振動試驗機的現狀與發展

振（zhèn）動試驗機的現狀與發展

振動試驗的目（mù）的在於確（què）定所設計、製造的（de）機器、構件（jiàn）在運輸和（hé）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（yù）定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航天產（chǎn）品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設（shè）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動試驗的需要，開始（shǐ）了振動試驗係統的（de）研製（zhì），包括推力10N至100kN的振動台及各種振動（dòng）測量儀表（biǎo）和傳感器。目前，702所的振動試驗設備不（bú）僅在航天領域（yù）而且在其（qí）他行業發揮著作用，成為該所的（de）一項重要民品。用於振動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（diàn）液式振動台和電動式振動台。從振動台的激振方向，即工作台麵的運動軌跡來分，可分為單向（單（dān）自由（yóu）度）和多向（多自由度）振動台係統。從振動台的功能來分，可分為單（dān）一（yī）的正弦振動試（shì）驗台和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和（hé）衝擊試驗的振動台係統。以下筆者對各種振動台，主要對電動振動台，及其（qí）輔助設備的結構、性能和成本的現狀及發展等進行（háng）簡單的論述（shù）。
     1.機械式振動台
機械式（shì）振動台（tái）可分為不平衡重塊（kuài）式和凸輪式兩類。不平衡重塊式是（shì）以不平衡重塊旋轉時產生的離心力來（lái）激振振動台台麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成（chéng）正比。這種振動（dòng）台可以產生正（zhèng）弦振動，其結（jié）構簡單，成本低，但隻能（néng）在約（yuē）5Hz～100Hz的頻（pín）率（lǜ）範圍工作，zui大位移為 6mm峰-峰值，zui大（dà）加速（sù）度約10g，不（bú）能進行隨機振動。
　　凸輪式振動台運動部分的（de）位移取決於凸輪的偏（piān）心（xīn）量和曲軸的（de）臂長，激振力隨運動部分的質（zhì）量而變化。這種振動台在低頻域內，激振力大時，可以實現很大的位移，如100mm。但這種振動台工作（zuò）頻率於低頻，上限頻率為20Hz左右。zui大加速（sù）度為（wéi）3g左右，加速度波（bō）形失真很大。
機械式振動台由於其性能的局限（xiàn），今後用量會越來越小。
　　2.電液式振動台
電液式振動台的工作方式是用小的電動振動台驅（qū）動可控製的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產生振動。這種振動（dòng）台能產生很大的激振力和位移（yí），如激振力可高達104kN，位（wèi）移可達2. 5m，而且在很低的頻（pín）率下可得到很大的激振力。大激振力的液壓台比相同推力的電動式振動台價格便宜。電液台（tái）的局限（xiàn）性在於其高頻性能較差，上限工作頻率低，波形失真較大。雖然可以做隨機振動，但隨機振動激振力的（de）rms額定值隻能（néng）為正弦額定值（zhí）的1/3以下。這（zhè）種振動台因其大推力、大（dà）位移可以彌補電動振動台的不足，在未來的振（zhèn）動試驗中仍將發揮作用，尤其（qí）是在船舶和汽車行業會有一定市場。
　　3.電動式振動台
　　電動式振動（dòng）台是目前使用zui廣泛（fàn）的一種振動設備。它的頻率範圍（wéi）寬，小型振動台頻率範圍為0～10kHz，大型振動台（tái）頻（pín）率範圍為0～2kHz；動態範圍寬，易於實（shí）現自動或手動控製；加（jiā）速度波（bō）形良好，適合產生隨機波；可得（dé）到很大的加（jiā）速度。電動（dòng）式振動台是根據電磁感（gǎn）應原理（lǐ）設計的，當通電導體處在恒定磁場中將受到力的作（zuò）用，當導（dǎo）體中通以交變（biàn）電流（liú）時將產生振動。振動台的驅動線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（cóng）信（xìn）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，這時振動台就會產生需（xū）要的振動波形。
