高频低载振动台结构设计【含CAD图纸设计机械自动化说明书】
高频低载振动台结构设计 I 摘要 骨质疏松症和骨质疏松性骨折是现代社会危害中老年人健康的多发病状 特别是中老年妇女 随着时代的发展 科技的进步 物理疗法防治骨质疏松症 的基础和临床研究是骨质疏松症防治研究的热门 研究表明 振动因具有良好的 促进骨形成的能力 因此在治疗骨质疏松症及预防老年性骨丢失中有广阔的应用 前景 由离心式振动台 扩展延伸到高频底载振动台 机械式的高频控制在 100 赫兹左右 通过偏心块的左右设计 确定振动方向 振幅大小的调节 则通过 电动机间歇时间来确定 振幅的连续则是经过电路控制电动机的间歇运动实现 从而完成设计 目前 对骨质疏松施加的振动载荷的适合频率和强度的大小还没有明确的 结论 通过医院或研究的实验数据确定频率和振幅的范围 使本课题设计的振 动台方案达到实验的要求 关键词 机械振动 高频低载 振动台 高频低载振动台结构设计 II Abstract Osteoporosis and osteoporotic fracture is the elderly health hazard of common diseases especially the women In recent years on the basis of the prevention and control of physical therapy of osteoporosis and osteoporosis prevention and treatment of clinical studies is the popular mechanical vibration is one of the forms of mechanical stimulation related studies have shown that vibration has a good effect of promoting bone formation and prevention of age related bone loss in the treatment of osteoporosis have broad application prospects By centrifugal vibration table extended to the bottom of the high frequency vibration table mechanical control the high frequency about 100 Hertz around by eccentric block design determine the direction of vibration the adjustment of the amplitude intermittent time to determine by motor the amplitude of the continuous is through the circuit control the intermittent movement of the motor thus complete the design At present the vibration load on osteoporosis is suitable for the size of the frequency and intensity of no definite conclusion through the experiment of the hospital or the data to determine the range of frequency and amplitude The vibration table scheme of this topic design meet the experimental requirements Key words mechanical vibration High frequency low load Vibration table 高频低载振动台结构设计 I 目录 摘要 I Abstract 2 目录 3 1 绪论 1 1 1 振动台的种类 1 1 2 振动台的应用 1 1 3 机械振动的发展现状及趋势 2 1 4 机械振动与骨质疏松 4 2 主体方案的确定 5 2 1 凸轮式振动台 5 2 2 离心式机械振动台 5 2 3 方案的选择 6 3 频率和振动幅度的设计 7 3 1 机械式高频率的确定 7 3 2 振动幅度大小的设计 7 4 激振器主体部位的设计 10 4 1 主体简图 10 4 2 零部件的设计与校核 11 5 实验装备零件的设计 19 5 1 鼠全身固定零件的设计 19 高频低载振动台结构设计 II 5 2 狗的头部固定件的设计 19 6 设计结论 21 参考文献 22 附录 1 外文翻译 23 附录 2 外文原文 33 致谢 39 高频低载振动台结构设计 1 1 绪论 1 1 振动台的种类 1 1 1 机械式振动台 机械式振动台可分为不平衡重块式和凸轮式两类 重块式是以偏心块旋转 时产生的离心力来刺激台面 激振力的大小与力矩以及转速的平方成正比 可 以产生正弦振动的运动方式 其特点是结构简单 成本较低 但是它只能应用 在 5Hz 100Hz 最大位移 6mm 最大加速度约 10g 无法随机振动 凸轮式振动 台则不一样 他主要取决于凸轮的偏心量和曲轴的长度值 激振力随运动部分 质量而变化 激振力大时可以实现很大的位移 1 1 2 电液式振动台 电液式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀 利用 