一种弹簧的工作状态模拟试验系统的制作方法

本实用新型涉及弹簧性能验证试验技术领域，特别是涉及一种弹簧的工作状态模拟试验系统。

背景技术：

目前，弹簧一般作为产品的回弹元件或减振隔振元件来使用。利用弹簧的回弹功能，可以起到使开关自动复位或阀门密封的作用；同时，利用弹簧的减振隔振功能，可以减小外界激励源传递到产品上的振动，或者减少产品振动传递到周围设备上。

在静态环境的场合，一般只关心弹簧的静力特性，如静态刚度、压缩(或拉伸)变形；而在存在振动的使用环境下，通常关心的是弹簧与产品一起所组成的质量和弹簧系统的减振隔振的振动特性，如系统的共振频率、系统的有效隔振频率或系统的隔振效率等。

需要说明的是，对于弹簧，在具有较宽振动频带以及较大振动量级的激励环境下，弹簧自身也会产生共振。当弹簧自身发生共振时，弹簧的振动会放大，稳定性下降，从而影响产品的回弹、密封、减振、隔振等诸多方面的使用性能。

目前，对于尺寸较大的弹簧，可以直接在弹簧上粘贴加速度传感器或应变片的方式，然后通过对弹簧施加外部激励，从而获得弹簧自身的共振频率。但是，对于尺寸相对较小的弹簧，其表面面积小，无法粘贴加速度传感器或应变片，因此，无法通过表面粘贴加速度传感器或应变片，以及通过对弹簧施加外部激励，来获得弹簧自身的共振频率。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以可靠地对表面面积小、无法粘贴加速度传感器或应变片的弹簧施加激励，并获得用于测量弹簧共振频率所需要的数据，从而让用户可以进一步测定弹簧的共振频率。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种弹簧的工作状态模拟试验系统，其可以模拟弹簧在振动使用环境下的工作状态，可靠地对表面面积小、无法粘贴加速度传感器或应变片的弹簧施加激励，并获得用于测量弹簧共振频率所需要的数据，从而让用户可以进一步测定弹簧的共振频率，适合推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本实用新型提供了一种弹簧的工作状态模拟试验系统，包括电磁式振动台，所述电磁式振动台的顶部通过连接台面与一个弹簧固定机构相连接；

