阻干态微生物穿透性试验仪试验平台结构设计的仿真分析*

孙钦密　张卫东　马睿松　任　翔

(河南省计量科学研究院，郑州 450008)

0　引言

振动台(或振动器)按能源提供形式大致分为机械式、气动式、电动式、液压式等。其中气动式振动台是利用压缩空气驱动气动振动元件在既定轨道内高速运转，从而产生激振力的试验设备。相对其它的振动试验平台，气动振动台具有诸多优点，如以压缩空气为动力，操作简单安全，体积小，安装简单，激励频率和激振力容易控制，洁净度高，易于满足医用环境条件要求等，在医疗行业有着特殊的应用。YY/T 0506.5—2009《病人、医护人员和器械用手术单、手术衣和洁净服》阻干态微生物穿透试验方法(第5部分)中要求以气动振动台作为试验平台。由于市面上没有成熟的气动振动台产品，而且振动平台的结构布局和设计直接影响振动响应效果，因此如何围绕振动响应效果设计合理的振动平台结构是阻干态微生物穿透试验仪研制的关键。

1　气动振动台的设计及计量

阻干态微生物穿透性试验仪试验平台是利用球式气动振动器的激励，使大理石板台面产生一定频率下的激振，带动台面上带有试验样品的容器振动，以满足医用防护服阻干态微生物穿透试验的工作要求。按照YY/T 0506.5—2009要求，选择40cm×40cm×10mm大理石板为平台，气动振动器为激励源，激励源连接大理石板上面的一个侧边处,通过压缩空气流量,使激励源带动平板每分钟产生约20800(约347Hz)次的振动,台面下面各角部装有4个橡胶支撑，有6个不锈钢试验容器。基座结构示意图如图1所示。其中Φ20为与橡胶柱相配合的孔，Φ118为放置检测物品的示意位置，模型上并不存在。长方形112×24 为放置气动振动器的地方，基座采用大理石材质。

图1　基座结构示意图

利用振动台检定装置对该振动台进行检定。将传感器分别布置在激励源旁和6个不锈钢容器中心点位置，调整进气压力，使气动球式振动台以一定的频率振动，测量结果如表1，在不锈钢容器2、3处的振幅处于较大状态。

表1　气动振动台面振动响应数据和分析表

注：测量频率为334.4Hz左右

2　气动振动台的振动仿真分析

2.1　仿真参数

各项仿真参数如图2所示。

图2　各项仿真参数

2.2　仿真计算结果分析

取20阶固有频率，对前2阶进行分析，分析结果及固有频率模式形状对比如图3、图4所示(图右侧为振幅示例图，颜色由深到浅，振幅由小到大，下同。)，一阶振动频率最大值出现在台面正中心，二阶振动频率最大值出现在气动振动器安装位置。

图3　一阶振动固有频率模式形状

图4　二阶振动固有频率模式形状

2.3　装配体的振动分析

装配体各部分仿真材料及属性如表2所示。

表2　装配体各部分仿真材料及属性

激励施加力(取激励振动频率f=300Hz)：

F=650cos(2p ×300t)N

根据计算结果，前5阶固有频率模式形状图5，可以看出一阶激振力幅值最大位置也在台面振动器安装位置接近台面中心，二阶在1、3位置，经修正后的结果基本一致。

图5　前5阶固有频率模式形状

图6　对6个被测物件的参考点的振幅响应对比

图7　改进后的基座结构示意图

图8　一阶固有频率的模式形状

图9　一阶固有频率激振力模式

图10　一阶固有频率振幅模式

对6个被测物件的参考点的振幅响应进行比较，如图6所示。

由以上的这些被测物体的响应分析对比可知，当被测物体放置的位置对称，则振动响应幅值大致相同，否则，振动幅值相差较大。被测物体越靠近激励源，则振动幅值越大，这与1、2、3点的一阶频率及激振力较大的测量结果基本一致。

3　改进的结构设计仿真

由于机械式、气动式、电动式、液压式振动台的结构一般为对称型结构模式，设想将气动振动台激励源放在台面中心，其它点辐射型布设在圆周上，其它试验条件同非对称式结构，如图7所示。

3.1　仿真计算结果分析

在仿真参数不变的前提下，计算结果的前2阶固有频率的模式形状为图8，观察结构相对于原结构的变形形状，可以看出一阶振动频率幅值最大值出现在台面中心，被测试点处频率均匀分布，二阶振动频率振幅出现在激振器两侧。

3.2　激振力仿真

激励施加力，取激励振动频率f=800Hz，F=650cos(2p ×800t)N，计算结果其前一阶固有频率模式如图9所示，振幅计算结果如图10所示，可以看出激振力在圆周各测试点均匀分布，各点振动位移大小基本一致，符合均匀分布特征。

由以上响应图可知，6个被测物体的振动幅值及频率相同，所以该模型设计符合振动台面均匀度的关键要求。

4　结束语

由以上两个模型对比分析可知，为了使各被测物体的振动位移尽可能的相同，尽量使振动机构结构对称，被测物体的放置位置离激励源的距离尽量相同。阻干态微生物穿透性试验仪采用改进后的实验平台结构，具有更佳的振动响应效果。

根据仿真和测试结果可以看出，目前标准要求的气动振动台存在结构设计上的不足：一是因为球式振动器易磨损,运行时间过长试验效果会出现衰减,以气动球式振动器作为激励源有一定的局限性；二是将振动器放在台面一侧激励的效果没有在中心的效果均匀稳定。因此,现行的行业标准可以考虑采用我院设计的阻干态微生物穿透性试验仪。

[1]YY/T 0506.5—2009病人、医护人员和器械用手术单、手术衣和洁净服 第5部分:阻干态微生物穿透试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009

[2]王考,陶俊勇,陈循.单锤激励下气动式振动台的响应分析[C].2007年第九届全国振动理论及应用学术会议论文集，杭州，2007.10

[3]张宏宇,可以简化安装的正弦振动试验〔J〕.计量技术，2008(5)

[4]GB/T 13309—2007机械振动台技术条件.北京：中国标准出版社，2007

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