油压使传动装置产生振动 这种振动方法可以产生较大的激振力和位移 在较 低的频率下可以得到很大的激振力 不过电液式也有他自身的缺陷 其局限性 主要在于高频性能差 上限工作频率较低 波形失真大 1 1 3 电动式振动台 电动式振动台是根据电磁感应原理设直的 当通电导体处的恒定磁场中 将受到力的作用 交变电流在半导体中通过时会产生振动 此时 驱动线圈正 处在一个高磁感应强度的空间中 当振动信号从信号发生器或者振动控制仪产 生并经过功率放大器通到驱动线圈上时 此时振动台就会产生需要的振动 1 2 振动台的应用 1 2 1 振动台在工程中的应用 振动台主要适用于电子元器件 组件 医药 食品 家具家具 陶瓷 包 装等行业及对样品进行振动试验 比如品质鉴定试验 物体可靠性鉴定试验 产品耐久试验 振动筛振动模拟分析 机械材料特性试验 疲劳试验 以及振 高频低载振动台结构设计 2 动防止改善等 主要是模拟产品在生产制造 组装 装备运输及使用过程中所 可能遭受到的振动环境 用来评定结构的耐振性 可靠性以及完好性 1 2 2 振动台在生物医学中的应用 80 年代后期已知振动运动能有效地治疗低骨大规模或低骨矿物质密度 临 床与实验兔断骨表明振动的有益影响骨改建 此后 对切除卵巢大鼠群体生理 实验揭示了腿骨是由于应用振动增加近 振动肌肉练习是在人类患者身上试用 在 56 天的水平卧床休息结果表明 在 19 和 26Hz 之间的频率振动可以有效防 止肌肉萎缩 全身振动训练是一种新型的肌肉力量训练方法 在运动训练和运 动康复中受到越来越多的关注 以 2014 年第 61 届美国运动医学会年会交流论 文为例 全身振动训练为主题 从全身振动训练促进竞技水平研究 全身振动 训练在运动康复中的研究与应用 全身振动训练机制研究新进展 全身振动训 练的安全性和可接受性等 4 个方面进行综述 以期对体育和临床康复研究人员 有所裨益 结果表明 全身振动训练对人体肌肉强度和力量 体成分 代谢和内 分泌的影响以及对临床骨骼 肌肉 心血管系统的一些慢性疾病的治疗效应依 赖于振动台的类型 频率 强度和时间 振动台也可以用于医疗器械 研究表 明 用一定频率和强度的振动载荷施加在牙齿上 可以加快牙齿的移动 即缩 短牙齿正畸周期 现在 施加在牙齿上的振动载荷的强度和频率还没有明确的 结论 和最佳频率有密切关的是牙齿周围的组织和结构 由牙齿周围组织和结 构决定的是牙齿在某一方向的共振频率是其固有特性得知 牙齿的共振频率和 机械振动的最佳频率有一定的关系 1 3 机械振动的发展现状及趋势 1 3 1 机械振动的国内外发展现状 我国振动台的发展相对较晚 20 世纪 60 年代 主要以机械式振动台为主 其工作频率以 1 40Hz 为主 此频率的低段内试件的特性是难以控制的 随后 电液振动台以其高频率得以快速发展 1966 年机械部与电子部合作 为期三年 建造出我国第一台国防系统专用的振动台 此后国内许多高等院校及科研院所 也开始进行研究 如同济大学引进了美国公司研制的 4m 4m 双水平向同动电液 式振动台 目前已改造成三向六自由度同动振动台 20 世纪 70 年代开始 我 国继续开展振动台的研究工作 并获得了较快发展 已开始研制单向电液式伺 高频低载振动台结构设计 3 服控制振动台 但对于多轴的研制还很鲜有涉及 90 年代以来 国内加强了结 构试验系统的研究 在一定程度上提高了系统的适应能力和控制精度 中国建 筑科学研究院于 1983 年完成了 3m 3m 单水平向单激振器推动的电液伺服控制 地震模拟振动台 早期研制的电液式振动台工作频率上限一般在 200Hz 左右 目前国内外大推力 50kN 以上 电液式振动台的上限工作频率己经达到 1000Hz 以上 国外对振动台的研究起步较早 无论是在算法上还是硬件上 20 世纪 50 年代中期以来 生产电液振动台的公司很多 如英国的 nIsortn 美国 Wyle 公 司 德国 Schenck 公司 力十乐公司 IST 公司 美国的 MTS 日本三菱等就 先后生产了多种系列的电液振动台 从整体的性能来看 处于领先地位的当属 MTS 公司生产的产品 其硬件具有高集成度 体积较小 但由于控制算法基本 采用传统的 PID 算法组合 调试相当麻烦 对于不同的实验对象需要调整不同 控制参数 自适应性能很差 对新的操作手基本无法正常完成 需要有经验的 操作手来设置参数 该公司在近 20 年中 已向世界各国出口了近 30 多台大型 振动模拟台 当单轴振动台发展到一定的阶段 由于单轴振动台不能完全满足 试验的要求 比如波形频率 运动自由度 波形控制精度 于是各个公司开始 向多轴振动台 高频宽和高精确度发展 电液多轴振动台是在单轴振动台的基 础上发展起来的 Wyle 实验室是国际上最早开始研究多轴振动环境模拟技术和 设备的单位之一 在 20 世纪 70 年代就研制成功了三轴电液振动台 日本也是 研制振动台较早的国家 1 3 2 机械振动的发展趋势 大型化 根据振动台的台面尺寸 一般台面尺寸小于 2m 2m 为小型 6m 6m 为中型 10m 10m 以上为大型 小型振动台由于尺寸的限制只能做 小型的缩尺试验 与原型试验有一定的差别 缩尺模型的振动台试验中要求所 有参数均满足相似原理 而实际中很难做到 但对一些重要结构 大型结构的 重要部位为了准确反映结构的动力特性 在资金条件许可的范围内 尽量通过 加大台面尺寸及最大载重量来消除模型的尺寸效应 故大型足尺试验是其振动 台将来的发展趋势 智能化 就控制方式而言 1975 年前主要采用功率谱密度 控制 1975 年后黄浩华等学者利用了时间历程再现控制 完成了较宽频带内的 地震波再现控制研究 20 世纪 90 年代中期 数字控制与模拟控制广泛应用在 振动台控制中 数字控制主要在系统信号与补偿方面 