振動試驗機的現狀與發展

振動試驗機的現狀與發（fā）展

振動試驗的目的在於確定所設計、製造的機器、構件（jiàn）在運輸和使（shǐ）用過程中承受外來振動或者自身產生的振動而不至破壞，並發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航天產品可靠性要求的提高（gāo），作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗係統的（de）發展顯得越來越重要。
60年代，702所為滿足航天產品振（zhèn）動試驗的（de）需要，開（kāi）始了振動試（shì）驗係統的研製，包括推力10N至100kN的振動台（tái）及各種振動測量（liàng）儀（yí）表和（hé）傳感器。目前，702所的振動試驗設備（bèi）不（bú）僅在航天領域而且在其他行業發揮著作用，成（chéng）為該所的一項重要民品。用於振動（dòng）試驗的振動台係統從其激振方式上可分為三類：機械式振動台、電液式振動台和電動式振動台。從振動台的激振方向，即工（gōng）作台麵的運動軌跡（jì）來分，可分為單向（單自由度（dù））和多向（多自由（yóu）度）振動台係統。從振（zhèn）動（dòng）台的（de）功能（néng）來分，可分為單一的正弦振動試驗台和可完成正（zhèng）弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和衝擊試（shì）驗的振動台係統。以（yǐ）下筆者對各種振動台（tái），主要（yào）對電動振動台，及其輔（fǔ）助設備的結構、性能和成本（běn）的現狀及發展等進行簡單的論述。
     1.機械（xiè）式振動台
機械式振動（dòng）台可分為不平衡重塊式和凸（tū）輪式（shì）兩類。不平衡重塊式是以不平衡重塊旋轉時產生（shēng）的離心力來激振振動台台麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。這種振動台可以（yǐ）產生正弦振動，其結構簡單，成本低，但隻能在約5Hz～100Hz的頻率範圍工作，zui大位移（yí）為（wéi） 6mm峰-峰（fēng）值，zui大加速度約10g，不能進行隨機振動。
　　凸輪式振動台運動部分的位移取決於凸輪的偏心量和曲軸的臂長（zhǎng），激振力隨運動部分的質量而變化。這種振動台在低頻域（yù）內，激振力大時，可以實現很（hěn）大的位移，如100mm。但這（zhè）種振動台工作頻率（lǜ）於低頻，上限頻率為20Hz左（zuǒ）右。zui大加速度（dù）為3g左右，加速（sù）度波形失真很大。
機械式振動台由於其性能（néng）的局限，今後用量會（huì）越來越小。
　　2.電液式振動台
電液（yè）式振動台的工作方式是（shì）用小的（de）電動振動（dòng）台驅（qū）動可控製的伺服（fú）閥，通（tōng）過油壓使傳動裝置產生振（zhèn）動。這種振動台能產生很大的激振力和位移，如激振力可高（gāo）達104kN，位移可達2. 5m，而且在很低（dī）的頻（pín）率下可得到很大的激振力。大激振力（lì）的液壓台比相同推力的電動式振動台價格便宜（yí）。電液台的局限性在於其高頻性能較差，上（shàng）限工（gōng）作頻率低，波形失真較大。雖然可以做隨機振動，但隨（suí）機（jī）振動激振力的rms額定值隻能為正（zhèng）弦額定值的1/3以下。這種振動台因其大推力（lì）、大位移可以彌補電動振動（dòng）台的不（bú）足，在未來的振動試（shì）驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和汽車行業（yè）會有一定（dìng）市場。
　　3.電動式振動台
　　電動式振動台是目前使用zui廣泛的一種（zhǒng）振（zhèn）動設備。它的（de）頻率範圍寬，小型振動台頻率（lǜ）範圍為0～10kHz，大型振動台頻率範圍為0～2kHz；動態範圍寬（kuān），易於實現自動（dòng）或手（shǒu）動控（kòng）製；加速度波形良好，適合產生隨機波；可得到很大的加速度。電動式振動台是根據電磁感應原理設計的，當通電（diàn）導體處在恒定（dìng）磁場（chǎng）中將受到力的作用，當導體中通以交變電流時將產生振動。振動台（tái）的驅動線圈（quān）正式處在一個高磁感應強度的空隙中，當需要的振（zhèn）動信號從信號發生器或振動控製儀產生並經功率放大器放大後通到驅動線圈上，這時振動台（tái）就（jiù）會產生需要的振動波形。
