振動試驗係統現狀與（yǔ）發展

　　

1.機械式振動（dòng）臺

　　

　機械式振動臺可（kě）分為不平衡重塊式和凸輪式兩類。不平衡重（chóng）塊式是（shì）以不平衡重（chóng）塊旋轉時產生的離心力（lì）來激振振動（dòng）臺臺麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比（bǐ）。這種振動臺可以產生正弦振動，其結構簡單，成本低，但隻能在約5Hz～100Hz的頻率範圍工作，zui大位移為 6mm峰-峰值，zui大加（jiā）速度約10g，不能進行隨機振動。

　

　　凸輪式振動臺運動部分的位（wèi）移取（qǔ）決（jué）於凸輪的偏（piān）心量和曲軸的（de）臂長，激振力（lì）隨運動部分的品質而變化。這種振（zhèn）動臺在低頻域（yù）內，激振力大時，可以實現很大的（de）位移，如100mm。但這（zhè）種振動臺（tái）工作頻率僅限於低頻，上限（xiàn）頻率為20Hz左右。zui大加速度為3g左右，加速度（dù）波（bō）形失真（zhēn）很大。

 

機械式振動臺由於其性能的局（jú）限，今後用（yòng）量會越來越小。

　　

　　2.電液式振動臺

　

　　電液式振動臺的工（gōng）作方式是用小的電動（dòng）振動臺驅動可控製的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產生振動。這種振（zhèn）動臺能產生很大的（de）激（jī）振力和位移，如激振力可高達104kN，位移可達2. 5m，而且在很低的頻率下可得到很大的（de）激振力。大激振力的液壓（yā）台比相同推力的電動式振動臺價格便宜。電液台（tái）的局限性在於其高頻（pín）性能較差，上限（xiàn）工作頻率低，波形失真較大。雖然可以做隨機振動，但隨機振動激振力的rms額（é）定值隻能為正弦額定值（zhí）的1/3以下。這種振動臺因其大推力、大位移可以彌補電動振動臺的不足，在未來的振動試驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和汽車行業會有一（yī）定市場。

　　

　　3.電動式（shì）振動臺

　　

　　電動式振動臺是目前（qián）使（shǐ）用（yòng）zui廣泛的一種振動設備。它的頻率範圍寬，小（xiǎo）型振動（dòng）臺頻率範圍（wéi）為（wéi）0～10kHz，大型振動臺頻率範圍為0～2kHz；動態（tài）範（fàn）圍（wéi）寬，易於實現（xiàn）自動或手動控製；加速度（dù）波形良好，適合產生隨（suí）機波；可得（dé）到很大的（de）加速度。電動（dòng）式振動臺是根（gēn）據電磁感應原理設計的，當通電導體處在恒定磁場中（zhōng）將受到力的作用（yòng），當導體中（zhōng）通以交（jiāo）變電流時將產生振動。振動臺的驅（qū）動線（xiàn）圈正式處在一個高磁感應強度的空隙中，當需要的振動信號從信號發生器（qì）或振動控製儀產生並經功率放大器放大後（hòu）通（tōng）到驅動線圈上，這時振動臺（tái）就會產生需要（yào）的振（zhèn）動波形。

　　

　　電動振動臺基本上由驅動線圈及運動部件、運動部件懸掛及導（dǎo）向裝置、勵磁及消磁（cí）單元、台體（tǐ）及支承裝置五部分組成。驅（qū）動線圈和運動部件是振動（dòng）臺（tái）的核心部件，它的一階共（gòng）振頻（pín）率決（jué）定著振動臺的使（shǐ）用頻（pín）率範圍，由於運動（dòng）部件結構複雜，一階共振頻率計算非常困難，要靠經驗估算，這常（cháng）常造成設計失誤。702所在80年代末將有限元方法用於電動振動（dòng）臺運動部件共振頻率的計算（suàn），不僅提高了計算結果的（de）準確度（dù），而且便於對結構進行優化設計（jì），大大增加了振動（dòng）臺的設計可靠性。

　　