所述弹簧固定机构用于固定需要进行试验的弹簧；

所述电磁式振动台用于为弹簧的振动提供激振力。

其中，所述弹簧固定机构包括底板、筒体、上法兰、调节螺栓、下支撑板和上支撑板，其中：

所述底板与所述连接台面的顶面固定连接；

所述底板的顶面中心位置设置有一个中空的筒体；

所述筒体的顶部固定连接有上法兰；

所述上法兰的中心位置螺纹连接有垂直分布的调节螺栓；

所述调节螺栓贯穿所述上法兰；

所述调节螺栓的底端与上支撑板的顶部螺纹连接；

所述上支撑板的正下方间隔设置有下支撑板；

所述下支撑板通过一个紧固螺栓与所述底板相连接；

所述上支撑板和下支撑板位于所述筒体的里面；

所述上支撑板的底面和下支撑板的顶面之间设置有所述弹簧。

其中，所述上支撑板的顶面具有下凹的螺纹盲孔，所述螺纹盲孔与调节螺栓的底端螺纹连接；

所述上支撑板的底面中心位置具有圆形的第一弹簧限位凹槽，所述弹簧的顶部位于所述第一弹簧限位凹槽里面；

所述下支撑板的顶面中心位置具有圆形的第二弹簧限位凹槽，所述弹簧的底部位于所述第二弹簧限位凹槽里面。

其中，所述下支撑板的中部具有一个沉头孔，所述沉头孔的顶部与第二弹簧限位凹槽的底面相连通；

所述沉头孔用于拧入所述紧固螺栓的螺栓头；

当紧固螺栓拧入所述沉头孔时，所述紧固螺栓的螺栓头的顶面低于第二弹簧限位凹槽的底面。

其中，所述筒体的侧面具有沿筒体的轴向分布的操作观察口。

其中，所述操作观察口呈长条形，其俯视形状为扇形。

其中，还包括动态力传感器和加速度传感器，其中：

所述动态力传感器位于所述下支撑板的正下方，用于测量弹簧的振动响应数据；

所述紧固螺栓从上到下依次贯穿下支撑板和动态力传感器后与所述底板相连接；

所述连接台面的顶面固定设置有所述加速度传感器，所述加速度传感器用于获取电磁式振动台输出的加速度。

其中，还包括数据采集仪，分别与动态力传感器和加速度传感器相连接，用于采集动态力传感器测量获得的弹簧的振动响应数据，以及采集加速度传感器所获取的电磁式振动台输出的加速度。

其中，还包括控制仪和功率放大器，其中：

控制仪，与功率放大器相连接，用于根据用户的控制，输出用于驱动控制电磁式振动台的驱动信号给功率放大器；

功率放大器，与电磁式振动台相连接，用于将用于驱动控制电磁式振动台的驱动信号放大后，发送给电磁式振动台；

对应地，电磁式振动台，与功率放大器连接，用于接收功率放大器的驱动信号，输出激振力。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提出了一种弹簧的工作状态模拟试验系统，其可以模拟弹簧在振动使用环境下的工作状态，可靠地对表面面积小、无法粘贴加速度传感器或应变片的弹簧施加激励，并获得用于测量弹簧共振频率所需要的数据，从而让用户可以进一步测定弹簧的共振频率，适合推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统的总体结构示意简图；

图2为本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统中弹簧固定机构的立体结构放大示意图；

图3为本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统中的上支撑板的剖面结构示意图；

图4为本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统中的下支撑板的立体结构示意图；

图5为本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统中的下支撑板的剖面结构示意图；

图中，1为上法兰、2为筒体、3为底板、4调节螺栓、5为上支撑板、6为弹簧、7为下支撑板、8为动态力传感器、9为数据采集仪、10为连接台面、11为电磁式振动台、12为加速度传感器、13为控制仪、14为功率放大器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1至图5，本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统，包括电磁式振动台11，所述电磁式振动台11的顶部通过连接台面10与一个弹簧固定机构相连接；

所述弹簧固定机构用于固定需要进行试验的弹簧6；

所述电磁式振动台11用于为弹簧6的振动提供激振力(具体为宽频带的激振力)。

需要说明的是，连接台面10，固定在电磁式振动台11上，其上连接弹簧固定机构，用于将电磁式振动台11的激振力传递给弹簧固定机构。弹簧固定机构，用于固定弹簧，并模拟弹簧的实际工作工况。

在本实用新型中，具体实现上，所述弹簧固定机构包括底板3、筒体2、上法兰1、调节螺栓4、下支撑板7和上支撑板5，其中：

所述底板3与所述连接台面10的顶面固定连接；

所述底板3的顶面中心位置设置有一个中空的筒体2；

所述筒体2的顶部固定连接有上法兰1；

所述上法兰1的中心位置螺纹连接有垂直分布的调节螺栓4(具体为上法兰的中心位置开有一个螺纹孔，调节螺栓4螺纹连接该螺纹孔)；

所述调节螺栓4贯穿所述上法兰1；

所述调节螺栓4的底端与上支撑板5的顶部螺纹连接；

所述上支撑板5的正下方间隔设置有下支撑板7；

所述下支撑板7通过一个紧固螺栓与所述底板3相连接；

所述上支撑板5和下支撑板7位于所述筒体2的里面；

所述上支撑板5的底面和下支撑板7的顶面之间设置有所述弹簧6。

需要说明的是，对于本实用新型，通过拧动调节螺栓4，可以在垂直方向向上移动或者向下移动上支撑板5，从而能够改变上支撑板5和下支撑变7之间的相对距离，从而起到调节弹簧6的压缩量(或拉伸量)的作用。

