直方向激振力或運(yùn)動(dòng)行程經(jīng)所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)化為所述連接傳動(dòng)桿的水平方向激振力或運(yùn)動(dòng)行程，施加于所述平臺(tái)的側(cè)邊。

11、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的左端與所述連接傳動(dòng)桿的一端、所述彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的右端與所述豎向激振作動(dòng)器的一端、所述連接傳動(dòng)桿遠(yuǎn)離彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的一端與所述平臺(tái)的側(cè)邊以及所述豎向激振作動(dòng)器的底端與固定底座，均通過(guò)關(guān)節(jié)鉸鉸接。

12、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于沿y軸方向布置于所述平臺(tái)的一個(gè)側(cè)邊的2個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)：

13、與所述平臺(tái)的側(cè)邊連接的2個(gè)連接傳動(dòng)桿，對(duì)稱于所述平臺(tái)沿y軸方向的中線布置，并與所述平臺(tái)的側(cè)邊垂直；

14、對(duì)于沿x軸方向布置于所述平臺(tái)的一個(gè)側(cè)邊的1個(gè)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)：

15、與所述平臺(tái)的側(cè)邊連接的1個(gè)連接傳動(dòng)桿，沿所述平臺(tái)沿x軸方向的中線位置布置，并與所述平臺(tái)的側(cè)邊垂直。

16、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)用于放大所述豎向激振作動(dòng)器產(chǎn)生的豎直方向激振力，轉(zhuǎn)化為所述連接傳動(dòng)桿的水平方向激振力；或者用于放大所述豎向激振作動(dòng)器產(chǎn)生的豎直方向運(yùn)動(dòng)行程，轉(zhuǎn)化為所述連接傳動(dòng)桿的水平方向運(yùn)動(dòng)行程：

17、設(shè)豎向激振作動(dòng)器的作用力臂為m，是從彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的銷軸的中心點(diǎn)至彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸右端與豎向激振作動(dòng)器的鉸接連接處的中心點(diǎn)的距離；

18、連接傳動(dòng)桿的作用力臂為n，是從彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的銷軸的中心點(diǎn)至彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸左端與連接傳動(dòng)桿的鉸接連接處的中心點(diǎn)的距離；

19、豎向激振作動(dòng)器的出力為f，其對(duì)應(yīng)的空間矢量為連接傳動(dòng)桿的出力為f，其對(duì)應(yīng)的空間矢量為

20、作用力臂m對(duì)應(yīng)的空間矢量為作用力臂n對(duì)應(yīng)的空間矢量為則：

21、

22、當(dāng)n>m時(shí)，所述豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)用于放大所述豎向激振作動(dòng)器產(chǎn)生的豎直方向運(yùn)動(dòng)行程，轉(zhuǎn)化為所述連接傳動(dòng)桿的水平方向運(yùn)動(dòng)行程；

23、當(dāng)m>n時(shí)，所述豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)用于放大所述豎向激振作動(dòng)器產(chǎn)生的豎直方向激振力，轉(zhuǎn)化為所述連接傳動(dòng)桿的水平方向激振力。

24、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述連接傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度與其桿直徑的比值在10以上。

25、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述關(guān)節(jié)鉸包括軸承座、軸承、軸承窩、法蘭、限位螺栓、楔塊以及預(yù)緊螺栓；

26、所述軸承兩端固定于軸承座上；

27、所述軸承窩與所述軸承活動(dòng)連接，所述軸承窩用于繞所述軸承旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)；

28、所述楔塊用于調(diào)整所述軸承窩與所述軸承之間接觸面的間隙，所述限位螺栓用于限定楔塊的位置；

29、所述預(yù)緊螺栓用于調(diào)整所述軸承窩與所述軸承之間接觸面的摩擦力的大??；

30、所述軸承窩的一端與法蘭固定連接。

31、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述法蘭包括上法蘭和下法蘭；

32、所述上法蘭和下法蘭通過(guò)螺栓或其他緊固方式連接在一起。

33、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述軸承窩繞所述軸承旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度為±30度，擺動(dòng)的角度±10度。

34、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述裝置采用零點(diǎn)線性化方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解。

35、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，在所述零點(diǎn)線性化方法中，需演算出所述裝置的自由度合成因子和自由度分解因子：

36、根據(jù)所述豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)，自由度合成因子d和自由度分解因子c分別為：

37、

38、其中，m為豎向激振作動(dòng)器的作用力臂，是從彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的銷軸的中心點(diǎn)至彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸右端與豎向激振作動(dòng)器的鉸接連接處的中心點(diǎn)的距離；

39、n為連接傳動(dòng)桿的作用力臂為，是從彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的銷軸的中心點(diǎn)至彎轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸左端與連接傳動(dòng)桿的鉸接連接處的中心點(diǎn)的距離。

40、本發(fā)明有以下有益效果：

41、1.本發(fā)明所述的機(jī)械振動(dòng)裝置，通過(guò)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)，能用較少的作動(dòng)器激振力或較少的作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)行程產(chǎn)生同樣的激振效果，裝置占用空間小。

42、2.本發(fā)明所述的機(jī)械振動(dòng)裝置，通過(guò)豎向轉(zhuǎn)水平激振作動(dòng)機(jī)構(gòu)，改變動(dòng)作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向，使作動(dòng)器豎直布置，節(jié)省了水平空間。

43、本發(fā)明所述的機(jī)械振動(dòng)裝置，適用于力學(xué)環(huán)境的擬態(tài)模擬。