振動試驗係統（tǒng）現狀與發（fā）展

　　

1.機械（xiè）式振動臺

　　

　機械式振動臺可分為不平衡重（chóng）塊式和凸輪式兩類。不（bú）平衡重塊式是以不平衡重塊旋（xuán）轉（zhuǎn）時產生的（de）離心力來激振振（zhèn）動（dòng）臺臺麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。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大加速度約10g，不能進（jìn）行隨機振動。

　

　　凸（tū）輪式振動臺運動部（bù）分的位移取（qǔ）決於凸輪的偏（piān）心量和曲軸的臂長，激振力隨運動部分的品質而變化。這種振動臺在（zài）低頻域內，激振力大時，可以（yǐ）實現很大的（de）位移，如100mm。但這種（zhǒng）振動臺工作頻率僅限於低頻，上限頻率為20Hz左右。zui大加速（sù）度為3g左右（yòu），加速度波形失真很大。

 

機械（xiè）式振動臺由於（yú）其性能的局（jú）限，今後用（yòng）量會越來越小。

　　

　　2.電液式振動臺（tái）

　

　　電液式振動臺的工作方式是用小的電動振動臺驅動（dòng）可控製的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產生振動。這（zhè）種振動臺能產生很大的激振力和位移，如激振（zhèn）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激振力。大激振力的（de）液壓台比（bǐ）相同推力的電動式振動臺價格便（biàn）宜。電液台的（de）局限性在於其高頻性能較差，上限工作頻率低，波形失（shī）真較大。雖然可以（yǐ）做隨（suí）機振動，但隨機振（zhèn）動激振力的rms額定值隻（zhī）能為正弦額定值（zhí）的1/3以下。這（zhè）種振動臺因其（qí）大推力、大位移可以彌（mí）補電動振動臺的不足，在（zài）未來的振動試驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和（hé）汽車行（háng）業會有一定市場。

　　

　　3.電動式振動臺

　　

　　電動式振動臺是目前（qián）使用zui廣泛的（de）一種振動設備。它的頻率範圍寬，小（xiǎo）型振動臺頻率範圍為0～10kHz，大（dà）型振動臺頻率範圍為（wéi）0～2kHz；動態範圍（wéi）寬（kuān），易於實現自動或（huò）手動控（kòng）製；加速度波形良好，適合（hé）產生隨機波；可得到很大的加速度。電動式振（zhèn）動臺是根據電磁感應原理設計的，當通電導體處在恒定磁場中將受（shòu）到力的（de）作用，當導（dǎo）體中通以交變電流時（shí）將（jiāng）產生振動。振動（dòng）臺的（de）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信號發生器或振動控製儀產生並經功率（lǜ）放大器放大後通到驅動線圈上，這時振動（dòng）臺就會產生需要的振動波形。

　　

　　電（diàn）動振動臺基本上由驅動（dòng）線圈及運動部件、運動部件懸掛及導向裝置、勵磁及消磁單元、台體及支承裝置五部分組成。驅動（dòng）線圈和運（yùn）動部件是振（zhèn）動臺的核心部件，它的一階共振（zhèn）頻率決定著振動臺（tái）的使用頻率範圍，由於運動部件結構複雜，一階共（gòng）振頻（pín）率計（jì）算非常困（kùn）難，要靠經驗估算，這（zhè）常常造（zào）成設計失誤。702所在80年代末將有限元方法用於電（diàn）動振動臺運（yùn）動部件共振頻率的計算，不僅提高了計算結果的（de）準確（què）度（dù），而且便於對（duì）結構進行優（yōu）化設計，大大增加了振動臺的設（shè）計可靠性。

　　

　　振動臺驅動線圈（quān）電（diàn）流的產生方式有直接式和（hé）感應式。直接式就是將放大（dà）器輸出的電流直接加到（dào）驅動線圈上，這種方式是振動臺（tái）的主流。感應式是將交變電流通入一固定線圈，然後通過感應方式在（zài）驅動線圈（quān）產（chǎn）生電流。感應式（shì）振動臺的（de）驅動線圈不需要引出電纜，結構簡單，但這（zhè）種振動臺效率（lǜ）相對較低。美國的UD公司的一些振動臺採（cǎi）用了（le）這種結構。702所和（hé）其他公（gōng）司的產品採用的是直接式，由於很好地解決了驅動（dòng）線圈引出電纜問題，其產品更實用。

　　

　　振動（dòng）臺的磁（cí）場產生方式可分為永磁型和勵（lì）磁型。永磁型的恒定磁場是由*磁鋼產生的（de），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臺。如702所生產的2202型振動臺和B&K公司的4808型振動（dòng）臺都屬於永（yǒng）磁型。而對於大型振動臺則需（xū）要在勵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。單勵磁隻有一組勵磁線圈，形成（chéng）一個磁場回路，這種（zhǒng）結構勵磁效率（lǜ）低、耗電量大、漏磁很大，需（xū）要用消磁線（xiàn）圈來保證工作（zuò）臺麵有一個低的磁場。雙勵（lì）磁由兩套勵磁繞組產生磁場，分（fèn）別置（zhì）於工作磁隙的上下（xià）兩側，在工作磁隙的磁場互相（xiàng）疊加，而在工作臺麵上的磁場互相抵消，所以工作臺麵上的磁場就很小。同時由於雙勵磁磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率（lǜ）比單勵磁有顯著提高。702所的2104係列振動臺、美（měi）國LING和英國LDS的（de）一些大型振動臺都屬於雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動臺（tái）上下兩組磁場是非對稱的，而（ér）其他的振動臺卻是對稱的。