　　電動振動台基本上由（yóu）驅動線圈（quān）及運動部件、運動部件懸掛及導向裝置（zhì）、勵磁及消磁單元、台體及支承裝置五部分組成。驅動線圈和（hé）運動部（bù）件是振動台（tái）的核心部件，它的一階共振頻率（lǜ）決定著振動台的（de）使用頻率範（fàn）圍，由於運動部件結構複雜，一階（jiē）共振頻率（lǜ）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台運動（dòng）部件共振頻率的計算（suàn），不僅提高了計算結果的準確度，而且便（biàn）於對結構進（jìn）行優化設（shè）計，大大增（zēng）加了振（zhèn）動（dòng）台的設（shè）計（jì）可靠性。
振動台驅（qū）動線圈電流的產（chǎn）生方式有直（zhí）接式和感應（yīng）式。直接式就是（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流。感應式是將交變電流通入一固（gù）定線圈，然後通過感應方式在驅動（dòng）線圈產生電流。感應式振動台的驅動線（xiàn）圈不需要（yào）引出電纜，結構簡單，但這種振動（dòng）台效率相對較低。美國的UD公司的一些振動台采用了這種結構。702所和其他公司的產品采用的是直接式，由於很好地解決了驅動線圈引出電纜問題，其產品更實用。
　　振動台的磁場產生方式可分為永磁型和勵磁（cí）型（xíng）。永磁型的恒定磁場是由*磁鋼產生的，由於大體積的磁（cí）鋼製作較困難，目前（qián）這種結構（gòu）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（sī）的4808型振動台（tái）都屬於永磁型。而對於大型振動台則需（xū）要（yào）在勵磁線圈中（zhōng）通以直流電流來產生（shēng）恒定磁場，這就是勵磁型（xíng）振動台。
勵磁型振動台又（yòu）可分為單勵磁和雙勵磁。單勵磁隻有一組勵磁線圈，形成一個磁場回路，這種結構勵磁效率（lǜ）低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁線圈來保證工作台麵（miàn）有（yǒu）一個低（dī）的磁場。雙勵磁由兩套勵磁（cí）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（cí）磁路（lù）縮短，磁阻減小，勵磁效率比（bǐ）單勵磁有顯著提高（gāo）。702所的2104係列振動台、美國LING和（hé）英國LDS的一些大型（xíng）振（zhèn）動台都屬於雙（shuāng）磁場勵磁（cí）。同（tóng）樣是雙勵磁結構，702所的振動台上下兩組磁場是非對稱的，而其他的振動（dòng）台卻是對稱的（de）。
　　振動台的冷（lěng）卻方式（shì）有自然冷卻、強（qiáng）製（zhì）風冷（lěng）、水冷和油冷等（děng）幾種方式。自然冷卻隻適用於功（gōng）率很小的小型（xíng）激振器（qì）。油冷方式由於結構複雜，在新研製的振動台已不（bú）多見，現在還在使用的（de）油冷振動台要注意保持油（yóu）的質量和（hé）數量。強製風冷是用於中小型振動台的常用冷卻方式，它是利用高壓風機將台體內的熱空氣不斷抽出實現冷卻的。這種方式冷卻時（shí），驅動線圈和勵磁線圈的結（jié）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（jī）工作時噪（zào）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（xíng）振動台的冷卻。水冷是大中型振動台常用的（de）冷卻方式，通常水冷台的繞組都是用（yòng）空心漆包導線繞製的，而把（bǎ）冷卻水（shuǐ）直接通入（rù）空心漆包導線內進行冷（lěng）卻，冷卻效率高，而且（qiě）沒有太大的噪音。但振動（dòng）台結構較複雜，對冷卻水的水質要求較高，常（cháng）用（yòng）蒸餾水或去離（lí）子水。在水冷台中，美、英幾家公司的設備（bèi）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理及勵磁線圈水路的不合理，這種結構常出現漏水（shuǐ），而且對水質（zhì）要求*，要經常換水。702所的振（zhèn）動台采（cǎi）用的水路並聯、電路串聯、水電接頭都采用螺紋連接的新結構繞組（zǔ）很好的解決了這（zhè）些問題，它對水質要求不太高，水壓（yā）低，很少出現漏水現象。