　　振動臺（tái）驅動線圈電流的產生方式有直接式和感應式。直接式（shì）就是將放大（dà）器輸出的電流直接加到驅動線圈上（shàng），這種方（fāng）式是（shì）振動臺的主流。感應式是將交變電流通（tōng）入一（yī）固（gù）定線圈（quān），然後通過感應方式在驅動線圈產生（shēng）電流（liú）。感應式（shì）振動臺的驅（qū）動線圈不需要引出電纜，結（jié）構（gòu）簡單，但這種振動臺（tái）效率相對較低。美（měi）國（guó）的UD公司的一些振動臺採用了這種結構。702所和其他公司的（de）產品採用的是直接式，由於很（hěn）好地解決（jué）了驅動線圈引出電纜問題，其產品更實用。

　　

　　振動臺的磁（cí）場產生方式可分為永（yǒng）磁型（xíng）和勵磁型。永磁型的恒定磁場是由*磁鋼產生的，由於大（dà）體積的磁鋼製作較困難，目（mù）前這種結構隻適用於小型振動臺。如702所生產的2202型振動臺和B&K公司（sī）的4808型振動臺都（dōu）屬於（yú）永磁型。而對於大型（xíng）振動（dòng）臺（tái）則需（xū）要在勵（lì）磁線圈中通以直流電流來產生恒定磁場，這就是勵磁型振動臺。

　　

　　勵磁型振動臺又可分為單勵磁和雙勵磁。單勵磁（cí）隻有一組勵（lì）磁線圈，形成一個磁場回路，這種結構（gòu）勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消（xiāo）磁線圈來（lái）保證工（gōng）作臺麵有一個低（dī）的磁場。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（cí）場互相疊加，而在工作臺麵上的磁場互相抵消，所以工作臺（tái）麵（miàn）上的磁場（chǎng）就很小。同時由於雙勵磁磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁有顯著提高。702所的2104係列（liè）振動臺、美國LING和英（yīng）國LDS的一些大型振動臺都屬（shǔ）於雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動臺上下兩（liǎng）組磁場（chǎng）是（shì）非對稱的，而其他的振（zhèn）動臺卻是對稱（chēng）的。

　　

　　振動臺的（de）冷卻（què）方式有自然冷卻、強製風冷、水冷和油冷等幾種方式。自然冷卻隻適用（yòng）於功率很小的小型激振器。油冷方式由於結（jié）構複雜，在新研製的振動臺（tái）已不多見，現在還在使用的油冷（lěng）振動臺要（yào）注意保持油的品質和數量。強製風冷是用於中小型振（zhèn）動臺的常用冷卻方式（shì），它是利用高壓風機將台體內的熱空氣不斷抽（chōu）出實現冷卻的。這（zhè）種方式冷卻時，驅動線圈和勵磁線圈的（de）結構比較簡單，設備安裝方便，成本低，不會出現（xiàn）水冷台常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風機工作（zuò）時噪音非常大，對操作人員影響很大。風冷的冷卻效率相對較低，不適合大型振動臺的冷卻。水冷是大中型振動臺常用的冷卻方式，通常水冷台的（de）繞組都是用空（kōng）心（xīn）漆包導線繞（rào）製的（de），而（ér）把冷卻水直接通入空心漆（qī）包導線內進行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的噪音。但振動臺結（jié）構較複雜，對冷卻水的水質要求較高（gāo），常用蒸餾（liú）水（shuǐ）或去離（lí）子水。在水冷台中，美、英幾家公司的設備存在（zài）著嚴重的缺陷，即驅動（dòng）線圈引出電纜和水管的結構不合理及勵磁線圈水路的不合理，這種結構常出現（xiàn）漏（lòu）水，而且對水質要求極高，要經常換水。702所的振（zhèn）動臺採用的水路並（bìng）聯、電路串聯、水電接頭都採用螺紋連接的新結（jié）構繞組很好（hǎo）的解決了這些問題，它對水質要（yào）求不太（tài）高，水壓低，很少出現漏水現象。

　　