模拟控制则是控制的基 础 该控制方式操作比较复杂 人工调节较多 20 世纪 90 年代以后 方重等 学者开发了全数字控制技术 随着数字技术的快速发展 全数字控制技术在液 高频低载振动台结构设计 4 压伺服控制系统中得到了广泛的应用 除阀控器和反馈传感器采用模拟电路外 其余均为数字软件来实现 该控制方法可以弥补模拟控制中的一些缺陷 试验 操作简单 能够提高系统的准确性 可靠性和稳定性 全数字控制是液压伺服 系统控制发展的必然趋势 随着细长形 异形结构的出现及新材料在建筑中的 应用 对结构抗震试验方法的要求越来越高 为满足实际工程及抗震研究的需 要 各国学者都在进行积极的探索和尝试 并提出了一些新的试验方法 近年 来世界各国均对抗震研究的投入较大 2000 年 2004 年美国科学基金委员会投 入 8000 万美元的巨额研究经费进行的 NEES 计划 欧洲建立 了 减轻地震风 险的欧洲网络 ENS M 协同研究系统 韩国利用网格技术建立一个虚拟结 构实验室 该实验室包含了风洞和振动台等科研设备 我国台湾的互联网地震 工程模拟 ISEE 系统是由中国台湾国家地震工程研究中心通过互联网发展起来的 地震工程研究平台 该平台不但允许几个实验室互相连接共同进行大比例振动 台试验 而且允许全世界的不同实验室的研究者同时同步观测试验 国内湖南 大学最先提出结构网络协同试验研究 并与 2000 年与远景科技有限公司合作开 发了网络结构实验室 NetSLab 后与哈尔滨工业大学合作进行了二次开发建立 了网络协同混合试验系统 并与清华大学 哈尔滨工业大学之间成功地开展了 结构远程协同试验 1 4 机械振动与骨质疏松 机械振动对骨形成的有效刺激是近年来关注的一个热点 相关研究表明 通过振动刺激产生的生物力学效应 能增加成骨细胞的活性 提高骨密度 加 快骨折愈合 改善骨重建 同时降低骨细胞的活性 减少骨吸收 前期研究多 只限于固定频率的振动刺激 骨骼在正常接受应力刺激时 通常为不固定频率 综合可变频率的应力刺激下进行的骨生长 更接近生理条件下应力刺激状态 进行可变的频率刺激方式 对成骨效应的影响可能更佳 对于人体而言 振动也具有有害也有利 以前研究中是弊大于利 振动对 人体因作用部位不同 可能形成对人体全身振动或局部振动两种不同的后果 从而形成两种对人体有益的医疗方法 全身振动对骨髓基质细胞分化的影响 骨髓基质干细胞既可以分化成成骨细 胞 也可以分化成脂肪细胞 近年来的研究发现 绝经后骨质疏松的发生与骨 髓基质干细胞分化能力的改变有关 Wang 等人的研究表明 全身振动可能通过 高频低载振动台结构设计 5 激活去卵巢大鼠骨髓基质细胞的 Wnt 信号通路来促进骨髓基质细胞向成骨细胞 方向分化 进而促进成骨 使骨量增加 本课题是设计一种振动台 具有高频低载的性能 用于振动医疗骨质疏松 症等功能 高频低载振动台结构设计 6 2 主体方案的确定 2 1 凸轮式振动台 凸轮式振动台主要是由偏心量确定 其主要跟轴的受力方向 长度有关 频率很低 一般在 赫兹 但是器振幅范围很大 大约在 由18 22 90 100mm 于本次设计主要应用对象是大鼠和狗 振动幅度不 满足其要求 因此这种振 动台不适合此次方案 2 2 离心式机械振动台 这种振动台的本质是利用类似于扇形的质量块 在理论力学中 我们可以 知道 一个物体受力与否情况主要与外界环境以及本身所处的机械结构有关 离心式机械振动台就是很好的利用了偏心块的分布方式 两个完全一样的偏心 块设计 完全可以实现力的抵消以及合成 从而得到想要的输出结果 有机械振动学可知 2 1 Mx kx F 对于上式数学方程如果满足 那么此方程就转换成模态方程 F 0 离心式机械振动台工作方式如下图 高频低载振动台结构设计 7 图 2 1 离心式机械振动台 2 3 方案的选择 本次实验的主体对象是大鼠以及狗 因此需要满足这两种动物对于振动频 率的要求 大鼠一般稳定在 40 赫兹左右 狗一般稳定在 80 赫兹左右 考虑到 物种本身的差异性 本次实验频率设在 20 100 赫兹之间 离心式振动台可以通 过调节偏心块质量体积来改变频率 对比两种振动台的优缺点 以及离心式振 动台在速度较低时良好的稳定性 因此本次设计方案选用离心式机械振动台 高频低载振动台结构设计 8 第 3 章 频率和振动幅度的设计 3 1 机械式高频率的确定 查阅外文文献得知 应力是调节骨头生长和形成的重要因素 近些年来 在骨科 生物运动学 越来越多的研究发现振动与骨头的生长特性有关 特别 是在体育界 例如 NBA 经常有球员骨头受伤 导致原因一般是疲劳性骨折 以及碰撞 崴脚等 NBA 太阳队队医队医对这种情况有很深的研究 美国运动 学会也曾经就振动医疗康复有着相关会议以及记录 国内的吉林大学宫赫先生 在这方便很有研究研究表明 骨细胞在 0 80 赫兹对于振动频率有不同的振动反 应 因此把高频定在 80 赫兹 3 2 振动幅度大小的设计 查阅书籍可得 如下公式 3 1 观察公式可得 振动幅度的大小与 等都有一定的数学关系 m e w M 此处弹簧选择 5 5 60 240 2098 查阅书籍得到如下数学公式 3 2 在数学等式中 与材料本身特性有关的是 G K C 以及 n 其余 指载荷力大小 是压缩F 量或者伸长量 弹簧的分布方式是底板四边成正方形分布 一共四个 用于减震 nCGdDFk3248 22nMmeA 高频低载振动台结构设计 9 对于四个弹簧的计算校核 因此 k1 32 128 振动台有上下底板进行设计 上底板 3 3 M平台 密度 体积 v 上底板以及下底板都设计为正方形 400 400h 10 把数据带入计算得 M 1500g 本次实验的实验对象主要为两个 一种为狗 一种为大鼠 针对狗的时候 振幅比较大时 质量总量也大 根据日常生活中的狗质量进行推算 