振動試驗係統現狀與發展

振動試驗的目的（de）在於確定所設計、製造的機器、構件在運輸和使用過程中承受（shòu）外來振動或者自身產生的振動而（ér）不至破壞，並發揮其性（xìng）能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其（qí）是航空航天產品（pǐn）可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗係統的發展顯得越來越重要。
　　　　
60年代，702所為滿足航天產（chǎn）品振動試驗的需要，開始了振動試驗係統的研製，包括推力10N至100kN的振動台及各種振動測（cè）量儀（yí）表和傳感器。目前，702所的振動試驗設備不僅在航天領域而且在其他（tā）行（háng）業發揮著作用，成為該所的一項重（chóng）要民品。用於振動試驗的振動台係統從其激振（zhèn）方式上可分為三（sān）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（jì）來分，可分為單向(單自由度)和（hé）多向(多自由（yóu）度)振動台係統。從振動台的功能來分，可分為單一的正弦振動試驗台和可完成正弦（xián）、隨機、正弦加隨機等（děng）振動試驗和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（dòng）台，及其輔助設備的結構、性能和成本的現狀及發展等進行簡單的論述。
　　
1.機械式（shì）振動台
　　
　機械式振動台可分為不（bú）平衡重塊（kuài）式（shì）和凸輪式兩（liǎng）類。不平衡重塊式是以（yǐ）不平衡重塊旋轉時產生的離心力來激振（zhèn）振動台台麵，激（jī）振力（lì）與不平衡力（lì）矩和轉（zhuǎn）速的平方成正比。這種振動台（tái）可以產生正弦振（zhèn）動，其結構簡單（dān），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，不能進行隨機（jī）振動。
　
　　凸輪式振動台運動部分的位移取決於凸輪的偏心量（liàng）和曲（qǔ）軸的臂長（zhǎng），激（jī）振力隨運動部分的質量（liàng）而變化。這（zhè）種振動台在低頻域內，激振力大時，可以實現很大（dà）的位移，如100mm。但（dàn）這種振動台工作頻率於低頻，上限頻率為（wéi）20Hz左右。zui大加（jiā）速度為3g左右，加（jiā）速度波形失真很大。
 
機械式振動台由（yóu）於其性能的（de）局限，今後用量會越來越小。
　　
　　2.電液式振動（dòng）台
　
　　電液式振（zhèn）動台的工作方式是用小的電動振動台驅動可控製的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產生振動。這種振動台能產生很大（dà）的激（jī）振力和位移，如激振力可高（gāo）達104kN，位移可達2. 5m，而且在（zài）很低的頻率下可得到很大的激振力。大激振（zhèn）力的液壓台比相同推力的電（diàn）動式（shì）振動台價格便宜。電液台的局限（xiàn）性在於其高頻性能較（jiào）差，上限工（gōng）作頻率低，波形失真（zhēn）較大。雖然可以做隨機振動，但隨機振動激振力的rms額定值（zhí）隻能為正弦（xián）額定值的1/3以下。這種振動台因其大推力、大位移可以彌（mí）補電動振動台的不足，在未來的振（zhèn）動試驗中仍（réng）將發揮作用，尤其是在船（chuán）舶和汽車行業會有一定（dìng）市場。
　　
　　3.電動式振動（dòng）台
　　
　　電動式振動台是目前使用zui廣泛的一種振動設備。它的頻率範圍寬，小型振動台頻（pín）率（lǜ）範圍為0～10kHz，大型振（zhèn）動台頻率範圍為0～2kHz；動態範（fàn）圍寬，易於實現自動或手動（dòng）控製；加速度波形良好，適合產生（shēng）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（yuán）理設計的，當通電導體處在恒定磁場中將受到力的作用，當導體中通以交變電流時將產生振動。振動（dòng）台的驅動線圈正式處在（zài）一個高磁感應強度的空隙（xì）中（zhōng），當需要的（de）振動信號從信（xìn）號發生器或振動控製儀產生並經（jīng）功率放大器（qì）放大後通到驅動線圈上，這時振動台就會產生需要的振（zhèn）動波形。