具体实现上，所述上支撑板5的顶面具有下凹的螺纹盲孔41，所述螺纹盲孔41与调节螺栓4的底端螺纹连接；

所述上支撑板5的底面中心位置具有圆形的第一弹簧限位凹槽61，所述弹簧6的顶部位于所述第一弹簧限位凹槽61里面；

所述下支撑板7的顶面中心位置具有圆形的第二弹簧限位凹槽62，所述弹簧6的底部位于所述第二弹簧限位凹槽62里面。

需要说明的是，第一弹簧限位凹槽61与弹簧6的顶部相配合，其形状、大小与弹簧6的形状、大小相对应匹配；第二弹簧限位凹槽62与弹簧6的底部相配合，其形状、大小与弹簧6的形状、大小相对应匹配。因此，在第一弹簧限位凹槽61和第二弹簧限位凹槽62的配合下，能够限制弹簧6的径向运动。

具体实现上，所述筒体2的侧面具有沿筒体2的轴向分布的操作观察口20。该操作观察口20的设置，便于对弹簧试验状态的调整以及弹簧振动状态的观察。

具体实现上，所述操作观察口20呈长条形，其俯视形状为扇形。

具体实现上，所述底板3与所述连接台面10的顶面通过螺栓固定连接(即刚性连接)；

所述底板3的顶面中心位置通过螺栓与筒体2的底部固定连接(即刚性连接)；

所述筒体2的顶部通过螺栓固定连接上法兰1。

在本实用新型中，具体实现上，本实用新型提供的弹簧的工作状态模拟试验系统，还包括动态力传感器8和加速度传感器12，其中：

所述动态力传感器8位于所述下支撑板7的正下方，用于测量弹簧6的振动响应数据(例如振幅和振动频率等参数)；

所述紧固螺栓从上到下依次贯穿下支撑板7和动态力传感器8后与所述底板3相连接；

所述连接台面10的顶面固定设置有所述加速度传感器12，所述加速度传感器12用于获取电磁式振动台11输出的加速度，从而进一步可以用于振动闭环控制以及加速度响应测量；具体结构可以为：所述底板3与所述连接台面10的顶面之间用于连接的螺栓，还同时固定连接所述加速度传感器12(即刚性连接)，螺栓贯穿所述加速度传感器12。

具体实现上，所述下支撑板7的中部具有一个沉头孔42，所述沉头孔42的顶部与第二弹簧限位凹槽62的底面相连通；

所述沉头孔42用于拧入所述紧固螺栓的螺栓头；

当紧固螺栓拧入所述沉头孔42时，所述紧固螺栓的螺栓头的顶面低于第二弹簧限位凹槽62的底面。因此，可以有效防止紧固螺栓的螺栓头与弹簧6产生接触和干涉。

在本实用新型中，具体实现上，本实用新型提供的弹簧的工作状态模拟试验系统，还包括控制仪13和功率放大器14，其中：

控制仪13，与功率放大器14相连接(通过数据线)，用于根据用户的控制(具体可以根据预先设定的激振试验条件)，输出用于驱动控制电磁式振动台11的驱动信号(具体为电压信号)给功率放大器14；

功率放大器14，与电磁式振动台11相连接(通过数据线)，用于将用于驱动控制电磁式振动台11的驱动信号(具体为电压信号)放大后，发送给电磁式振动台11，从而驱动电磁式振动台11产生激振力；

对应地，电磁式振动台11，与功率放大器14连接(通过数据线)，用于接收功率放大器14的驱动信号，输出激振力。

在本实用新型中，具体实现上，本实用新型提供的弹簧的工作状态模拟试验系统，还包括数据采集仪9，分别与动态力传感器8和加速度传感器12相连接，用于采集动态力传感器8测量获得的弹簧6的振动响应数据，以及采集加速度传感器12所获取的电磁式振动台11输出的加速度，然后进行分析，获得弹簧6的共振频率。

对于数据采集仪9，需要说明的是，在试验过程中，数据采集仪9同时采集到加速度传感器12和动态力传感器8的时间信号数据(称为时域数据)，分别记为T1(对应加速度传感器12的时域数据)和T2(对应动态力传感器8的时域数据)；

然后，数据采集仪9将时域数据进行快速傅里叶变换，将时域数据转换为频域数据，分别记为G1(f)(加速度传感器12信号的自相关频域数据)和G2(f)(动态力传感器8信号的自相关频域数据)。