　　

　　振動臺的冷卻方式有自然冷卻、強製（zhì）風冷、水（shuǐ）冷和油冷等幾種方式。自然冷卻隻適用於（yú）功率很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新研製的振動臺已（yǐ）不多見，現（xiàn）在還在使用的油冷（lěng）振（zhèn）動臺要注意保持油的品質和數（shù）量（liàng）。強製風冷是（shì）用於（yú）中小型振動臺的常用冷卻方式，它是利（lì）用高壓風機將台體（tǐ）內的熱空（kōng）氣不斷抽出實（shí）現冷卻（què）的。這種方式冷卻時，驅動線圈和勵磁線圈（quān）的結構比較（jiào）簡單，設備安裝方便，成本低，不會出現水冷台（tái）常見的漏（lòu）水、水路堵塞等故障。但高壓風機工作時噪音非常大，對操作人員影響很大。風冷的冷卻（què）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）繞組都是用空心漆包導線（xiàn）繞製的，而把（bǎ）冷卻水直接（jiē）通入空心（xīn）漆包導（dǎo）線內進行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的噪音。但振動臺（tái）結構較複雜，對冷卻水的水質要求較高，常用蒸餾水或去離子水（shuǐ）。在水冷台中，美、英幾家公司的設備存在著嚴重的缺陷（xiàn），即驅動線圈引出電纜和水管的結構不合理及勵磁線（xiàn）圈水路的不合理，這種結構常出現漏水（shuǐ），而且對水（shuǐ）質要求極高，要經（jīng）常換水。702所的振動臺採用的水路並聯、電路串聯、水電接（jiē）頭都採用螺（luó）紋連接（jiē）的新結構繞組很好的解決了這（zhè）些問題，它對水質要（yào）求不太高，水壓低，很少出現漏水現象。

　　

　　功率放大器是電動振動（dòng）臺係統的重要組（zǔ）成部分，它本身（shēn）的性能（néng）和與振動臺的匹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歷（lì）了（le）三代，從電子（zǐ）管（guǎn）放大器到晶體管線性放大器再到數位（wèi）式開關放大器。電子管放（fàng）大器在新生產的設備中已基本不用，開關式放大器是近幾（jǐ）年（nián）國外開發出來的，它利（lì）用了電晶體的開關特（tè）性，管耗很小，效率可高（gāo）達90%，而普通的線（xiàn）性放大（dà）器的（de）效率隻有50%左右。正是（shì）由（yóu）於開關放大器本身發熱少，它的冷卻就非常簡單，輸出功率（lǜ）幾十千伏（fú）安的放大器（qì）僅用（yòng）很小（xiǎo）的軸流風機就可以冷卻下來（lái），使設備的結（jié）構簡單可（kě）靠。而同樣的線性放大（dà）器必須要用水來冷（lěng）卻，結構複雜。開（kāi）關式放（fàng）大器在低功率輸出時失真度相對較大，而且（qiě）機殼需要較好的電磁遮罩，否（fǒu）則會對周圍設備造成電磁（cí）幹擾。

　　

　　電動振動臺（tái）的技術（shù）指標有：額定正弦推力、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（wèi）移、運動部件有效品質、工作臺麵允（yǔn）許直接承載品質、工作（zuò）臺麵允許偏載力矩（jǔ）、雜散（sàn）磁場、加速度波形失真度、工作臺麵加速度均勻度及橫向（xiàng）振動比等。振動臺的推力是指其運動部分的品質與在該（gāi）品質下能達到的加（jiā）速度的乘積，而不是指試件的重量。額定正（zhèng）弦（xián）推力（lì）是運動部件有效品質與（yǔ）zui大加速度峰值的乘積（jī），隨機推力有效值是（shì）振（zhèn）動（dòng）臺按標準(如ISO5344)規定的功率譜密度曲線實驗時，運動部分有效品質與可達到的zui大加速度有效值的乘積。

　　

　　電動振動臺仍將（jiāng）是未來振動試驗的主要設備，其製造（zào）技術會（huì）在兩個方麵有（yǒu）所發展。一是（shì）新（xīn）材料的應用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動臺將成為可能，這種振動（dòng）臺結構簡（jiǎn）單（dān），節約能源，且有高可靠性。功率放大器會採用更多的數位化和模組化的電路，體（tǐ）積越來越小，效率越來越高。二是新方（fāng）法的應用，隨著（zhe）有限元方法的推廣，複雜結構的動力特性可以準確、快速的計算出來。因（yīn）為振動臺跟汽車等產品相比用戶是很少的，隻能進行小批量生產，這就便於對（duì）不同（tóng）的用戶、不同的試件進行專門設計，實現運動（dòng）部件與夾具的（de）一體化設計，使每一個實驗（yàn）係統都達到*性能。