　　功率放大器是電動振動（dòng）台係統的重要組成部分，它本身的性能和與振動台的匹（pǐ）配狀況直接關係著係統的性能。功率放大器發展到現在已經曆了（le）三代（dài），從電子管放大器到晶體管線性放大（dà）器再到數字式開關放大器。電（diàn）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（shì）近幾年國外開發出來的，它利用（yòng）了晶體管（guǎn）的（de）開關特（tè）性，管耗很小，效率可高達90%，而普（pǔ）通的線性放大器的效率隻有50%左右。正是由於開關放大器（qì）本身發熱少，它的冷卻就非常簡單，輸出功（gōng）率幾十千伏安的放大器僅用很小的（de）軸流風機（jī）就可以冷卻下來，使設備的結（jié）構簡單可靠。而同樣（yàng）的線性放大器必須要用水（shuǐ）來冷卻，結構複雜。開關式放大器在低功率輸（shū）出時（shí）失真度相（xiàng）對較大，而且機殼需要較好的電磁屏蔽，否則會對周圍（wéi）設備造成電磁幹擾。
　　電動振動台的技術指標有：額（é）定正弦推力、隨機推力有效值、工作頻率範圍、zui大加速度、zui大速度、zui大位移、運動部件有效質量、工（gōng）作台（tái）麵允許直（zhí）接承載質（zhì）量、工作（zuò）台麵允許偏載力矩（jǔ）、雜散磁場、加速度波形失真度、工作台麵加（jiā）速度均勻度（dù）及橫向振動比等。振動台（tái）的推力（lì）是指其運動部分的質量與在該質量下能達到的加（jiā）速度的乘（chéng）積，而（ér）不是指試件的重量（liàng）。額定正（zhèng）弦推力是運動（dòng）部件有效質量與zui大加速度峰值的乘積，隨機（jī）推力有效值是振（zhèn）動台按標準（如ISO5344）規定的功率（lǜ）譜密度曲線實驗時，運動（dòng）部分有效質量與可達到的zui大加速（sù）度有效值的乘積。
　　電（diàn）動振（zhèn）動台仍將是未來振動試驗的（de）主要（yào）設備，其製造技術會在兩個方麵有所發展。一是（shì）新（xīn）材料的應用，隨著大型磁性材料成（chéng）本的降低，大型（xíng）的（de）永磁振動台將（jiāng）成為可能，這種振動台結構簡單，節約（yuē）能源，且有高可（kě）靠性。功率放大器會采用更多的數字化和模塊化（huà）的電路（lù），體積越（yuè）來（lái）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廣，複雜結構的（de）動力特性可以（yǐ）準確、快速的計算出來。因為（wéi）振動台跟汽車等（děng）產品相比用戶是很少的，隻能進行小批量生（shēng）產，這就（jiù）便於對不同的用戶、不同的試件進行（háng）專門設計，實（shí）現運動部（bù）件與夾（jiá）具的一體化設計，使每一個（gè）實驗係統都（dōu）達到*性能。
4.水平滑台
　　　水平滑台是振動台進行水平試驗的輔助設備（bèi），在水（shuǐ）平滑台上便於安裝大型試驗件。水平滑台可分為靜（jìng）承支承式、滾珠軸（zhóu）承支承式和油（yóu）膜支承式，大型滑台則采用了油膜和（hé）靜承共同支承的方式。靜承支承的（de）滑台（tái）可在極低的頻率到很高的頻率之間工作，加速度（dù）波形失真度小，抗傾覆力矩及抗扭（niǔ）轉力矩高，橫（héng）向振動小。但這（zhè）種滑台成本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑（huá）台可用於中頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形（xíng）上要疊加軸（zhóu）承噪（zào）聲。油（yóu）膜滑台結構（gòu）簡單，成本低，在低頻域內波形良好（hǎo），容易實（shí）現大行程。但它抗（kàng）傾覆和扭轉力矩低，橫（héng）向（xiàng）振動較（jiào）大。