接着，数据采集仪9计算G1(f)/G2(f)，得到传递函数曲线，

然后，数据采集仪9计算T1的相位和T2的相位在频率域上的差值，得到相位和频率曲线，

具体实现上，数据采集仪9可以根据如下公式计算相干函数：

R＝G12(f)²/G1(f)G2(f)；

其中：R为相干函数，数值取0～1；G12(f)为加速度传感器12和动态力传感器8的数据互相关频域数据；

需要说明的是，当传递函数曲线的峰值对应的频率，在相位曲线中对应的相位差为90°，且同时相干函数R的值大于0.9时，判定此频率为弹簧的共振频率。

具体实现上，以上的计算过程，数据采集仪9可以根据预先的程序设置，自动进行。

需要说明的是，对于本实用新型，加速度传感器、控制仪13和功率放大器14一起组成闭环控制系统。其中，控制仪13根据预先规定的激振试验条件，输出驱动信号(该驱动信号为电压信号，用于驱动控制电磁式振动台11)给功率放大器14，功率放大器14将该信号放大后，输出给电磁式振动台11，从而驱动电磁式振动台11产生振动，加速度传感器12通过测量电磁式振动台11输出的加速度信号，并反馈给控制仪14，控制仪14通过比较反馈信号和驱动信号，来修正所输出的驱动信号，直至电磁式振动台11产生的振动符合激振试验条件的容差要求。

在本实用新型中，具体实现上，所述电磁式振动台11可以是任意一种电磁式振动台，例如可以为北京航天希尔测试技术有限公司生产的型号为MPA409/M437A/GT800M的振动台、该振动台具有直耦式电动振动试验系统。

在本实用新型中，具体实现上，所述数据采集仪9可以是任意一种具有以上功能的数据采集仪，例如可以为江苏泰斯特电子设备制造有限公司生产的型号为TST5912的数据采集分析仪，其具有动态信号测试分析系统

在本实用新型中，具体实现上，所述控制仪13可以为杭州亿恒科技有限公司生产的型号为ECON VT-9016的振动控制仪。

在本实用新型中，具体实现上，所述功率放大器14可以为北京航天希尔测试技术有限公司生产的型号为MPA409的功率放大器，其是智能开关功率功放器。

在本实用新型中，具体实现上，所述动态力传感器8可以是任意一种动态力传感器，例如可以为江苏联能电子技术有限公司生产的、型号为CL-YD-312A的力传感器，其是一种压电式力传感器。

在本实用新型中，具体实现上，所述加速度传感器12可以是任意一种加速度传感器，例如可以为上海标智电子科技有限公司生产的型号为BW13100的加速度传感器，即IEPE低阻抗电压输出通用型加速度传感器。

对于本实用新型，需要说明的是，由数据采集仪、加速度传感器和动态力传感器一起组成测量系统，可以用于测量振动台的加速度响应以及弹簧振动产生的动态力响应，通过分析测量的响应数据，可以得到弹簧的振动特性曲线和共振频率；

需要说明的是，对于本实用新型，其由底板3、筒体2、上法兰1、调节螺栓4、下支撑板7和上支撑板5等一起组成了弹簧固定机构，参见图2所示。其中，下支撑板的正下方为动态力传感器，利用一个紧固螺栓将下支撑板和动态力传感器一起牢固地固定在底板的中心，弹簧固定于上支撑板和下支撑板之间，调节螺栓与上支撑板通过螺纹牢固连接，调节螺栓固定在上法兰的螺纹通孔上，由上法兰、筒体和底板一起构成刚性的框架，从而为弹簧的固定提供稳定的基础。

此外，对于本实用新型，可以通过拧动调节螺栓4，可以调节上支撑板5和下支撑板7之间的相对距离，进而可以调节弹簧6的压缩量(或拉伸量)，从而能够实现模拟弹簧不同的使用工况，当电磁式振动台11对弹簧施加了振动激励时，实现模拟弹簧在振动使用环境下的工作状态。