　　
　　電動振動台基本上由驅動線圈及運動部件、運動部（bù）件懸掛及導向裝置、勵磁及消（xiāo）磁單元、台體及支承裝置（zhì）五部分組成。驅動線（xiàn）圈和運動部件是振動台的核心部件，它（tā）的一階共振（zhèn）頻率決（jué）定著振動台的（de）使用（yòng）頻率範圍，由於運動部件結構複雜（zá），一階共振頻（pín）率計算非常困難，要（yào）靠經驗估算，這常常造成（chéng）設計失誤。702所在80年代末將有限元方法（fǎ）用於電動振動台運動部件共振頻率的計（jì）算，不僅提高了計算（suàn）結果的準確度，而且便於對結構進行優化設計，大大（dà）增加了振動台的設計可靠性。
　　
　　振動台驅動線圈（quān）電流的產生方式有直接式和感應式。直接式就是將放大器輸出的電流直接加（jiā）到（dào）驅動線（xiàn）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定線圈，然後通過感應方式在驅動線圈產生電流（liú）。感應式振動台的驅動（dòng）線圈（quān）不需要引出電纜，結構簡單，但這種振動台（tái）效率相對（duì）較低（dī）。美國的UD公司（sī）的一些振動台采（cǎi）用了這種結構。702所和其他公司的產品采用（yòng）的（de）是直接式（shì），由於很好（hǎo）地解決了驅動線圈引（yǐn）出電纜問題，其產（chǎn）品更實用。
　　
　　振動台的磁場產生方（fāng）式可分為永磁（cí）型和（hé）勵磁型。永磁型的（de）恒定磁場是由*磁（cí）鋼產生的，由（yóu）於大（dà）體（tǐ）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（zhèn）動（dòng）台和B&K公司的4808型（xíng）振動（dòng）台都屬於永磁型。而對於大型振動台則需要在勵磁（cí）線圈中通以直流電流來產生恒定磁場，這（zhè）就是勵磁型（xíng）振動（dòng）台。
　　
　　勵磁型振動台又可分為單勵磁和雙勵磁。單勵磁隻有一組勵磁線（xiàn）圈，形（xíng）成一個磁場回路，這種結構勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要（yào）用消磁線圈來保證工作台麵有一個低的磁場。雙勵磁由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（tóng）時由於（yú）雙勵磁磁路縮短（duǎn），磁阻減小，勵磁效率（lǜ）比單勵磁有顯著提高。702所的2104係列振動台、美國LING和英國LDS的一些大型（xíng）振動台都屬（shǔ）於雙磁場（chǎng）勵（lì）磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動（dòng）台上下兩（liǎng）組磁場是非對稱的，而其他的振動台卻是（shì）對稱的。
　　
　　振動台的冷卻方式有自然冷卻、強製風冷、水冷（lěng）和油冷等幾種方式。自然冷卻隻適用於功率很小（xiǎo）的（de）小型（xíng）激振器。油冷（lěng）方（fāng）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（yóu）冷振動台要注意保持油的質量和數量。強製（zhì）風冷是用於中小型振動台的常用冷卻方式（shì），它是利用高（gāo）壓風（fēng）機將台體內的（de）熱空氣不斷抽出實現冷卻的。這（zhè）種方（fāng）式冷卻（què）時，驅動線圈和（hé）勵磁線圈的結構比較簡單，設備安裝方（fāng）便，成本低，不會出現水冷台常見的漏水、水路堵（dǔ）塞等故障。但（dàn）高壓風機工作時噪音非常大，對操作人員影響很大（dà）。風冷的冷卻效率（lǜ）相對較低，不適（shì）合大型振動台的冷卻。水冷是大中型（xíng）振（zhèn）動台（tái）常用的冷卻（què）方式，通常水冷台的繞組都是用空心漆包導線（xiàn）繞製的，而把冷卻水直接通（tōng）入空心（xīn）漆（qī）包導線內（nèi）進行冷卻，冷卻（què）效率高，而且沒（méi）有太大的噪音。但振動台結構較複雜，對冷卻水的水質要求較高，常用（yòng）蒸餾（liú）水（shuǐ）或去離子水。在水冷台中（zhōng），美、英幾家公司的設（shè）備存在著嚴重的缺陷，即驅動線圈引出電纜（lǎn）和（hé）水管的結構不合理及勵磁線圈水路的不合理，這種結構常（cháng）出現漏水，而且對水質要求*，要經常換水。702所的振動台采用的水（shuǐ）路並聯、電路串聯、水電接頭都采（cǎi）用螺紋連接的新結構繞組很好的解決了這些問題，它對水質要求不太高，水壓低，很少出現漏水現象。