 

4.水平（píng）滑台（tái）

　　　水平滑台是振動臺（tái）進行水準試（shì）驗的輔助設備（bèi），在水平滑臺上（shàng）便（biàn）於安裝大型試驗件。水平滑台可分（fèn）為靜壓軸承（chéng）支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式，大型滑（huá）台則採用了油膜和靜壓軸承共同支承的方式。靜壓軸承支承的滑台可在極低的頻率到很高的頻率之間工作，加（jiā）速度波形失真度小（xiǎo），抗傾覆力矩及抗扭轉力矩（jǔ）高，橫（héng）向振動小。但這種滑台成本很高，價格昂貴。滾珠（zhū）軸（zhóu）承（chéng）滑（huá）台可用於中頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形上要疊（dié）加軸承雜訊。油膜滑台結構簡單，成本低，在低頻域內波形良好，容易實現大行（háng）程。但它抗傾覆和扭轉力矩低，橫向振（zhèn）動較大。

　　　　5.振動試驗夾（gā）具（jù）

　　夾具是為把試驗件牢固地固（gù）定在振動臺工作臺麵上，並把振動臺（tái）的振動傳（chuán）給試驗件，它的（de）品質直接關係著試驗的品質。但目前對試驗夾具（jù）的重要性普遍重視不夠，尤其（qí）是在國內，一些試驗人員僅憑感（gǎn）覺（jiào）來設計（jì）夾具，設計（jì）時缺乏必要的計算分析，也沒有必要的檢驗測（cè）試。這樣的夾具傳（chuán）遞的振動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。在測試頻段記憶體在多階共振，振動控製非常（cháng）困難。有（yǒu）些夾具材料選用不當，品質過大，消耗能量（liàng）多。

　　

　　夾具設計的原則是（shì）在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能（néng）有低的品質，高的剛度，在試驗頻段內盡可能不出現和少出現共振。夾具的材料多（duō）採用鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼的品質小，阻尼特性比鋼（gāng）好，加（jiā）工成本低。小型夾具通常（cháng）用整塊（kuài）材料加工而成，大（dà）的夾（gā）具有用（yòng）焊接和鑄造的方法製作。設計時（shí）應首先明確試驗條件（jiàn），如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率範（fàn）圍，隨機振動功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度（dù）不均勻度及橫向振動等。然後計算夾具的共振頻率（lǜ）及品質（zhì），使之滿足試驗要求。對於小試件，夾具的共振頻率不允許低於1000Hz，同時應達到試（shì）件zui低頻率的3～4倍。夾具加工完成（chéng）後應進（jìn）行必要的檢驗，對於重要和常用的夾（gā）具，如轉接板、擴展台等，要（yào）進行全麵的性能測（cè）試，以保證試（shì）驗的正確性。

　　

　　6.綜合環境試驗用振動（dòng）臺係統

　　

　　綜合環境試驗有三（sān）綜合和四綜合（hé），三綜合是（shì）指溫度、濕（shī）度和振動的綜（zōng）合（hé）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（shì）驗的振動臺一般具有較大的工作臺（tái）麵，以便盡可能多的一次性安（ān）裝試件，要做好振動臺與（yǔ）環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料。702所（suǒ）正在（zài）研製四綜合實驗係統，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動的（de）綜合（hé）環境試（shì）驗，由於（yú）試驗（yàn）箱內要抽真空，用於四綜合的振動臺（tái）必須有自動對中（zhōng）係（xì）統，保證（zhèng）振動（dòng）臺不在負壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運動（dòng）部件的延（yán）伸（shēn）段與試驗箱連接，用滾動密封件進行密封（fēng），必（bì）要（yào）時可加裝（zhuāng）擴展台，以安裝較多和較大的試件。三綜合環境試（shì）驗係統已比較多見，四綜合（hé）試驗係統（tǒng）在將來的環（huán）境試驗中會發揮出更大的作用。

　　

　　7.多向振（zhèn）動臺

　　

　　許多試（shì）驗件，尤（yóu）其（qí）是航空航太和船舶行業的試驗件，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（xiàng）激振的振動臺（tái）無法實現真實的振動環境。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臺的研製，到70年代已成功的研製（zhì）了工作頻率（lǜ）較高、失真度較小的三向振動係（xì）統。80年代，702所也開（kāi）始了這方麵的研究。多向振動（dòng）臺有電動式和液壓式，電動（dòng）式可以實現高的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。目前三向及多向振動係統在美、日等國家應用較多，在我國使用還很少（shǎo）。但隨著技術的日益成熟，多向振動（dòng）臺將（jiāng）以其自身的性能優勢和高的工作效率得以推廣。

　　

　　電子、電工及材料（liào）技術的提高和機械設計方法的改進，為振動試驗係（xì）統的發展提供了機遇，以702所為代表的振動試驗設備生產廠，隨著技（jì）術投入的加（jiā）大，將會為振（zhèn）動試驗提供更可靠、率、低成本的設備。