大概为 1800g 对于这种情况 因此可以假设 0 因此计算振动幅度 3 4 对于本次实验的对象 狗和大鼠 狗的振动幅度要求最大 由于大鼠本身 体积 质量远远小于狗的 因此不用计算大鼠的 狗的振动幅度大小为 可12mm 以直接确定总的质量 采用逆推法可以确定 而 也可以随之1700g me T g me 确定 振动幅度范围大小的可调 运用电力学中的电路图控制 tSinM 2meA 高频低载振动台结构设计 10 图 3 1 电力学电路 电动机间歇运动控制电路的原理为 合上主电路断路器 QF1 控制电路断 路器 QF2 电源指示灯 HL1 亮 说明电源正常 工作时 合上转换开关 SA 后 此时电动机不会启动运转 其原因是得电延时时间继电器 KT1 延时时间未到 仍处于断开状态 交流接触器 KM 线圈得不到控制电源而不能工作 当达到得电 延时时间继电器 KT1 延时时间 设定时间 此事件就是电动机的停止时间 即 间歇时间 时 电动机停止运行 同时 时间继电器 KT2 线圈得电 经过一段 延时后 运行时间可调 KT2 的延时断开 使继电器 SA 线圈失电 SA 的常闭辅 助点又闭合 KM 得电吸合 电动机又启动运行 不断的循环往复上述过程 高频低载振动台 T 3 5 egm 经过带入数学公式计算可得转矩大小为 1 0 考虑到最高转速 连续过载时间以及负载选择功率大小为 转矩为1000W 的交流伺服电动机 3 2N mm 高频低载振动台结构设计 11 通过电动机的间歇式运动 可以实现振幅的调节 由公式 3 4 可得 假设 频率为某一固定值 振幅大小仅仅取决于时间 对于狗来说 振动幅度在 之间 当频率为 5 时 通过反三角函数可得 因此 控制电5 12mm t 11 55T 机间歇时间 时 就可以达到所需要的振幅 对于大鼠来说 使用改11 55T T 变偏心块质量的做法进行调整 大鼠的振动幅度为 2 5mm 当振幅为 2mm 时 通 过反三角函数得时间为 11 50T 因此控制电机间歇时间 时 就可达11 55T T 到使用要求 3 2 狗的振动幅度范围 高频低载振动台结构设计 12 3 4 大鼠振动幅度调节区域 4 主体部位的设计 4 1 主体简图 高频低载振动台结构设计 13 图 4 1 工作部位激振器 4 2 设计直齿轮 查阅书籍得本次设计直齿轮所用材料为 号钢 硬度 45 240HBS 4 2 1 齿轮的设计 由于是齿轮啮合 且产生同一方向的力 要求产生振动 因此两个齿轮的 设计一模一样 根据偏心块大小 暂定 d 80mmz 40 根据齿面接触疲劳强度计算 4 1 各个数值分别为 HtK 1 5 1T 3 2 选择齿宽系数 0 5 由机械设计查的 Zh 2 5 由机械设计查的弹性影响系数为 ZE 189 8 计算得出 Z 49 26 140 2cos40ar 2 cosar 111 hz 311 u2 HEdHtt ZTK 高频低载振动台结构设计 14 49 26 140 2cos40ar 2 cosar 22 hz 7 tan 5 6t tn t1a az 4 2 由机械设计查得疲劳极限 两个齿轮 大小都为 550 机械设计查得 1HNK 0 90 2HN 0 90 根据疲劳强度 取 PF 1 S 1 MPa 525 4 3 得到 4 4 74 74 原分度圆直径不符合 进行调整 求 v 计算齿宽 34Z Hlim1 NH 3 211 2 ZuTKdEHdHtt smdn 78 51064 7106 m3 24 5387 019 0 198 59 高频低载振动台结构设计 15 d 4 5 计算结果为 76 54 由机械设计得 Kh 1 查机械设计得到 V 1 1 带入计算得 4 6 ttdTF11 2 N341082 5 76 1098 bKA mm 10 64 233 4 7 由机械设计查的 Kha 1 12 采用数学方法得到 在现实的计算中 取 H 1 521 4 8 VAFK 93 142 1 通过数学计算得到 d 4 9 88 32 以及 m 2 2 zdm 4 10 根据齿根疲劳的大小进行设计 代入公式 31Httd 3 1954 76 高频低载振动台结构设计 16 4 11 对于参数进行选值 先假设 t Kf 1 2 带入计算可得 4 12 0 7 查机械设计书籍得 FaY 2 44 查机械设计书籍可得 s 1 66 查阅机械设计书籍可得疲劳极限大小 380 查阅机械设计手册得 FNK 0 86 根据疲劳强度 取 S 1 4 4 13 233 233 4 14 0 018 0 18 本次设计两个直齿轮完全一模一样 因此 321 FsadFtt YzTKm a 75 02 SFNF1lim1 KFNF2lim2 1 FsaY 2 Fsa 13 502 MPa4 3806 1 43 267 43 67 高频低载振动台结构设计 17 4 15 0 018 代入公式算得 4 16 带入计算 m 4 17 模数不正确 进行修改 计算 v 4 18 1 875 40mm 75mm 4 19 v dn 60000 5 65m s 计算 b 4 20 d 37 计算 b h 3HttKd 2 FsaY mmYzTKFsadFtt875 10174 4068 19 32 221 78 129 4 75 219 475 1 20 hb mmca 高频低载振动台结构设计 18 验算工作时的 Kf 查阅机械设计书籍 配合要求为八 得到 v 5 65 Kv 1 1 NdTFt 3411 1082 75 1098 2 4 21 mNmbKtA 10 64 3 3 根据机械设计书籍可得 直齿轮精度较低 取 FK 1 采用数学方法得 考虑到宽高比 计算出 H 1 42 1 3 因此计算得出 45 130 81 FVAFK 