振動（dòng）試驗機的現狀與發展

振動試驗（yàn）機的現狀與發展

振動（dòng）試驗（yàn）的（de）目的在（zài）於確定所設（shè）計、製造的機器、構件在運輸和使（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（zhe）對產（chǎn）品，尤其（qí）是航空航天產品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗係（xì）統的（de）發展顯得越來越重要。
60年代，702所為滿（mǎn）足航天產品振動（dòng）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（tái）及各種振動測量儀表和傳感器。目前，702所的振動試驗設備不僅在航天領域而且在其他行業發揮著作用，成為該所的一項重要民品。用於振動試驗的振動台係統從其激振（zhèn）方式上（shàng）可分為三類（lèi）：機械式振（zhèn）動台（tái）、電液式振動台和電動式振動台。從（cóng）振動台的激（jī）振方向，即工作台麵的運動軌跡來分，可分為單向（單自由度）和多（duō）向（多自由度）振動台係統。從振動（dòng）台的功能（néng）來分（fèn），可分為單一（yī）的（de）正弦（xián）振動（dòng）試驗台和可完成正弦、隨機、正弦（xián）加隨機等振動試驗和衝擊試驗的振動台係統。以下筆（bǐ）者對各種振動台，主要對（duì）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（jiǎn）單的（de）論述。
     1.機械（xiè）式振（zhèn）動台
機（jī）械式振（zhèn）動台可分為不平衡重塊式和凸輪式兩類。不平衡（héng）重塊式是以不平衡（héng）重塊旋轉時產（chǎn）生的離心力來激振振動台台（tái）麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。這種振動台可以產生（shēng）正弦振動，其（qí）結構簡單，成本（běn）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（yuē）10g，不能（néng）進行隨機振動。
　　凸輪式振（zhèn）動台運動部分的位移（yí）取決於凸輪的偏（piān）心量和曲軸的臂長，激振力隨運動部分的質量而變化。這種振動台（tái）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（lǜ）於低頻（pín），上限頻率為20Hz左（zuǒ）右。zui大加速度為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（hòu）用量會越來越小。
　　2.電液（yè）式振動台
電液式振動（dòng）台的工作方（fāng）式是用小的電動振動台驅動可控製（zhì）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的（de）激振力（lì）和位移，如（rú）激振力可高達104kN，位移可（kě）達2. 5m，而且在很（hěn）低（dī）的頻率下可得到很大的激振力。大激振力的液壓台比相同推力（lì）的電動式振動台（tái）價格便宜。電液台的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。雖然可以做隨機振動，但隨機振動激振力的rms額定值隻能為正弦（xián）額定值的1/3以下。這種（zhǒng）振動台因其大推力、大位移可（kě）以彌補電動振動台的（de）不足，在未來的振動試驗中仍將發（fā）揮作用，尤其是在船舶和汽車行業會有一定市場。
　　3.電動式振（zhèn）動台
　　電（diàn）動式振動台（tái）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（zhèn）動台頻率範圍（wéi）為0～10kHz，大（dà）型振動台頻率範圍為0～2kHz；動態範圍寬，易於實現自動或手動控製；加速度波形良好，適（shì）合產（chǎn）生隨（suí）機波；可得到很大的加速度。電動式振動台（tái）是根據（jù）電磁感應原理設計的，當通電導體處在恒定磁場中將受到力的作用，當導體中通（tōng）以交變電流時將產生振動。振動台的驅動線圈正式處在一個高磁感應強度的空（kōng）隙中，當需要的振動（dòng）信號從信號發（fā）生（shēng）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，這時振動台就會產生需要（yào）的振動波形。
　　電（diàn）動振動台基本（běn）上由驅動線圈（quān）及運動（dòng）部件（jiàn）、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）線圈和運動部件是振動台的核心部件，它的一階（jiē）共振頻率決定著振動台的使用頻率範圍，由於運動部件結構複雜（zá），一階共振頻率計算非常困難，要靠經驗估算，這常常造（zào）成設（shè）計失誤（wù）。702所在80年代末將有限元方法用於電動振動台運動部件共振頻率的計算，不僅提（tí）高了計算結果的準（zhǔn）確（què）度，而且便於對結構（gòu）進行優化（huà）設計，大大增加了振動台的設計可靠性。
