孫欽密　張衛(wèi)東　馬睿松　任　翔

(河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

0　引言

振動臺(或振動器)按能源提供形式大致分為機械式、氣動式、電動式、液壓式等。其中氣動式振動臺是利用壓縮空氣驅(qū)動氣動振動元件在既定軌道內(nèi)高速運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生激振力的試驗設(shè)備。相對其它的振動試驗平臺，氣動振動臺具有諸多優(yōu)點，如以壓縮空氣為動力，操作簡單安全，體積小，安裝簡單，激勵頻率和激振力容易控制，潔凈度高，易于滿足醫(yī)用環(huán)境條件要求等，在醫(yī)療行業(yè)有著特殊的應(yīng)用。YY/T 0506.5—2009《病人、醫(yī)護人員和器械用手術(shù)單、手術(shù)衣和潔凈服》阻干態(tài)微生物穿透試驗方法(第5部分)中要求以氣動振動臺作為試驗平臺。由于市面上沒有成熟的氣動振動臺產(chǎn)品，而且振動平臺的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計直接影響振動響應(yīng)效果，因此如何圍繞振動響應(yīng)效果設(shè)計合理的振動平臺結(jié)構(gòu)是阻干態(tài)微生物穿透試驗儀研制的關(guān)鍵。

1　氣動振動臺的設(shè)計及計量

阻干態(tài)微生物穿透性試驗儀試驗平臺是利用球式氣動振動器的激勵，使大理石板臺面產(chǎn)生一定頻率下的激振，帶動臺面上帶有試驗樣品的容器振動，以滿足醫(yī)用防護服阻干態(tài)微生物穿透試驗的工作要求。按照YY/T 0506.5—2009要求，選擇40cm×40cm×10mm大理石板為平臺，氣動振動器為激勵源，激勵源連接大理石板上面的一個側(cè)邊處,通過壓縮空氣流量,使激勵源帶動平板每分鐘產(chǎn)生約20800(約347Hz)次的振動,臺面下面各角部裝有4個橡膠支撐，有6個不銹鋼試驗容器?；Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中Φ20為與橡膠柱相配合的孔，Φ118為放置檢測物品的示意位置，模型上并不存在。長方形112×24 為放置氣動振動器的地方，基座采用大理石材質(zhì)。

圖1　基座結(jié)構(gòu)示意圖

利用振動臺檢定裝置對該振動臺進行檢定。將傳感器分別布置在激勵源旁和6個不銹鋼容器中心點位置，調(diào)整進氣壓力，使氣動球式振動臺以一定的頻率振動，測量結(jié)果如表1，在不銹鋼容器2、3處的振幅處于較大狀態(tài)。

表1　氣動振動臺面振動響應(yīng)數(shù)據(jù)和分析表

注：測量頻率為334.4Hz左右

2　氣動振動臺的振動仿真分析

2.1　仿真參數(shù)

各項仿真參數(shù)如圖2所示。

圖2　各項仿真參數(shù)

2.2　仿真計算結(jié)果分析

取20階固有頻率，對前2階進行分析，分析結(jié)果及固有頻率模式形狀對比如圖3、圖4所示(圖右側(cè)為振幅示例圖，顏色由深到淺，振幅由小到大，下同。)，一階振動頻率最大值出現(xiàn)在臺面正中心，二階振動頻率最大值出現(xiàn)在氣動振動器安裝位置。

圖3　一階振動固有頻率模式形狀

圖4　二階振動固有頻率模式形狀

2.3　裝配體的振動分析

裝配體各部分仿真材料及屬性如表2所示。

表2　裝配體各部分仿真材料及屬性

激勵施加力(取激勵振動頻率f=300Hz)：

F=650cos(2p ×300t)N

根據(jù)計算結(jié)果，前5階固有頻率模式形狀圖5，可以看出一階激振力幅值最大位置也在臺面振動器安裝位置接近臺面中心，二階在1、3位置，經(jīng)修正后的結(jié)果基本一致。

圖5　前5階固有頻率模式形狀

圖6　對6個被測物件的參考點的振幅響應(yīng)對比

圖7　改進后的基座結(jié)構(gòu)示意圖

圖8　一階固有頻率的模式形狀

圖9　一階固有頻率激振力模式

圖10　一階固有頻率振幅模式

對6個被測物件的參考點的振幅響應(yīng)進行比較，如圖6所示。

由以上的這些被測物體的響應(yīng)分析對比可知，當被測物體放置的位置對稱，則振動響應(yīng)幅值大致相同，否則，振動幅值相差較大。被測物體越靠近激勵源，則振動幅值越大，這與1、2、3點的一階頻率及激振力較大的測量結(jié)果基本一致。

3　改進的結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真

由于機械式、氣動式、電動式、液壓式振動臺的結(jié)構(gòu)一般為對稱型結(jié)構(gòu)模式，設(shè)想將氣動振動臺激勵源放在臺面中心，其它點輻射型布設(shè)在圓周上，其它試驗條件同非對稱式結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

3.1　仿真計算結(jié)果分析

在仿真參數(shù)不變的前提下，計算結(jié)果的前2階固有頻率的模式形狀為圖8，觀察結(jié)構(gòu)相對于原結(jié)構(gòu)的變形形狀，可以看出一階振動頻率幅值最大值出現(xiàn)在臺面中心，被測試點處頻率均勻分布，二階振動頻率振幅出現(xiàn)在激振器兩側(cè)。

3.2　激振力仿真

激勵施加力，取激勵振動頻率f=800Hz，F(xiàn)=650cos(2p ×800t)N，計算結(jié)果其前一階固有頻率模式如圖9所示，振幅計算結(jié)果如圖10所示，可以看出激振力在圓周各測試點均勻分布，各點振動位移大小基本一致，符合均勻分布特征。

由以上響應(yīng)圖可知，6個被測物體的振動幅值及頻率相同，所以該模型設(shè)計符合振動臺面均勻度的關(guān)鍵要求。

4　結(jié)束語

由以上兩個模型對比分析可知，為了使各被測物體的振動位移盡可能的相同，盡量使振動機構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱，被測物體的放置位置離激勵源的距離盡量相同。阻干態(tài)微生物穿透性試驗儀采用改進后的實驗平臺結(jié)構(gòu)，具有更佳的振動響應(yīng)效果。

根據(jù)仿真和測試結(jié)果可以看出，目前標準要求的氣動振動臺存在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不足：一是因為球式振動器易磨損,運行時間過長試驗效果會出現(xiàn)衰減,以氣動球式振動器作為激勵源有一定的局限性；二是將振動器放在臺面一側(cè)激勵的效果沒有在中心的效果均勻穩(wěn)定。因此,現(xiàn)行的行業(yè)標準可以考慮采用我院設(shè)計的阻干態(tài)微生物穿透性試驗儀。

[1]YY/T 0506.5—2009病人、醫(yī)護人員和器械用手術(shù)單、手術(shù)衣和潔凈服 第5部分:阻干態(tài)微生物穿透試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2009

[2]王考,陶俊勇,陳循.單錘激勵下氣動式振動臺的響應(yīng)分析[C].2007年第九屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集，杭州，2007.10

[3]張宏宇,可以簡化安裝的正弦振動試驗〔J〕.計量技術(shù)，2008(5)

[4]GB/T 13309—2007機械振動臺技術(shù)條件.北京：中國標準出版社，2007

[5]GB/T 13310—2007電動振動臺.北京：中國標準出版社，2007