4 22 根据验算的数据得出 取 带入数学公式计算得到 这样的m 2mm d 87 话 也可以确定齿数 带入计算得 z d m 43 5 取偶数进行计算 即 这种的设计方法 满足了多方便的要求 而z 44 且在轴上的位置 大小 也方便了其他的设计 计算 d mmzd824 计算 a a 计算 b 1db 0 5 88 44mm 31Ftm 高频低载振动台结构设计 19 进行校核验算 此次设计的特殊性 保证了两直齿轮一样的特性 齿轮齿面接工作受力大小验算 根据机械设计手册得知 实际载荷系数为 转矩大小为 齿宽系数大1 9 3 4 小为 直径大小为 传动比为 区域系数大小为 弹性影响系数大小为0 5 88 1 2 5 进行数学计算得190 4 23 因此满足工作要求 齿轮齿根工作受力大小验算 实际载荷系数大小为 转矩大小为 应力修正系数 大小为 应1 9 99530 1 1 6 力修正系数 大小为 齿形系数 大小为 齿形系数 大小为 齿宽系数为 2 2 1 1 6 2 2 1 4 24 根据计算结果得出 这种合计方案都满足要求 两个齿轮设计校核计算结果 两个齿轮一样 材料是 45 号钢 z 44 m 2 20 a 88 b 44 514 91 0836 21 809 2 341HEHdHMPaMPaZuTK 2131zmYTKdsaFF 高频低载振动台结构设计 20 4 2 2 主动轴 传动轴的设计 假设联轴器 以此计算 0 98 p T 则计算 d mmz842 齿轮在运动过程中 横向力的大小为零 径向力大小不为零 NFnr 7 5320tan73 14ta1 计算轴 D 第一步先确定轴的 材料的选择为 号钢 根据机械设计手册得dmin 45 A0 112 轴的作用是作为传动 轴上添加有偏心块 齿轮 轴套等 因此必须保证 小于偏心块孔径 齿轮孔径的大小 除此之外 还需要保证与外界电动机连接dmin 联轴器的连接 首先求解 查阅机械设计得 因此T TKAca Ka 1 3 TKAca mNnPTrnkW 650 1498 05950mi 14 8 NdT73 16501 m nPA2514098 2330min 高频低载振动台结构设计 21 实际要求联轴器转矩大于计算转矩 根据机械设计书籍得 采用 LX3 主动轴与轮毂配合T 1600000N mmd 30mm 30 m80 L mL601 依次确定轴与各零部件配合所需的长度 联轴器有较高的定位尺寸要求 因此 L 58 d 34 针对振动台运动特性 选用标准件深沟球轴承 型号为 d 34 因此 6208 mTDd12803 m38 m l 定位齿轮 齿轮的定位要求通过轴套来确定 由于键的 d 44mm 特殊作用 此处选择 右边定位方式也是通过轴套 由机械设计书 l 42mm 籍了解到 因此 R 1mm 12mm 因此 得到 l 42mm d 35mm 偏心块 齿轮 轴套定位要求 这些零部件定位用键来保障 有机械书籍得 mhb812 联轴器的定位利用 来保障 偏心块的定位l 34 10 8 46 利用 深沟球轴承采用过渡配合 10 8 30 图 4 2 简化轴 校核轴上的力 高频低载振动台结构设计 22 图 4 2 扭矩 弯矩图 由此得出简图 根据理论力学以及材料力学 和机械装备设计书籍画出弯 矩图和扭矩图 求解找到危险截面 运用数学方法得到 M Mv M 表 4 1 弯矩 扭矩力的大小 H V F F 1 426 F 2 632 F 1 984 F 2 302 M M 109502 mm M 1 64902 mm M 2 3013 mm 高频低载振动台结构设计 23 M总 M1 N mm 12790640952 53 3 2 mm T T 65000 mm 主动轴的强度的验算 在验算的时候 必须以最大值进行验算 在这个工作过程中 轴的应力主 要在表面 其内部为 0 此时主要是脉动循环变应力 因而选 0 6 则带入公式得 4 25 主动轴的设计材料为 45 号钢 由机械设计得知 1 60 a 满足实际情况使用 可以这样设计 1 ca 4 2 3 深沟球轴承的验算 从上边的设计情况可以知晓 Fa r 比值为 由机械设计手册知晓 深沟球轴承 emax 0 44 根据现有情况验算 P WTMca221 42 01895 raFra 高频低载振动台结构设计 24 ardYFXfP 4 26 由机械设计手册可得 选 df 1 0 1 2 df 1 2 选择相近值的大小 选 因此X 0 56Y Y 1 5 NP154 25 10896 21 计算 C 4 27 采用数学方法求得 Y X 0 56Y 1 597 从而得出 NP1598 42597 1086 21 校核深沟球轴承的使用情况 此结果远远大于设想的使用要求 所以 此深沟球轴承的设计是成功的 597 107 13 4 6 1 6 10hnLPC 60PCnLh 高频低载振动台结构设计 25 5 实验装备零件设计 5 1 鼠全身固定零件的设计 因为本身的体型与狗的体型差别较大 因此 可以采用固定器将大鼠全身 部位进行固定 固定器设计如下图 实验时 将大鼠固定器与振动台上底板相 连 将老鼠从尾部放入 后部开尾巴孔 固定老鼠四肢 完成实验 注意事项 由于老鼠有一定的瘟疫传染可能 在实验过程中 一定做好消 毒工作 佩带健康医疗设备 实验老鼠必须进行将健康检查 防止因为外界因 素影响到实验结果 保证实验准确性 图 5 1 大鼠的固定器 图 5 1 大鼠全身保持架 5 2 狗的头部固定件的设计 在日程生活中 狗是人类很好的朋友 此次设计第一个实验对象就是狗 一般情况下 狗的大小为长 宽 高为 120 30 80 由于其有一定的伤害性 因 此只固定狗的头部 固定方法采用市面上的头部固定器 固定器则与振动台上 底板相连 与此同时 