　　
　　功（gōng）率（lǜ）放大器是電動（dòng）振動台（tái）係統的重要組成（chéng）部分，它本身的性能和與振動（dòng）台（tái）的匹配狀況直接關係著（zhe）係統（tǒng）的（de）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（xìng）放大器再到數字式開關放大器。電子（zǐ）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國外開發出來的，它利用了晶體管的開關特性，管耗（hào）很小，效率可高（gāo）達90%，而普通的線性放大器的效率隻有50%左右。正是由於開關放大器本身發熱少，它的冷卻就（jiù）非常簡單，輸出功率幾十千伏安的放大器僅用很（hěn）小的軸流風機就可以冷卻下來，使（shǐ）設備的結構簡單可靠（kào）。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻，結（jié）構複雜。開關式放大器在低功（gōng）率輸出時失真度相對較大，而且機殼（ké）需要較好的電磁屏蔽，否則會對周圍設備造成（chéng）電（diàn）磁幹擾。
　　
　　電動振動台的技術指標有：額定（dìng）正（zhèng）弦推力、隨機推力有效值、工作頻率範圍、zui大加速度、zui大速（sù）度、zui大位移、運動部件有效質量、工作台麵（miàn）允許直接承載質量、工作台麵允許偏載（zǎi）力矩、雜散磁場（chǎng）、加速度波形（xíng）失真度（dù）、工作（zuò）台麵加速度均勻度（dù）及橫向振動比等。振動台（tái）的推力是指其運動部分（fèn）的質量與在該（gāi）質量下能達到的（de）加速度的乘積，而不是指試件的（de）重（chóng）量。額定正弦推力是運動（dòng）部（bù）件（jiàn）有效（xiào）質量與zui大加速度（dù）峰值的（de）乘積（jī），隨（suí）機推力（lì）有效值是振動台按標準(如ISO5344)規定的功率譜密度曲線實驗時，運動部分（fèn）有效質量與可達到的zui大加速度有效值的（de）乘積。
　　
　　電動振動台仍將是未來振動試驗的主要設備，其製造技術會在兩個方麵有所發展（zhǎn）。一是新材料的應用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的（de）永（yǒng）磁（cí）振動台將成為可能（néng），這種振動台結構簡單，節約能源，且有高可靠性。功（gōng）率放大器會采（cǎi）用更多的數字化和模塊化的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的（de）應用，隨著有限元方（fāng）法的推廣，複雜結構的動力（lì）特性可以準確、快速的（de）計算出來。因為（wéi）振動台跟汽車等產品相比用戶是很少的，隻能進行小批量生（shēng）產，這就便於對不同的用戶、不同（tóng）的試件進行（háng）專門設計，實（shí）現運動部件與夾具的一體化（huà）設（shè）計，使每一個實驗係統都達到*性能。

4.水平滑（huá）台
　　　水平滑台是振動台進行水平試驗（yàn）的輔助設備，在水平滑台上便（biàn）於安裝大（dà）型試驗（yàn）件。水平滑台可分為靜承支承式、滾珠軸承支承式和油膜（mó）支承式，大型滑台則（zé）采用了油膜和靜承共同支承的方式。靜承支承的滑台可在極低的頻（pín）率到很高的頻率之（zhī）間工作（zuò），加速度（dù）波形失真度（dù）小，抗傾（qīng）覆力矩及抗扭轉力矩（jǔ）高，橫向振動小。但這種滑台成本很高，價格昂（áng）貴。滾珠軸承滑（huá）台可用於中頻到高頻，在低頻工作時（shí），加速度（dù）波形（xíng）上要疊加軸承噪聲（shēng）。油膜滑（huá）台結構簡單，成本低，在低頻域內波形良好，容易（yì）實現大行程（chéng）。但它（tā）抗傾（qīng）覆和扭轉力矩低，橫向振動較大。
　　　　5.振動試（shì）驗夾具
