阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析*

孫欽密　張衛(wèi)東　馬睿松　任　翔

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

0　引言

振動(dòng)臺(tái)(或振動(dòng)器)按能源提供形式大致分為機(jī)械式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液壓式等。其中氣動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)振動(dòng)元件在既定軌道內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生激振力的試驗(yàn)設(shè)備。相對(duì)其它的振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如以壓縮空氣為動(dòng)力，操作簡(jiǎn)單安全，體積小，安裝簡(jiǎn)單，激勵(lì)頻率和激振力容易控制，潔凈度高，易于滿(mǎn)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(hù)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(yàn)方法(第5部分)中要求以氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)作為試驗(yàn)平臺(tái)。由于市面上沒(méi)有成熟的氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)品，而且振動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)直接影響振動(dòng)響應(yīng)效果，因此如何圍繞振動(dòng)響應(yīng)效果設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)是阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)儀研制的關(guān)鍵。

1　氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)及計(jì)量

阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀試驗(yàn)平臺(tái)是利用球式氣動(dòng)振動(dòng)器的激勵(lì)，使大理石板臺(tái)面產(chǎn)生一定頻率下的激振，帶動(dòng)臺(tái)面上帶有試驗(yàn)樣品的容器振動(dòng)，以滿(mǎn)足醫(yī)用防護(hù)服阻干態(tài)微生物穿透試驗(yàn)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(tái)，氣動(dòng)振動(dòng)器為激勵(lì)源，激勵(lì)源連接大理石板上面的一個(gè)側(cè)邊處,通過(guò)壓縮空氣流量,使激勵(lì)源帶動(dòng)平板每分鐘產(chǎn)生約20800(約347Hz)次的振動(dòng),臺(tái)面下面各角部裝有4個(gè)橡膠支撐，有6個(gè)不銹鋼試驗(yàn)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(cè)物品的示意位置，模型上并不存在。長(zhǎng)方形112×24 為放置氣動(dòng)振動(dòng)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(dòng)臺(tái)檢定裝置對(duì)該振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行檢定。將傳感器分別布置在激勵(lì)源旁和6個(gè)不銹鋼容器中心點(diǎn)位置，調(diào)整進(jìn)氣壓力，使氣動(dòng)球式振動(dòng)臺(tái)以一定的頻率振動(dòng)，測(cè)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(dòng)振動(dòng)臺(tái)面振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)和分析表

注：測(cè)量頻率為334.4Hz左右

2　氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)仿真分析

2.1　仿真參數(shù)

各項(xiàng)仿真參數(shù)如圖2所示。

圖2　各項(xiàng)仿真參數(shù)

2.2　仿真計(jì)算結(jié)果分析

取20階固有頻率，對(duì)前2階進(jìn)行分析，分析結(jié)果及固有頻率模式形狀對(duì)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(dòng)頻率最大值出現(xiàn)在臺(tái)面正中心，二階振動(dòng)頻率最大值出現(xiàn)在氣動(dòng)振動(dòng)器安裝位置。

圖3　一階振動(dòng)固有頻率模式形狀

圖4　二階振動(dòng)固有頻率模式形狀

2.3　裝配體的振動(dòng)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(lì)施加力(取激勵(lì)振動(dòng)頻率f=300Hz)：

F=650cos(2p ×300t)N

根據(jù)計(jì)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(tái)面振動(dòng)器安裝位置接近臺(tái)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(duì)6個(gè)被測(cè)物件的參考點(diǎn)的振幅響應(yīng)對(duì)比

圖7　改進(jìn)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(duì)6個(gè)被測(cè)物件的參考點(diǎn)的振幅響應(yīng)進(jìn)行比較，如圖6所示。

由以上的這些被測(cè)物體的響應(yīng)分析對(duì)比可知，當(dāng)被測(cè)物體放置的位置對(duì)稱(chēng)，則振動(dòng)響應(yīng)幅值大致相同，否則，振動(dòng)幅值相差較大。被測(cè)物體越靠近激勵(lì)源，則振動(dòng)幅值越大，這與1、2、3點(diǎn)的一階頻率及激振力較大的測(cè)量結(jié)果基本一致。

3　改進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真

由于機(jī)械式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液壓式振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)一般為對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu)模式，設(shè)想將氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)源放在臺(tái)面中心，其它點(diǎn)輻射型布設(shè)在圓周上，其它試驗(yàn)條件同非對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

3.1　仿真計(jì)算結(jié)果分析

在仿真參數(shù)不變的前提下，計(jì)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(duì)于原結(jié)構(gòu)的變形形狀，可以看出一階振動(dòng)頻率幅值最大值出現(xiàn)在臺(tái)面中心，被測(cè)試點(diǎn)處頻率均勻分布，二階振動(dòng)頻率振幅出現(xiàn)在激振器兩側(cè)。

3.2　激振力仿真

激勵(lì)施加力，取激勵(lì)振動(dòng)頻率f=800Hz，F(xiàn)=650cos(2p ×800t)N，計(jì)算結(jié)果其前一階固有頻率模式如圖9所示，振幅計(jì)算結(jié)果如圖10所示，可以看出激振力在圓周各測(cè)試點(diǎn)均勻分布，各點(diǎn)振動(dòng)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(gè)被測(cè)物體的振動(dòng)幅值及頻率相同，所以該模型設(shè)計(jì)符合振動(dòng)臺(tái)面均勻度的關(guān)鍵要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

由以上兩個(gè)模型對(duì)比分析可知，為了使各被測(cè)物體的振動(dòng)位移盡可能的相同，盡量使振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，被測(cè)物體的放置位置離激勵(lì)源的距離盡量相同。阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，具有更佳的振動(dòng)響應(yīng)效果。

根據(jù)仿真和測(cè)試結(jié)果可以看出，目前標(biāo)準(zhǔn)要求的氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足：一是因?yàn)榍蚴秸駝?dòng)器易磨損,運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)試驗(yàn)效果會(huì)出現(xiàn)衰減,以氣動(dòng)球式振動(dòng)器作為激勵(lì)源有一定的局限性；二是將振動(dòng)器放在臺(tái)面一側(cè)激勵(lì)的效果沒(méi)有在中心的效果均勻穩(wěn)定。因此,現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以考慮采用我院設(shè)計(jì)的阻干態(tài)微生物穿透性試驗(yàn)儀。

[1]YY/T 0506.5—2009病人、醫(yī)護(hù)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(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

[2]王考,陶俊勇,陳循.單錘激勵(lì)下氣動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)的響應(yīng)分析[C].2007年第九屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，杭州，2007.10

[3]張宏宇,可以簡(jiǎn)化安裝的正弦振動(dòng)試驗(yàn)〔J〕.計(jì)量技術(shù)，2008(5)

[4]GB/T 13309—2007機(jī)械振動(dòng)臺(tái)技術(shù)條件.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

[5]GB/T 13310—2007電動(dòng)振動(dòng)臺(tái).北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007