调整头圈的大小 使狗的头部可以以较舒适的方式进行 试验 从而减少外在误差对实验结果产生的影响 提高实验数据的准确性 高频低载振动台结构设计 26 注意事项 进行实验时 必须佩带一定的安全护具 防止受伤 狗接受实验 前要进行健康检查 防止因外界影响实验结果 高频低载振动台结构设计 27 图 5 2 狗的头部保持架 高频低载振动台结构设计 28 6 设计结论 这次设计介绍了振动台在运动康复上的应用 包括骨头的恢复康健 以及 牙齿口腔的矫正等 根据现有的振动台 设计了机械式高频低载振动台 这种 机械式振动台主要实验方向在大鼠以及狗的骨骼振动上边 振动台方向的确定 本次采用两根轴上加偏心块的设计方法 轴的转动 带动偏心块的旋转 通过偏心块的对称设计 解决了振动方向的问题 本次实验对象有两个 大鼠和狗 因此把频率设计在调节范围内 此次设计 有两种偏心块从而应对两种实验对象 大鼠的振幅为 2 5mm 中型犬的振幅 5 12 振动台整体部位的设计 主动轴 偏心块 轴套 轴承 焖盖 键 振动 台总底板以及上底板 大鼠固定件 狗固定件以及联轴器等 实验安全 由于实验过程中 狗和大鼠都有可能发生挣脱现象 因此 实 验人员 必须穿戴好实验安全装备以及进行一定的卫生消毒处理 在不伤害人 狗 大鼠的情况下 获得实验结果 高频低载振动台结构设计 29 环保要求 随着现代社会的发展与进步 人们对于环境的要求越来越高 因此在本 次设计中考虑到了这方面的要求 振动台主要是处于试验室中 因此噪声对于 外界的影响较小 对于所用材料的研究 都是普通铸铁 试验对象是日常生活 动物 对环境基本没有影响 高频低载振动台结构设计 30 参考文献 1 刘明辉 大型振动台结构设计中的有限元分析与应用 J 航天器环境工程 2016 03 2 唐波 何闻 宽频带电磁式角振动台运动部件动态优化设计 J 农业机械学报 2015 10 3 匙庆磊 杨立志 一种小型低频标准振动台的设计 J 地震工程与工程振动 2014 06 4 中国会议 第九届全国振动理论及应用学术会议暨中国振动工程学会成立 20 周年庆祝 大会 C 北京 韩冬 何闻 2007 5 中国会议 2016 中国消失模与 V 法铸造科工贸会议 C 徐州 王俊 2016 6 濮良贵 机械设计 M 天津 高等教育出版社 2013 7 吴昌聚 大尺寸高频振动台的设计 J 机电工程 2002 04 8 Aleyssain M Harrigan JJ Vibration exercise for treatment of osteoporosis a theoretical model Institution of Mechanical Engineers 2008 9 杨艳芳 高频 低载振动对抗骨质疏松装置的研制及动物实验研究 D 吉林 吉林大 学 2007 10 杨志镛 不同周期的振动对抗悬吊大鼠骨质疏松的实验研究 D 吉林 吉林大学 2008 11 龙军 不同周期的高频低载振动对抗去势大鼠骨质疏松的实验研究 D 吉林 吉林大 学 2008 12 NSTL 会议论文 Development of a Novel Electromagnetic driven Low Frequency and Heavy Load Vibration Table with a Rotary Permanent Magnet C Bremen DE B T Yang 2012 13 匙庆磊 低频标准振动台系统和振动校准技术研究 D 北京 中国地震局工程力学研 究所 2014 高频低载振动台结构设计 31 14 孟繁莹 大型电动振动台动力学分析与数值模拟研究 D 北京 北京工业大学 2013 15 Wysocki A Butler M Shamliyan T et al Whole body vibration therapy for osteoporosis state of the science J Annals of internal medicine 2011 155 10 680 686 16 World Health Organization The Assessment of Osteoporosis at Primary Health Care Level Summary Meeting Report of WHO Scientific Group R Geneva WHO 2007 17 中国会议 机床与液压学术研讨会 C 北京 宋俊 曹辉 2004 18 陆忠兵 超低频标准振动台校准系统的关键技术及其实现方法 D 吉林 浙江大学 2003 19 张勤和 张敏 一种机械式高频振动器 D 山东 山东大学 2014 201420111248 0 20 杜康 具有确定振动方向的振幅连续可调式振动台机械部件设计 大连 大连大学大学 2016 5 24 高频低载振动台结构设计 32 高频低载振动台结构设计 33 附录 1 外文翻译 加速牙齿移动背后的生物学原理 由于周围骨和软组织的重塑 正畸牙齿移动是可能的 没有显著的生物学 现象 事实上 实践中 运输的概念将是不可能的 然而 正畸装置不是故意 建立激活或抑制特定的重塑途径和特定的细胞 相反 它们是建立产生机械力 系统 产生所需的牙齿和颚的运动需要建立一个理想的咬合的反应的细胞因子 这引出了一个问题 我们应该设计矫正装置 以目标特定的重塑途径 将牙齿 和颌骨成一个理想的咬合速度更快 牙齿移动的生物学是不是新领域 我们现在设计的新型设备和治疗优化骨 骼靶细胞反应 牙科生产控制 安全加速牙齿移动 治理反应的靶细胞 我们 可以发展加快牙齿移动速度的两种不同的方法 直接刺激靶细胞通过人工 物 理或化学手段来增加他们的数量和活动 或间接刺激人体来招募和激活更多的 靶细胞 在任一研究方案 