　　夾具是為（wéi）把試驗件牢固地（dì）固定在振動台工作台麵上，並把振動台的振（zhèn）動傳（chuán）給試驗件，它的質量直（zhí）接關係著試驗的質量。但目前對試驗夾具的重要性普遍重視（shì）不（bú）夠，尤其是（shì）在國內，一些試驗人員僅憑感覺來（lái）設計夾具，設計時缺乏必要的計算分析，也沒有必要的檢驗測試。這樣的夾具傳遞的振動往往（wǎng）存在著很大的失真，夾具上各點的振動（dòng）量值相差很大，也就是均勻度很差。在測試（shì）頻段內存（cún）在多階共振，振動控（kòng）製非常（cháng）困難。有些夾具材料選用不當（dāng），質量過大，消耗能量多。
　　
　　夾具設計的原則是在滿足試件安（ān）裝的前提下，夾具（jù）盡可能有低的質量（liàng），高的剛度，在試驗頻（pín）段內盡可能不出現和少出現共振。夾具的材（cái）料多采用鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼的質量小，阻尼（ní）特性比（bǐ）鋼（gāng）好，加工成本低。小型夾具通常用整塊材料加工（gōng）而成，大的夾具（jù）有用焊接和鑄（zhù）造的方法製作。設計時應首先明確試驗條件，如正弦和（hé）隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率範圍（wéi），隨機振動功率譜密（mì）度曲線，安（ān）裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動等。然後（hòu）計算夾具的共振頻率及質量，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（shí）應達到試件zui低頻率的3～4倍。夾具加工完成後應進（jìn）行（háng）必要的檢驗，對於重要和常用的夾具，如轉接板、擴展台等，要進行全（quán）麵的性能測試，以（yǐ）保證（zhèng）試驗（yàn）的（de）正確性。
　　
　　6.綜合環（huán）境試驗用振動（dòng）台係（xì）統
　　
　　綜合環境試驗有三綜合（hé）和四綜合，三綜合是指溫度、濕度和振（zhèn）動的綜合試驗。702所90年代初在國（guó）內研製成功了（le）三綜合（hé）試驗係統。用於三綜合（hé）試驗的振動台一般具有較大的工作台麵（miàn），以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動台與環境試驗箱之間的密封和隔熱，矽橡膠板是常用的密（mì）封隔熱材料。702所正（zhèng）在研製四綜合（hé）實驗係統，四綜合是指溫度、濕度、真（zhēn）空和振（zhèn）動的（de）綜合環境試驗，由於試驗（yàn）箱內（nèi）要抽真空，用於四綜合的振動台必須有自動對中係（xì）統，保證振動台不在負壓的作用下偏離中心位置（zhì）。振動台要通過運動部件的延伸段與試驗（yàn）箱連接，用滾動密封（fēng）件進（jìn）行密封，必要時可加裝擴展台，以（yǐ）安裝較多和較大（dà）的試件。三綜合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（zhōng）會發揮出更大（dà）的作用。
　　
　　7.多向（xiàng）振動台
　　
　　許多試驗件，尤其是航空航天和船舶行業的（de）試驗（yàn）件，所處的（de）振（zhèn）動環境並不是單自由度（dù），而是多自由（yóu）度的，顯然用目前常用的單方向激振（zhèn）的振動台無法實現真（zhēn）實的振動環境。為了更真（zhēn）實（shí）的模擬振動環境，在（zài）60年代（dài）初期，美國就（jiù）開始了三（sān）向振（zhèn）動台的研製，到70年代已成功的研製了（le）工作頻率較高、失真度較小的三向振動係統。80年代，702所也開始了這方麵的研究。多向振動台有電動式和液壓式（shì），電（diàn）動式可以實現高的工作頻率和低的波形失真，而液（yè）壓式適合於低頻（pín）工（gōng）作，容（róng）易實現大激振（zhèn）力。目前三（sān）向及多向振動係統在美、日等國家（jiā）應用（yòng）較多，在我國使（shǐ）用還很少。但隨著技術的日益成熟，多向振動台將以其自身的性能優勢和高的工作效率得以（yǐ）推廣。
　　
　　電子、電工及材料技術的提高和（hé）機械（xiè）設計方法的改進，為振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產廠，隨著技術（shù）投入的加大（dà），將會為振動試驗提供（gòng）更可靠、率、低成本的（de）設備。