　　功率放大器是（shì）電動振（zhèn）動臺係統的重（chóng）要組（zǔ）成部分，它本身的性能和與振（zhèn）動臺的匹配狀況直接關係著（zhe）係統的性能。功（gōng）率放大器發展到現在已經歷了三代，從電子管放大器到晶體管線性放大器（qì）再到數位式開關放大器。電子管放大器在新生產的設備中已基本不用，開關式放大器是近幾年（nián）國（guó）外（wài）開發出來的，它利用了電晶體的開關特性，管耗很小，效率可（kě）高達90%，而普通的線性放大器的效率隻（zhī）有（yǒu）50%左右（yòu）。正是由於開關放大（dà）器本身發熱少，它的冷卻就非常簡單，輸出功率幾十千伏安的放大器（qì）僅用很（hěn）小的軸流風機就可以冷卻下（xià）來（lái），使設備的（de）結構簡單可靠。而同樣的線性（xìng）放大器必須（xū）要用水來冷卻（què），結構（gòu）複雜。開關式放大器在低功率輸出時失（shī）真度相（xiàng）對較大，而且機殼需要較（jiào）好的電磁遮（zhē）罩，否則會對周圍設（shè）備造成電磁幹擾（rǎo）。

　　

　　電動（dòng）振動臺的技術指標有：額定正弦推力、隨機推力（lì）有效值、工作頻率範圍、zui大加速度、zui大速（sù）度、zui大位移、運動部件有效品質（zhì）、工作臺麵允許直接承載品質、工（gōng）作臺麵允許偏載力矩、雜散磁場、加速度波（bō）形失真度、工作臺麵加速（sù）度均勻度及橫向振（zhèn）動比等。振動臺的（de）推力是指其（qí）運動部分的品質與（yǔ）在該品質下能達到的加速度的（de）乘積，而不（bú）是指試件的重量。額定正弦推力是運（yùn）動部（bù）件有效品質與zui大加速度（dù）峰值的乘積（jī），隨機推力有效值是振動臺按標準(如ISO5344)規定（dìng）的功率譜密度曲線實驗時，運動部分（fèn）有效品質與可（kě）達到的zui大加速度有效值的乘積（jī）。

　　

　　電動振動臺仍將是未來振動試驗的（de）主（zhǔ）要設（shè）備（bèi），其製造技（jì）術會在兩個方麵有（yǒu）所發展（zhǎn）。一是新材（cái）料的應用，隨著大型磁性材料成本的降（jiàng）低，大型的永磁振（zhèn）動臺將成為可能（néng），這種（zhǒng）振動臺結構簡單，節約能源，且有高可靠（kào）性。功率放大器會採用更多的數位化和模組化的電路，體積越來越小，效（xiào）率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限元方法（fǎ）的推（tuī）廣，複雜（zá）結（jié）構的動力特性可以準確、快速的計算出來。因為振動臺跟汽車等產品相（xiàng）比用（yòng）戶是很少（shǎo）的，隻能進行小批量生產，這就（jiù）便於（yú）對不同的用戶、不同的試件進行專門設計，實現運動部件與（yǔ）夾具的一體化設計，使每一個實驗係統都達到*性能。

 

4.水平滑台

　　　水平滑台是振動臺進（jìn）行水準試驗的輔助設備，在（zài）水平滑（huá）臺上便於安裝（zhuāng）大型試驗件。水平滑台可分為靜壓軸承支承式、滾珠軸承支承式（shì）和油膜支承式，大型滑台則採用了油膜和靜壓軸承共同支（zhī）承的（de）方式。靜（jìng）壓軸承（chéng）支承（chéng）的（de）滑台可在極低的頻率到很高的頻率（lǜ）之間工作，加速度波（bō）形失真度小，抗傾覆力矩及（jí）抗扭轉力矩高，橫向振動小（xiǎo）。但這種滑台成本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑台可用於中頻到高頻，在低頻工作（zuò）時，加速度波形上要疊加軸承雜（zá）訊。油膜滑台結構簡單，成本低，在低頻域內波形良好，容易實現（xiàn）大行程。但它抗傾覆和（hé）扭轉力矩低（dī），橫向（xiàng）振動較大。

