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1、振动、冲击试验夹具设计详解夹具的设计与制造1引言振动和冲击试验夹具设计，有时被称为不正规技术。当人们看到一个有经 验的夹具设计师不经任何计算而设计出夹具，就加强了这种想法。如果某 人要按分振动教材书去设计，他就会立即感到，诸如刚度矩阵也都用不 上。于是这种想法就更进一步加深了。一些夹具设计者，只计算一些简支 梁的振型，却很少去计算整个夹具的响应，只有及少数设计师能够恰如其 份地运用逻辑程序去阐述并成功地设计夹具。许多评论者认为，对一个夹 具不可能作出满意的分析。所以一个成功的设计，部分靠运气，部分凭经 验。对夹具各个部分作出合理的逐步分析后，就能够完成夹具的设计。夹具振 动的误差，不会超过10
2、%或20%，这样的误差通常是允许的。精度提得越 高，需要花费的时间和努力就越大。在机械工程方面有一定学位的人，并不一定设计出好夹具；而许多没有学 位的人反到设计出优秀的夹具。对于夹具设计者，有了机械制造与电子学 的基础，加上工程经验，特别是加工的经验。其次单位内外的制造的能力 就能制造出一个好的夹具。2夹具的功用试验样品的安装有二种方法，一种是直接安装在振动台台面上（即动圈 上），另一种是通过过渡装置安装在振动台的台面（即动圈）上，这种过 渡装置在振动和冲击试验中将其称为夹具。可见夹具的功用，就是将振动 台（或冲击机）的振动和冲击能量通过机械连接不失真、不放大、一比一 的传递传给试件，从而保证
3、试验样品经受到所规定的试验应力，当然这是 理想状态。图1给出的电一机械方块图，表示振动试验系统各部分的关 系：实线表示电能传递路线，虚线表示机械能传递路线。3夹具基本要求上面已说了振动、冲击试验夹具的功用就是将振动台（或冲击机）产生的 机械能传递给试件。夹具在总体设计方面所遇到的困难是必须设计出重量 最小、刚性最大、在试验频率范围内不会发生结构共振的夹具。夹具设计 往往取决于工程经验，夹具设计一般比较费时、费力，不仅要考虑夹具本 身的特性，而且要尽量减少夹具与试件的相互影响。夹具设计应包括分析 和预计试件的最低阶振型。夹具设计的理论计算主要包括刚度、质量和固有频率三个基本参数。刚度 包括刚体平
4、移、刚体旋转及刚体弯曲；阻尼并不明显地改变固有频率，仅 改变振动幅值。影响固有频率的二个要素为质量和刚性。对于复杂夹具的 固有频率，Dunkerley方程提供了一种方法，即通过结合复合结构元件中 的非偶合型固有频率来估计系统的固有频率。夹具设计时必须进行的几个 最基本设计如下。（1）夹具的固有频率应满足试验的频率范围许多产品的可靠性与环境试验要求的试验频率范围一般为102000Hz， 所有试验必须使用电磁振动台。电磁振动台是目前最先进最常用的振动 台，其最低频率一般为510Hz,最高频率可达30004000Hz以上。为 了满足102000Hz试验频率范围，在此频率范围，夹具的频响特性要平 坦，
5、夹具设计和计算（或测定）时，其一阶频率应高于最高试验频率。这 对于小型、简单夹具是易做到的，但对大型复杂夹具则很困难甚至是不可 能的。即使这样，设计计算（或测定）夹具的一阶固有频率也应高于试件 的一阶固有频率，以避免发身夹具与试件的共振偶合。嘉峪检测网提醒在 确定试件的固有频率时，可以把试件划分为梁、板等元件，计算各个元件 的固有频率，然后用Dunkerley方程计算试件的固有频率。（2）对夹具重量（振动台额定推力）的验算 对夹具重量（振动台额定推力）的验算，主要考虑振动台的承载重量 W和 试验加速度a。当正弦振动试验的最大加速度为a时，振动台的正弦推力 F应大于W.a ；当随机振动试验的总均