确定目标细胞 了解他们是如何激活是至关重要的 治疗骨质疏松症的振动运动 一个理论模型 M Aleyaasin 和 J J 哈里根 工程学校 阿伯丁大学 英国阿伯丁大学国王学院 这份手稿于 2008 年 4 月 18 日接获 并在 2008 年 6 月 13 日发布修订后 接纳 DOI 10 1243 09544119JEIM439 文摘 骨科康复的骨质疏松症肌肉振动运动是探讨不等式理论上运用的应变诱 导骨 重塑 沃尔夫的理论 有限振幅振动传递到通过肌肉骨的改造方程对应 于一个慢时变的非线性动态系统 这慢时变的系统被受振荡与应用振动频率累 加的快变系数 Riccatti 方程 平均技术用来确定有效的力量传送到骨 分析 结果预测 为了获得骨加固的频率和振幅的振动都应不超过规定的水平 此外 低频率振动不刺激骨足以导致重大改建 本文的理论模型证实关于振动运动及 高频低载振动台结构设计 34 其对康复的临床建议 在数值示例中 该模型预测股骨与减少的骨量由于卧床 休息会愈合的 com 完全由振动加速度的 2 g 应用 30 赫兹的频率 在 250 天 内组成 关键词 骨改建 理论力学 肌肉震颤 骨质疏松 1 引言 自 80 年代后期已被已知振动运动能有效地治疗低骨大规模或低骨矿物质密度 造成长期固定 临床与实验兔断骨 1 表明振动的有益影响骨改建 此后 对 去卵巢大鼠群体生理实验揭示了那块骨头弥撒曲是由于应用振动增加引起的 2 最近 振动肌肉练习是在人类患者身上试用在 56 天的水平卧床休息 3 结 果表明 在 19 和 26 赫兹之间的频率振动并有效防止肌肉萎缩 治疗是临床 上为人类修建议 通讯作者 工程学院 物理科学学院 阿伯丁大学 弗雷泽贵族建筑 国王学院 香港仔 AB24 3UE 英国 电子邮件 j harrigan abdn ac uk 作者所知 是没有生理或工程的模型来解释为治疗骨质疏松症 1 3 振动的改 造作用 然而 自从 19 世纪 4 研究了静态力学负荷对骨改建的结果 沃尔 夫的法律提出了同创伟业和赫耶迪斯 4 作为考虑骨是一种自适应的弹性材料 可以由应用程序的小机械应变 5 改建 eng 适用模型 自适应弹性理论 既 然已被用来解释许多临床骨科康复技术 例如 Firoozbakhsh 和 Aleyaasin 6 前解释的演变在全髋关节置换术后股骨上的不均匀性 此处显示 自适应弹性 理论 和 平均振动传递 的组合 通过工程的模型可以出让来解释为什么振 动可以用于治疗骨质疏松症 最初 模型出现在 com 复杂的形式 即慢时变 Riccatti 方程与快速时变系数 振动周期 10 20 ms 是所需的振动周期和列入改造方程的系数 缓慢 的时间刻度是改造方程的时间常数 是在 1 2 个月的范围 采用平均技术 7 大大简化初始模型 这种做法合理的快速比对缓慢的时间尺度 通常情况下 461026 这使振荡方程系数的改造以近似和交换的常系数 此后 常系数简单 的非线性 Ric caatti 方程描述了改造方程 通过使用物理的平均技术 应用于肌肉的鳍 ite 振幅振动是 con 激越到恒定 高频低载振动台结构设计 35 的力传送到骨头 这传播的力产生骨 导致改建和加固低密度区域在骨中的小 机械应变 它是表明肌肉 8 和对骨的传播的力刚度和阻尼参数频率特性 这 种依赖性被更新中建立的模型预测的频率和骨质疏松症的治疗是有效的振动加 速度 2 沃尔夫的规律的数学模型 根据沃尔夫 9 长期机械应变可以激活成骨细胞 从而造成内部骨改建 工 程模型来描述这一过程 4 5 的推导开始与小变形应变 北而南的一般定义 ui t 是小位移分量 ui j t 导数关于 xj 和 eij t 是应变张量 骨的 体积分数列入平衡方程 在方程 2 f 0 是骨材料的参考体积分数和取值是添加到要给总体积分数的引 用附加体积分数 b 我是身体的力量 而 c 是 s 密度 ij t 是导致骨中的 应变 线性相关的自适应弹性张量 c 应变的应力场张 ijkm e 为骨 根据材料 请注意 在方程 3 由应力引起的应变将减少的体积分数增大 换句话说 孔隙度会造成骨的弱化 当骨被劳损时 成骨细胞导致重构的骨作为 Riccatti 方程表示的体积分数 e t 的变化率 高频低载振动台结构设计 36 在哪里 B ij e 和资料重构矩阵和重构功能 分别是 a e 联立 1 到 4 都 是可以用来表达一种自适应的弹性材料体内骨等的一般表达式 3 振动引起的骨重塑 各种类型的可能发生在骨的身体力通常被假设可以忽略不计 4 5 所以 方 程 2 被简化为 简单的单轴加载的股骨 例如 组件的应变张量的简化到 其中 n 是泊松比和 E 是杨氏冒顿 lu 骨材料和 k e 是孔隙度校正功能 它 已经证明临床扭转加载 即产生的剪切应力和应变 不会引起骨重塑 6 9 因此 改造矩阵为非零只为直接的菌株 其中可以表示使用克罗内克符号 dij 作为 振动运动对治疗骨质疏松症 结果表明在文献 5 的改造功能描述的二阶多项式 高频低载振动台结构设计 37 在这里 Ci 是系数 代入方程 4 方程 8 到 10 定义中二阶非线性 Riccatti 方程的体积分数的 变化率 若要获取取值的解析解 方程 11 是改写以标准形式 12 的特征方程是 其中有两个不同的根 e 1 e 2 给定的 时间常数可以依据这些两根定义并给出了由 使用的初始条件 e 5e 0 在 t 50 方程 12 中给出了 肌肉 像任何其他软的弹性材料 可以接收振动 并作为一种媒介 将振动传 输到他们的支持 即骨 最近 它被证明可以考虑肌肉 如大规模 春天 和 阻尼器系统 8 与刚度和阻尼值实验强烈取决于应用振动的频率 目前 支配 肌肉的非线性行为接触面的机制还不完全清楚 然而 在本研究中 兴趣是在 