　　電動振動台基（jī）本上由驅動線圈及運動部件（jiàn）、運動部件懸掛及導向（xiàng）裝置、勵磁及消磁（cí）單元、台體及支承裝置（zhì）五部分組成。驅動（dòng）線圈和運動部件是振（zhèn）動（dòng）台的核心部件，它的一階（jiē）共振（zhèn）頻（pín）率決定著振（zhèn）動台的使用頻率範圍，由於運動（dòng）部件結構複雜，一（yī）階（jiē）共振頻率（lǜ）計算非常困難，要靠經驗估算，這常常造成設（shè）計失誤。702所在80年代末將（jiāng）有限元方（fāng）法用於電動振動（dòng）台運動部件（jiàn）共振頻率的計（jì）算，不僅提高（gāo）了計算結果的準確度，而且便於對（duì）結構進行優化設計，大大增加了振動台的設計可靠（kào）性。
振動台驅動線圈電（diàn）流的產生（shēng）方式有直接式和感應式。直接（jiē）式就是（shì）將放大器輸出的電流直接加到驅動線圈上，這種方式是振動台的主（zhǔ）流。感應式是將交變電流通入（rù）一固定線圈，然後通過感應方式在驅動線圈產生電流。感應（yīng）式振動台的驅動線圈（quān）不需要引出電纜，結構簡單，但（dàn）這（zhè）種振動台效率相（xiàng）對較低。美國的UD公司的一些振動台采用了這（zhè）種結構。702所和其他公司的產品采用的是（shì）直接式，由於很好地解決了驅動線圈引（yǐn）出（chū）電纜問題，其（qí）產品更實（shí）用。
　　振動台的磁場產生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場是（shì）由*磁鋼產生的，由於大體積的磁鋼製作較困難，目前這種結構隻適用於小型振動台。如702所生產的2202型振動台和B&K公司的4808型振動台都屬（shǔ）於永磁型。而（ér）對於（yú）大（dà）型振動台則需要在勵磁線圈中通以直流電流（liú）來產（chǎn）生恒（héng）定磁場，這就是勵磁型振動台。
勵磁型振動台又可分（fèn）為單勵磁和（hé）雙勵磁。單勵磁隻有一（yī）組勵磁線（xiàn）圈，形（xíng）成一個（gè）磁場回路，這種（zhǒng）結構勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需（xū）要用消磁線圈來保證工作台（tái）麵有一個低的磁（cí）場。雙勵磁由（yóu）兩套勵磁繞組產生磁場，分別置於工作磁隙的上下兩側，在工作磁隙的磁場互相（xiàng）疊加，而在工作台麵上的磁場互相抵消，所以工作台麵上的磁場就很小。同時由於雙勵磁磁路縮短，磁阻減（jiǎn）小，勵磁效率比單勵磁有顯著（zhe）提高。702所的2104係列振動台、美國LING和（hé）英（yīng）國LDS的一些大型振動台都屬於（yú）雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結（jié）構，702所（suǒ）的振動台上下兩組磁場是非對稱的，而其他的振動台卻是對稱的。
　　振動台的冷卻方（fāng）式有（yǒu）自然冷卻、強製（zhì）風冷、水冷（lěng）和油冷等幾種方式。自然（rán）冷卻隻適用於功率很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新（xīn）研（yán）製的振動台已（yǐ）不多見，現在還在使用的油冷振動台要（yào）注（zhù）意保持油的質量（liàng）和數量。強製（zhì）風冷是用於中小型振動台的常用冷卻方（fāng）式，它是利（lì）用高壓風機將台（tái）體（tǐ）內的（de）熱空氣不斷抽出實現（xiàn）冷卻的。這種方式冷卻時，驅動線圈（quān）和勵磁（cí）線圈的結構比較簡單，設備安（ān）裝方便，成本低，不會出現水冷台（tái）常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風機工作時噪（zào）音（yīn）非常（cháng）大（dà），對操作人員影（yǐng）響（xiǎng）很大。風冷的冷卻效率相對較低，不適合大型（xíng）振動台（tái）的冷卻。水（shuǐ）冷是大中型（xíng）振動台（tái）常用的冷卻方式，通常水冷台的繞（rào）組都是用空心漆包導線繞製的，而把冷卻水直接通入空心漆包導線內進行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的噪音（yīn）。