　　　　5.振動試驗夾（gā）具

　　夾具是為把試驗件牢固地固定在振動臺工作臺麵上，並把振動臺（tái）的（de）振動傳給試驗件，它的品質（zhì）直接關（guān）係著試驗的品質。但目前對試驗夾具的（de）重要性普遍重視不夠，尤其（qí）是在國內，一些試驗（yàn）人員僅憑感覺來設計（jì）夾具，設計時缺乏必要的計（jì）算分析，也沒有必要的檢驗（yàn）測試。這樣的夾具傳遞的振動往往存在著很大的（de）失真（zhēn），夾具上各點（diǎn）的振（zhèn）動量值相差很大，也就是均勻度很差。在測試（shì）頻段記憶體在多階共振（zhèn），振動控（kòng）製非常（cháng）困難。有些夾具材（cái）料選用（yòng）不當，品質過大，消耗能量多。

　　

　　夾具設計的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的品質，高的剛（gāng）度，在試驗頻段內盡可能不出現和少出現共振（zhèn）。夾具的材料多採用鎂和（hé）鋁，因為這兩種金屬比鋼的品（pǐn）質小，阻尼特性比鋼好（hǎo），加工成本低。小型夾具通（tōng）常用整塊材料加工（gōng）而成，大的夾具（jù）有用焊接和鑄造的方法製作。設計時應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動（dòng）能級和允差，正弦掃描的頻率範圍，隨機振動功率譜密度曲（qǔ）線，安裝條件，允（yǔn）許的加速度不均（jun1）勻度及橫向振動等。然後（hòu）計算夾（gā）具的共振頻率及品質，使之滿足試驗要求。對於小試（shì）件，夾具（jù）的共振頻率不（bú）允許低於1000Hz，同時應達到試件zui低頻率（lǜ）的3～4倍。夾具加工完成後應進（jìn）行必要（yào）的檢（jiǎn）驗，對於重要和常用的夾具，如轉接板、擴展台等，要進行全麵的性能測試，以保證試驗的正確性（xìng）。

　　

　　6.綜（zōng）合環境試驗用振動臺係統

　　

　　綜合環境試驗有三綜合和四綜合，三綜合是（shì）指溫度、濕度和振動的綜合試驗。702所90年代初在國內研製成（chéng）功了三綜合試驗係統（tǒng）。用於三綜合試驗的（de）振動（dòng）臺一（yī）般具有較（jiào）大的工作臺麵，以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動臺與環境（jìng）試驗箱之間的密封和隔熱，矽橡膠板是常用的密封隔熱材料。702所正在研製四綜合實驗（yàn）係統，四綜合是（shì）指溫度、濕度、真空和振動的綜合環境試驗，由於試（shì）驗箱內要抽真空，用（yòng）於四綜合的振動臺必須有自動對中係（xì）統，保證振動臺不（bú）在負壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運（yùn）動（dòng）部件的（de）延伸段與（yǔ）試驗箱連接，用（yòng）滾動密（mì）封件進行密封，必（bì）要時可加裝擴展（zhǎn）台，以安裝較多和較大的試（shì）件。三綜合環境試驗係統已比較多（duō）見，四綜合（hé）試驗係統在將來的環（huán）境試驗中會發（fā）揮出（chū）更大的作（zuò）用。

　　

　　7.多向振動（dòng）臺

　　

　　許多試驗（yàn）件，尤其是航空航太和船舶行業的試驗件（jiàn），所處的振動環境並不是單自由度，而是多自由度的，顯然用目前常用的單方向激振的振動臺無法實現真實的振動（dòng）環境。為了更真實的模擬振動環境，在60年代初期（qī），美國就開始了三向振動臺的研製，到70年代（dài）已成功的（de）研製了工作頻率較高（gāo）、失真度（dù）較小的三向振動係（xì）統。80年代，702所也開始了這方麵的研究。多向振動臺有電動式和液壓式，電動式可以實現高的工作（zuò）頻率和低的波形失真，而液壓式適（shì）合於（yú）低頻工作，容易實現大激振力。目前（qián）三向及（jí）多向振動係（xì）統在美、日等國家應用較多，在我國使（shǐ）用還很少。但隨著技術的日益成熟，多向振動臺將以其自身的性能優勢（shì）和高的工作效（xiào）率得以推廣。

　　

　　電子、電工及材料技術的提高和機械設計方（fāng）法的改進，為振動試驗係（xì）統的發展提供了機遇，以702所（suǒ）為代表的振動試驗（yàn）設備生產廠，隨著技術投入的（de）加大，將會為振動試驗提供更可靠、率、低成本的設（shè）備。