6、方根加速度值已知为arms时，振动 台的随机推力F应大于（W1+W2+W3）. arms。式中：W1 :试验样品重 量，W2:夹具重量，W3:振动台动圈重量。设计用来支撑试件的夹具， 试件的尺寸和形状是必不可少的，因为它们决定夹具的尺寸和形状。你还 必须试件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，试件和夹具的合成 重心尽可能精确地落在振动台的中心线上。温度对夹具的性能也是有影响的，当一夹具要用于温度振动试验时，就要 注意这一点，高温可使金属产生塑性屈服，低温可使材料冷脆。一个好的夹具至少应满足下列要求：（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，夹具的第一阶固 有频率应高于最高试验频率，
7、还应避免发生夹具与产品的共振耦合。（2）夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时 激励输入的均匀性。（3）夹具的刚度质量比要足够大。（4）夹具的阻尼要大，夹具共振时（第一阶固有频率），其品质（放 大）因数Q不应大于4。（5）夹具的质量最好是试件的24倍。通常在估算振动台需要的推力的 时，用此比值就行。（6）夹具横向运动（指垂直于激振方向）要尽量小。接点的运动都一致是困难的，在某些频率下，出现相位和振幅的差别，其 差别有时最高到50: 1，这从台面上几个加速度计的输出中就能看到。一 个好的设计能够部分地使差别减至最小，而且能够在实验规范要求的频率 范围内，使得各加速度计之间的差
8、别达到容许限度，很大程度上决定于夹 具和振动台的尺寸。无论你的设计和制造出的夹具多么好，如果合力超出 振动台规定的倾覆力矩，运动将不再是线性的，而且各加速度计输出差别 很大。4夹具的基本形式夹具的种类繁多，差别很大，从专门用途以及设计上的差别可分为:（1）平板型夹具平板型夹具的作用是把试件与振动台面连接起来，若没有这样的板，要使 试件与振动台面直接连接进行振动试验或冲击试验，就很少有这种可能 性。此外这种板减少了对振动台面上衬套的磨损以及衬套从台面上脱出的 危险。平板型夹具绝大部分是价值不大的消耗品，如简单的平板。但有些需精心 制作。如需长期的、大量的做试验用，这些板就应当精心设计。实际的例
9、子就是，把大量零件放到一块大型转接板上在大振动台上做试验，这要比 只是单个或有限个零件放在小振动台上做试验经济得多。一般地讲，过度 板的尺寸是任意的，直到和振动台面的直径一般大（有时允许稍微超出一 些）。厚度可以从2.5cm到15cm任选。埋螺钉头的孔一般是用平底打孔 钻钻成。并用钢制平垫圈（机加工并淬火）以保护肩部。（2）立方型夹具立方体夹具主要用于小型零构件的振动冲击试验。可以直接固定振动台 上。也可以由过度板来固定。当装在顶面上的试件接受垂直方向的振动冲 击时，其它四个平面（在四周上）都能接受到平行方向的振动冲击。四周 上的任一快板均能转900 （在基平面内旋转）用于经受平行于基平面的二
10、 个方向的振动或四个方向冲击（冲击有正向冲击和反向冲击之分，故比振 动多了二个方向）。立方体上有螺钉衬套，用螺钉连接板（或者与试件直接相连）。夹具上还 必需有连接气、液、或电器的安装孔。（3）过度架型夹具过度架型夹具主要用于整机产品的试验，这种夹具要根据试验样品的形状 来设计。所以不同形状的样品，其夹具的形状也不相同。过度架型夹具的 形状、刚度和强度要尽量接近样品在实际使用中的情况。（4）L形夹具L形夹具的各部分可用螺接，亦可用粘结或焊接结合起来，或者用整块料 机械加工而成。（5）T形夹具T形夹具除了垂直平板装在中心位置外，其他方面和L形夹具相类似。试 验件可以同时固定在垂直平板的两面，只要夹
11、具比试件重，就很容易做到 使试件/夹具的组合重心通过振动台的轴线。除上述5种形式外，还有各种 形式的夹具等。5夹具的材料和制作方法5.1制作的夹具材料在制作夹具的过程中，通常是首先选择制作方法，然后是选择材料。就材 料而言，材料的强度和疲劳特性在夹具设计中很少需要考虑。因为夹具高 频特性所要求的刚性使得夹具非常结实。很少因强度不足而损坏的。由于重量常常是夹具最关键的参数，所以铝和镁是最常用的材料。对同一 尺寸大小的金属而言，铝（密度0.1磅/英寸3）比镁（0.065磅/英寸3） 重1/3，而钢（0.3磅/英寸3）比镁重四倍。嘉峪检测网提醒某些铝镁合金 的阻尼特性比钢好，加工也便宜。控制固有频率