但振動台結構較複雜，對冷卻水的水質（zhì）要求較高，常用蒸餾水或去離子水。在水冷台中，美、英幾家公司的（de）設備存在著嚴重的缺陷，即驅動線圈引出電纜和水管的結構不合（hé）理及勵磁線圈（quān）水路的不合理，這種結構常（cháng）出現漏水，而且（qiě）對水質要求*，要經常換水。702所的振動台采用的水路並聯、電路串聯、水（shuǐ）電接頭都采用螺紋連接的新結構（gòu）繞（rào）組很好的解決了這些問題，它對水質要求不太高（gāo），水（shuǐ）壓低，很少出（chū）現（xiàn）漏水現象。
　　功率放（fàng）大器是電動振（zhèn）動台係統的重要組成部分，它本身的性能（néng）和與振動台的匹配狀況直接關係著係統（tǒng）的性能。功率放大器發展到現在已經曆了三代，從電子管放大器到晶體管線性放大器再到數字式開關放大器。電子管放大器在新（xīn）生產的設備中已基本不用，開關（guān）式放大器（qì）是近（jìn）幾（jǐ）年國外開（kāi）發出（chū）來的，它利用了晶體管的開關特性（xìng），管耗很小，效（xiào）率可高達90%，而普通的線性放（fàng）大器的效率隻有50%左右。正是由於開關放大器本身（shēn）發熱少，它的（de）冷卻就非常簡單，輸出功（gōng）率幾十千伏安的放大器僅用很小（xiǎo）的軸流風機就（jiù）可以冷卻下來，使（shǐ）設備的結構簡單可靠。而同樣的線性放（fàng）大器必須要用水來冷卻，結構複雜。開關式放大器在低功率輸出（chū）時失真度相對較大，而且機殼需要較好的電磁屏蔽，否（fǒu）則會對（duì）周圍設備造成電磁幹擾。
　　電動振動台（tái）的技術指標有：額（é）定正弦（xián）推力、隨機推力（lì）有效值（zhí）、工作頻率範圍、zui大（dà）加速度、zui大速度、zui大（dà）位移（yí）、運動部件（jiàn）有效質量、工作台麵允許（xǔ）直接承（chéng）載質量、工作台（tái）麵允許偏載力矩、雜散磁場（chǎng）、加速度（dù）波形失真度、工作台麵加速度均勻度及橫（héng）向振動比等。振動台的推力是（shì）指其運動部分的質量與（yǔ）在該質量下能達到的加速（sù）度的乘積，而不是指試件的重量。額（é）定正弦推力是運動部件有效質量與zui大加速（sù）度峰值的乘積，隨機推力有效值是振動台按標準（zhǔn）（如ISO5344）規定（dìng）的功率譜密度曲（qǔ）線實驗（yàn）時，運動部分有效質量與可達到的zui大加速度有（yǒu）效（xiào）值的乘積。
　　電（diàn）動振動台仍將是未來振動試驗的主要設備，其製造技術會在兩（liǎng）個方麵（miàn）有所發展。一是新材（cái）料的應用（yòng），隨著大（dà）型磁性材料成本（běn）的降（jiàng）低，大型的永磁振動台將（jiāng）成為可能，這種振動台結構簡（jiǎn）單，節約能源，且有高可靠性。功率放大（dà）器會采用更多（duō）的數字化和（hé）模塊化（huà）的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限元方法的推（tuī）廣，複雜（zá）結構的動力特性可以準確、快速的計算出（chū）來。因為振動台跟汽車等產品相比用戶是很少的，隻能進行小批量（liàng）生產，這就便於對不同的（de）用戶、不同的試件進行專門（mén）設計，實現（xiàn）運動部件與夾具（jù）的一體化（huà）設計，使每一個實驗（yàn）係統都達到*性能。
4.水平（píng）滑台
　　　水平（píng）滑台是（shì）振動台進行水（shuǐ）平試（shì）驗的輔助設備，在水平滑台上便於安裝大型試驗（yàn）件。水平滑台可分為靜承支承式、滾珠軸（zhóu）承支承式和油膜支承式，大型滑台則采用了油膜和靜承共同支（zhī）承的方式。靜承支承的滑台可在極低的頻率（lǜ）到很（hěn）高的頻率（lǜ）之間工作（zuò），加速度波形失（shī）真度小，抗傾覆力（lì）矩及抗扭轉力矩高，橫向振動（dòng）小。但這種滑台（tái）成本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑台可用於中（zhōng）頻到高頻，在低頻工作（zuò）時（shí），加速度波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑台結構簡單（dān），成本低，在低頻域內波形良好，容易實現大行程。但（dàn）它抗傾覆和扭轉力矩低，橫向振（zhèn）動較大。