　　　　5.振動試驗夾（jiá）具
　　夾具是為（wéi）把試驗件牢固地固定在振動台工作台麵上，並把振動（dòng）台的振動（dòng）傳給試驗件，它（tā）的質（zhì）量直接關係著試驗的（de）質量。但（dàn）目前對試驗夾具的重要性普遍重視（shì）不夠，尤其是在國內，一些試驗人員僅憑感覺來設計夾具，設（shè）計時缺乏必要的計算（suàn）分析，也沒有必要的檢（jiǎn）驗測試。這樣的夾具傳（chuán）遞的振（zhèn）動往往存在著很大的失真，夾具上各點的（de）振動量值相差很大（dà），也就是均勻度很差。在測試頻段內存（cún）在多階共振，振動控製非常困難。有些夾具材（cái）料選用不當，質量過大，消耗能量多。
　　夾具設計的原（yuán）則是在滿（mǎn）足試件（jiàn）安裝的前提下，夾具（jù）盡可能有低的質（zhì）量，高（gāo）的剛度，在試驗頻段內盡可能不出現和少出現（xiàn）共振。夾具的材料多采用鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼的質（zhì）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（jiā）工而成，大的夾具有用（yòng）焊接和鑄造的（de）方法製作。設計時應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率範圍，隨機振動功率譜密（mì）度（dù）曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動等。然後計算夾具的共振頻率及質量，使之滿足試驗（yàn）要求。對於小（xiǎo）試件，夾（jiá）具的共振頻率不允許低（dī）於（yú）1000Hz，同時應達（dá）到試件zui低頻率的3～4倍。夾具加工完成後應進行必要的檢驗，對於重要和常用的夾具，如轉接板、擴展台等，要進行（háng）全麵的性能測試，以保證試驗的正確（què）性。
　　6.綜合環境試驗用振動台係統
　　綜合環（huán）境試驗有三綜合和四綜合（hé），三（sān）綜合是指溫度（dù）、濕度和振（zhèn）動的綜合試驗。702所90年代初在國內研製成功了三綜合試驗係統。用於三綜合試驗的振動台一般具有較大的工作台麵，以便盡可能多的一次（cì）性安裝試件，要做好振動台與環（huán）境試驗箱之間的密封和隔熱，矽橡膠板是常用的密封隔熱材（cái）料。702所正在研製（zhì）四綜合（hé）實驗（yàn）係統，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環境試驗，由於試驗箱內要抽真空，用於四綜合（hé）的振動台必須有（yǒu）自動對中（zhōng）係統，保證振動台不在負壓的作用下偏離中（zhōng）心位置。振動台要通過運（yùn）動部件的（de）延伸段與試驗箱連接，用滾動密封件進行密封，必要（yào）時可加裝擴展台，以安裝較多和較大的試件。三綜（zōng）合（hé）環境試驗係統已比較多見，四綜合試驗係統在將來的環境試驗中會（huì）發揮出更大的作用（yòng）。
　　7.多向（xiàng）振（zhèn）動台
　　許多試驗件（jiàn），尤其（qí）是航空（kōng）航天和（hé）船舶行業的試驗件，所處的振動環（huán）境並不是單自由度，而（ér）是多自由度的，顯（xiǎn）然用目前常用的（de）單方向激振的振動（dòng）台無法實現真（zhēn）實的（de）振動環境。為了更真實的模擬振動環境，在60年代初期，美國就開始了三向振動台的研製，到70年代已成功的研製了工（gōng）作頻率較高、失真度（dù）較小的三向振動係統。80年代，702所（suǒ）也開始了這方麵的研究。多向振動台有電動式和液壓式，電動式可以實現高的工作頻率和低的波形失真（zhēn），而液（yè）壓式適合於低頻工作，容易實現大（dà）激振力。目前三向及多向振（zhèn）動係（xì）統在美、日等國家應用較多，在我國使用還很少。但隨著技術的日益成熟，多向振動台將以其自身的性能優勢和高的工作效率（lǜ）得（dé）以推（tuī）廣。
　　電子、電工（gōng）及材料技術的提高和機械設計方法的改進，為振（zhèn）動試驗係統的發展提供了機遇，以702所為代表的振動試驗設備生（shēng）產廠，隨著技術投（tóu）入的加大，將會為振動試驗（yàn）提供更可靠（kào）、率、低（dī）成本的設備。