12、的因素是E/P，其中E是 杨氏模数（磅/英寸3）, P是密度（磅/英寸3）。对于大多数金属来说 E/P比值约为108。因此，为一些特殊设计精选材料并不会明显改变其频 率特性。夹具设计者要考虑材料的价格。一次购买大量的材料虽然贮存起来可能困 难，但能节省资金。只要付给少量的附加费用，供应者常常能够粗略地把 板材切割成最适用的尺寸。设计人员经常要帮助他们的采购人员去寻找最 好的供应者。镁在机械加工时，经常要提醒有关着火的危险性。主要危险是精刨或镁屑 集中处，如有一个小颗粒被点着就会导致全部爆发。加强厂房管理就可以避 免这种危险。5.2用整块原材料机械加工制造夹具用一块整块材料经机械加工来制作夹具是
13、经常用的方法，这是最快最省的 方法。对于小试件来讲，尤为正确。镁材，机械加工最快最容易。全部金 属切削工作都能以最高的机械加工速度进行。磨、镗、钻和插等都能以任 何其他金属加工难以达到的速度完成。镁的切削速度比铝约快20%，是钢 的三倍。当夹具是用螺钉将各部分连成一体时，会出现配合和预应力问题。整体机 械加工就避免了上述问题。当然，试件装到某一夹具上也需要用一些连接 件。5.3.焊接夹具在振动试验的早期，大约20世纪40年代-50年代，曾广泛使用螺接家 具。但其最明显的缺点是不能防止夹具各部分的相对运动，造成波形有毛刺畸 形，这样铸造夹具就普遍被采用了。由于铸造夹具成本高，生产周期长， 因此导
14、致目前又普遍使用焊接夹具。许多试验计划又不允许将机动时间用 于铸造夹具，正如我们见要看到的另外几种方法，正在受到欢迎。因为它 们更节省费用和时间。在机加工中发现一个有趣的对比：现在80%是焊接 的，20%铸造的。焊接夹具很早就使用过，但并不十分成功。焊件时常破坏，许多焊件在振 动载荷下断裂。但焊接夹具比铸造夹具省时间（是铸造时间的1/7 ），费 用节省，是铸造的1/3，随当今焊接技术的不断提高，焊接夹具已用得愈 来愈多。5.4螺接夹具螺接夹具加工简单，但要想要获得很好的性能，无论在设计方面还是在制 作方面都需要作相当大的努力。因此，通常是首先考虑用一块整材经机械 加工和焊接夹具。不管怎么说，振
15、动试验新手总想至少来一次螺接夹具的 尝试。螺接是连接各部件的常用合理方法。但它不是指夹具各部分。在某 些情况下（尤其是在试件的四周安装夹具）螺接是唯一的解决的办法。关 于夹具和激振器螺接的好多事项，也适用于夹具中几个部件螺接在一起的 情况以及把试件螺接到夹具上的情况。在螺接夹具中有二个主要要求：（1）配合面要加工到很高的配合精度。（2）螺栓的预紧力比计算的最大分离力至少要大10%。如果没有足够的 预紧力，部件会脱开相互撞击。因为这个问题很重要，如果忽视了，在正 弦和随机试验中会带来一些麻烦。当部件互相脱开又碰撞在一起时就会引起撞击。（这就是在振动时间历程 图上见到的“毛刺”）。这种撞击常常会造
16、成超过试验规定的应力和频率范 围。从而导致试件不应有的（而且不许可的）损坏，同时也造成试验控制 很困难，例如试验中断。为了使装配好的零件总是结合在一起，必须大量使用高强度螺钉，并拧紧 之。螺栓间距一定要小，否则螺栓间的跨度会发生共振。用大型夹具并要 求试验到2000Hz,则螺栓间距不得超过75mm。用螺栓压住簿的聚脂簿条 或表面敷有涂层的布条有助于防止局部运动。由于铝材和镁材柔软，螺栓应用粗制而不是精制螺纹。如果夹具要多次拆卸， 螺纹应加钢制螺纹衬套。螺栓头应紧压在淬过火的钢制平垫圈上，以保护螺 栓头下面的肩部。要注意防止依靠螺栓受剪传递振动力的危险性，除了小部件或在低加速度 情况下，一般不要单独依靠螺栓传递这种力，如可能的话，用某些方法增 加各部件之间的摩擦力。5.5铸造夹具在要求有曲面的地方（特别是弧度不是常数）应