　　　　5.振動（dòng）試驗夾具
　　夾具是為把試驗件牢固地固定在振動台工作台麵上，並把振動台的振動傳給試驗件，它的質量直接關係著試驗（yàn）的質量。但目前對試驗夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國內，一些試驗人員僅憑感覺來設計夾具，設計時缺乏必（bì）要的計算（suàn）分析，也沒（méi）有必要的檢驗測試。這樣的夾具傳遞的振動（dòng）往往存在著很大的失真，夾具上各點的振動量值相差很大，也就是均勻度很差。在（zài）測試頻段內存在多階共振，振動控製非（fēi）常困難。有些（xiē）夾具材料選用不當，質量（liàng）過（guò）大，消耗能量多。
　　夾具設計的原則是在滿足（zú）試件安裝的前提下，夾具盡可能（néng）有低的質量，高的剛度，在試驗頻段內盡可能不出（chū）現和少出現共振。夾具的材料多采用鎂和鋁，因為（wéi）這兩種金屬比鋼的質量小，阻尼特性比鋼好，加工成本低。小型夾具通常用整塊材料加工而成，大的夾具（jù）有（yǒu）用焊接和鑄造的方法製作（zuò）。設計時應首（shǒu）先明確試驗條件，如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的（de）頻率範圍，隨機（jī）振動功率譜密度曲線，安裝（zhuāng）條件，允許的加速度不（bú）均勻度及橫向（xiàng）振動等。然後計（jì）算夾具的共振頻率及質量，使之滿足試（shì）驗要求。對於小試件，夾具的共振頻率不允許低於1000Hz，同時應達到試件zui低頻（pín）率（lǜ）的（de）3～4倍（bèi）。夾具加工完成後應進行必要的檢驗，對（duì）於重（chóng）要和常用的夾具，如轉接板、擴展台（tái）等，要進（jìn）行（háng）全麵的性能測試，以保（bǎo）證試驗的正確性。
　　6.綜合環境試驗用振（zhèn）動台係統
　　綜合（hé）環境試驗有三綜合和四綜合，三綜合是指溫度、濕度和振動的綜合試驗。702所90年代初在國內研（yán）製成功了三綜（zōng）合試驗係統。用於三綜（zōng）合試驗的振動台一般（bān）具有較大（dà）的工作台麵，以（yǐ）便盡可能多的一次性安（ān）裝試件，要做好振動（dòng）台與環境（jìng）試驗箱之間的（de）密封和隔（gé）熱，矽橡膠板是常用的密封隔熱材料。702所正（zhèng）在研製四綜合實驗係統（tǒng），四（sì）綜合是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環境試驗，由於試驗箱內要抽真空（kōng），用於四綜（zōng）合的振動台（tái）必須有自動對中係統，保證振動台不在負壓的作用（yòng）下偏離中心位置。振動台（tái）要通過運動部件的延伸段與（yǔ）試驗箱連（lián）接，用滾動密封（fēng）件進行密封，必要時可加（jiā）裝擴展台，以安（ān）裝較多和較大的（de）試件（jiàn）。三綜合環境（jìng）試驗係統已比較多見，四綜合試驗（yàn）係統在將來的環境試驗中會發揮出更大的作用。
　　7.多向振動台
　　許多試驗件，尤其是航（háng）空航天和船舶行業的試驗件，所處的振動環境並（bìng）不是單自由度，而是多自由度的，顯然用目前常用的單方向激振的振動台無（wú）法實現真實的振動環境。為了更真實的（de）模擬振（zhèn）動（dòng）環境，在60年（nián）代初期（qī），美國就開始了三向振動台的研製，到70年代已成功的研（yán）製了工作頻率較高、失真度較小的三向振動係統（tǒng）。80年（nián）代，702所也開始了（le）這方麵的研究。多向振動台有電動式和液壓式，電動式可以實現高的（de）工作頻率和低的波形失真，而液壓式適合於低頻工作，容易實現大激振力。目前（qián）三（sān）向及多（duō）向振動（dòng）係統（tǒng）在美、日等國家應用較多，在我國使（shǐ）用還很少。但隨著技術的（de）日益成熟，多向振（zhèn）動台將以其自（zì）身的性能優勢和高的工作效率得以推廣。
　　電子、電工及材料技術的提高和機械設計方法的改進，為振動試驗係統的發（fā）展提供了機遇，以702所為代表的振動試驗設備（bèi）生產廠，隨（suí）著技術投入的加大，將會為振動試驗提供更可靠、率、低（dī）成本的設備。