应用肌肉振动文正的恒定振幅和频率 因此 在每个卡易线性分析是足以确定 高频低载振动台结构设计 38 跨日期到骨力 质量 弹簧和阻尼器 肌肉模型如图 1 所示 骨被假定为肌肉系统的基础 如果一个振动器提供对肌 肉系统的正弦力 F sin vt 对钼的方程是 其中 m 是肌肉的有效质量 c v 是阻尼系数 检测是弹簧的刚度 位移和速 度的振动的系统反应是 传送到春天通过肌肉的力量是 传输到肌肉通过阻尼器的力是 因此 总的传播的力是 高频低载振动台结构设计 39 图 1 质量 弹簧和阻尼器模型的肌肉和骨骼系统 这产生应力骨被这种力量是 A m 是骨的横截面 替换成方程 11 24 方程给出了振荡系数取值 额外的 体积分数 可以由 Riccatti 方程 由于振动产生应变 有效 阻性 应变 方程 11 中使用 这是类似于阻性值用于交流电气元件中电流和电压 4 数值算例 考虑 可以为具有恒定的截面积是理想化的股骨 m 在其长度 l 由于骨质疏松 症和长期的固定化方法 股骨已随轴向的坐标 x 的初始体积分数这样初始 高频低载振动台结构设计 40 额外的体积分数是 振动加速度幅值的 2 g 适用于根据股骨周围肌肉 因此为 30 赫兹 v 5 60 p rad s 励磁频率 位移幅值 在文献 6 作为 C 给出了方程 10 中系数的值 0 5 1 5610 28 s 21 C 1 5 21 5610 27 s 21 和 C 2 5 2 5610 27 s 21 是方程 10 的最小根 e2 0 5 0 1267 此外 从文献 6 参考体积分数 j0 5 0 7 和 B 5 22 561025 s21 方程 11 中 骨的杨氏模量 E 5 18 4 GPa 泊松比是 n 5 0 302 3 6 并参考 6 作为给出孔隙度校正函数 k e 方程 6 到 8 从文献 8 v 5 60 p rad s 的肌肉材料的动态属性是 从方程 22 的有效传播的力是 F te 5 198 5 N 此后 com 截肢的重塑历史 从方程 16 是简单明了 图 2 中的情节说明了如何附加骨分数随沿骨和时间这两个位置 每个线在此图 中的显示更多的骨分数作为一个功能的地位 与每个线绘制为一个不同的即时 在时间 高频低载振动台结构设计 41 图 2 中沿骨的附加体积分数的变化 每条曲线的绘制不同的时间段 股骨的 素描是取自图 随着时间的增加情节移动从左到右与两个初始值 e 0 和最终值 e f 显示在图 表上 时间常数是 T 5135 天和最后的曲线 在图 2 中显示初始的 inhomo 性 已经消失在 ef 为时间 t 52 t 无论在截面的初始体积分数 最后附加体积 分数价值 ef 在所有截面方法相同的值 5 讨论 在成熟骨组织是不断通过替换了吸收和形成 骨 remodell ing 是由各种生物 化学和机械因素控制的 这里使用的方程不要试图涉及所有可能的机制 incor 和的骨重塑在细胞水平与骨密度的变化 因为这些关系不充分的认识 进一步 的并发症出现时考虑增长或不成熟骨作为骨质量随时间而没有振动锻炼 因此 骨模型方程很可能要更复杂 但有病目前定义 分析本报告所述数学更领域的 应变诱导骨改建的重点 数值例如这里 考虑初始骨质量是最低骨两端 已运行了其他情况下 来表明 改建不受如何体积分数变化沿骨的长度的选择 加速度幅值和频率选取的数值 算例均符合那些动物 1 2 和 3 名男性志愿者的测试中使用 不审议了骨 质疏松的老年患者的能力 以应付振动行使政权 这是故意的不作为 有几个 高频低载振动台结构设计 42 可以用于指导不同组患者能承受的振动水平的数据 此外 必须考虑系数和常 数在示例中使用的所有数值一样非常近似和需要标定模型的数据不可用目前 这里提供的数值例子 只是为了说明使用振动运动治疗骨质疏松症的概念 很 多工作是必需的可以提出任何临床治疗之前 此外 应该指出的是 只有某些范围的频率和加速度幅值将导致成功的治疗 这可以理解参考方程 14 如果频率和加速度是这样 那 b 2 c 在方程 14 然后两个不同根保证 从而 重塑将按照方程 16 6 结论 虽然治疗骨质疏松症的肌肉振动曾建议 成功的这种治疗方法没有分析或生理 的解释存在 这里提出的分析模型解释了如何振动导致 骨改建岭 此外 回 答了为什么只有某些范围的频率和振幅导致成功的治疗问题 高频低载振动台结构设计 43 附录 2 外文原文 高频低载振动台结构设计 44 高频低载振动台结构设计 45 高频低载振动台结构设计 46 高频低载振动台结构设计 47 高频低载振动台结构设计 48 高频低载振动台结构设计 49 高频低载振动台结构设计 50 高频低载振动台结构设计 51 高频低载振动台结构设计 52 高频低载振动台结构设计 53 高频低载振动台结构设计 54 高频低载振动台结构设计 55 致 谢 终于 在经过半年的努力中 完成了毕业设计 在这次设计中 首先要感 谢自己的毕业设计指导老师李淑娴老师 李老师对我们要求严格 在画图 论 文格式上边特别严厉 但在我们遇到设计难题时 总是耐心的给于我们指导 除了知识方面的指导 还要感谢李老师在生活 未来工作中给我提出的建议和 指导 老师的一言一行都是我要学习的 与此同时 在这次设计中 还得到了 班级同学的各种帮助 在此我深表感谢 与此同时 临近毕业之际 对所有给予我指导和帮助的各学科老师表示 深深的感谢 是你们 教会了我机械专业方便的知识 是你们 在人生这种重 要的时间段 帮助我们树立了正确的人生价值观 这四年学习 使我养成了独 立思考 解决问题的能力 更使我养成了良好的学习 生活习惯 同时在此感 谢所有同学 很高兴这段旅程有你们相伴 祝各位前程似锦 鹏程万里
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