基于以上技术方案可知，对于本实用新型，其结构科学合理，功能可靠，可以模拟弹簧在振动使用环境下的实际载荷工况，用于探索弹簧在使用工况下的振动特性。同时，其可以通过电磁式振动台、数据采集仪、动态力传感器以及加速度传感器的相互配合作用，测量弹簧的振动响应，可以测量得到在规定工况下弹簧的振动特性曲线以及共振频率，测量结果精确。实现弹簧共振频率的测定，可解决较小型弹簧无法测定其共振频率的难题，同时该系统兼具一定的通用性，可适用于不同尺寸的弹簧，也可模拟出弹簧的各种实际工作工况。本实用新型可以精确测量得到弹簧在规定工况下的振动特性曲线以及共振频率。

对于本实用新型提供的弹簧的工作状态模拟试验系统，其具体的试验过程，可以包括以下步骤：

1、将动态力传感器8和下支撑板7连接到底板3中心处；

2、将筒体2固定在底板3上，并将弹簧6的下端面放置于下支撑板7顶部的圆形的第二弹簧限位凹槽62内；

3、将调节螺栓4拧入上法兰1的中心螺纹孔中，上支撑板5拧在调节螺栓4的端部，然后将上法兰1固定在筒体2上，拧动调节螺栓4，使弹簧6的上端面位于上支撑板的圆形的第一弹簧限位凹槽61内；

4、拧动调节螺栓4，调整上支撑板5和下支撑板7之间的相对距离，使弹簧6处于试验规定的压缩(或拉伸)尺寸。至此，弹簧固定装置装配完成；

5、将连接台面10固定在电磁式振动台11上，并连接电磁式振动台11、控制仪13和功率放大器14；

6、将弹簧固定机构通过底板3固定在连接台面10上，在底板3与连接平台10的螺栓连接处粘贴加速度传感器12；

7、将加速度传感器12与控制仪13和数据采集仪9连接，将动态力传感器8与数据采集仪9连接；

8、在控制仪13上设置规定的振动试验条件，在数据采集仪9上设置数据采集参数，调试设备至正常；

9、开启控制仪13、功率放大器14，监测振动控制曲线，当振动达到规定条件且控制稳定后，开启数据采集仪9，采集加速度响应信号和动态力传感器的响应信号；

10、根据采集的加速度响应信号和动态力传感器响应信号，获得传递函数曲线(响应信号与输入信号的比值)，相位曲线以及相干函数(响应信号与输入信号的相关性)曲线，通过分析确定弹簧在规定试验工况下的共振频率。

基于上述技术方案可知，对于本实用新型提供的弹簧的工作状态模拟试验系统，与现有技术相比较，具有如下的优点：

1、本实用新型提供的试验系统，其结构简单，装配方式可靠，筒体留有扇形操作观察口，方便弹簧试验状态的调整以及弹簧振动状态的观察；

2、本实用新型提供的试验系统，其具有较好的通用性，通过调整弹簧固定装置的尺寸，可适用于各种弹簧的共振频率测定；

3、在本实用新型提供的试验系统中，采用动态力传感器来测量弹簧振动响应，不需要固定在弹簧体上，避免了传感器的质量对弹簧共振频率测定结果的影响，同时也解决了较小型的弹簧，由于无法粘贴加速度传感器或应变片而无法测量共振频率的难题。

4、本实用新型提供的试验系统，其在对弹簧的固定上，采用可调节装置，可实现弹簧的压缩量(或拉伸量)的调整，为模拟弹簧的各种使用工况提供了有效的方法。

5、对于本实用新型，其可以利用测量得到的时域数据，处理得到传递函数曲线(响应信号与输入信号的比值)，同时参考响应信号与输入信号的相关性，最终确定弹簧的共振频率，使得共振频率的测定结果更准确。

综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种弹簧的工作状态模拟试验系统，其可以模拟弹簧在振动使用环境下的工作状态，可靠地对表面面积小、无法粘贴加速度传感器或应变片的弹簧施加激励，并获得用于测量弹簧共振频率所需要的数据，从而让用户可以进一步测定弹簧的共振频率，适合推广应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。