振動台驅動線圈電流（liú）的（de）產生方式有（yǒu）直接式和感應式。直接式就是將放（fàng）大器輸出（chū）的電流直接加到驅動線圈上，這種方式是（shì）振（zhèn）動台的主流。感應式是將交變電流通入一固定線圈，然後通（tōng）過感應方式在驅動線圈產生電流。感應式振動台的驅動線圈不需要引出電纜，結構簡（jiǎn）單，但這種（zhǒng）振動台效率相對較低。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（chǎn）品采用的是直接式，由於很（hěn）好地（dì）解決了驅動（dòng）線圈引出電纜問題，其產品更實用（yòng）。
　　振動台的磁場產（chǎn）生（shēng）方式可分為（wéi）永磁型和（hé）勵磁型。永（yǒng）磁（cí）型（xíng）的恒定磁場是由*磁鋼產生的，由於（yú）大體積的（de）磁鋼（gāng）製作較困難，目前這種結構隻適用於小型（xíng）振動台。如702所生產的2202型振動台和B&K公司的4808型振動台都屬於永磁型。而對於大型振動台（tái）則需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（dòng）台。
勵磁型振動台又可分為單勵磁和雙勵磁。單（dān）勵磁隻有一組勵磁線圈，形成（chéng）一個磁場回路，這種結構勵磁效率低、耗（hào）電量大、漏磁很大，需要用消磁線圈來保證（zhèng）工作台麵有一個低的磁場。雙勵磁由兩套勵（lì）磁繞組（zǔ）產生磁場（chǎng），分別置於工作磁隙的上下兩（liǎng）側，在工作（zuò）磁隙的磁場互相疊加，而在工作台麵上的磁場互（hù）相抵消，所以工作台麵上的磁場就很小。同時由於雙勵（lì）磁（cí）磁路縮（suō）短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁有顯著提高。702所的2104係列振動台、美國LING和（hé）英國LDS的一些大型振動台（tái）都屬於雙（shuāng）磁場勵（lì）磁。同樣是雙勵磁結構（gòu），702所的振動台上（shàng）下兩組磁場（chǎng）是（shì）非對稱的，而其他的振動台卻（què）是對稱的。
　　振（zhèn）動台（tái）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（fāng）式。自（zì）然冷卻隻適用（yòng）於功率很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新（xīn）研製（zhì）的振動（dòng）台已不多見，現在還在使用的油冷振動台要注意保持油的質量和（hé）數量（liàng）。強製（zhì）風冷是用於中小型振動（dòng）台的常用冷卻方式，它是利（lì）用高壓風機將（jiāng）台體內的熱空氣不斷抽（chōu）出實現冷卻的。這種方式冷卻時，驅動線圈和勵磁線圈的結構比較簡單，設備（bèi）安裝方便（biàn），成本低，不會出現水冷台常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風機工作時噪音非常大，對操（cāo）作人員影（yǐng）響（xiǎng）很大（dà）。風冷的冷卻效率相對較低，不適合大型振（zhèn）動台的冷卻。水冷是大中型振動台常用的冷卻方式，通常水冷台的繞（rào）組（zǔ）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（xiàn）內進行冷卻，冷卻（què）效率高，而且（qiě）沒有太大的噪音。但振動台結構較複雜，對冷卻水的水質要（yào）求較高，常用蒸餾水或去離子水。在水冷台（tái）中，美、英（yīng）幾家公司的設備存在著嚴重的（de）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（gòu）常（cháng）出現漏水，而且對水質要求*，要經（jīng）常換水。702所的振動台采用的水路並聯、電路串聯（lián）、水電接頭都采（cǎi）用（yòng）螺紋連接的新結構繞組很好的解決了（le）這些問題，它對水（shuǐ）質要求不太高，水壓（yā）低，很少出現漏水現象。
　　功率放大（dà）器（qì）是電動振動台係統的重要組成部分，它本身的性能和與振動台（tái）的匹配狀況直接關係著係統的性能。功率放（fàng）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（qì）再到數字式（shì）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，開關式放大器是近幾年（nián）國（guó）外開發出（chū）來的，它利用了晶體管的開關特性，管耗很小，效率可高達90%，而普通的線性放大（dà）器的效率隻有50%左右。正（zhèng）是由於開關放大器本身發熱少，它的冷卻（què）就非常簡單，輸出功（gōng）率幾十（shí）千伏安的放大器僅用很小的軸（zhóu）流風機（jī）就可以（yǐ）冷卻下來，使設備的結構（gòu）簡單可靠。而同樣的線（xiàn）性放大器必須要用水來（lái）冷卻，結構複雜。開（kāi）關式放大器在低功率輸出時失真度相對較大，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（rǎo）。
　　電動振動台的技術指標有：額定正（zhèng）弦推力、隨（suí）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、工作台麵允許直接承載質量（liàng）、工作台麵（miàn）允許偏載力矩、雜散磁場、加速度波形失（shī）真度（dù）、工作台麵加速度均（jun1）勻度及橫向（xiàng）振（zhèn）動比等。振動台的推（tuī）力是指其運動（dòng）部分的質量與在該質量下能達到的加速度的乘積，而不是指試件的重量。額定正弦推力是運（yùn）動部件有（yǒu）效質量與zui大加速度峰值的乘積，隨機推（tuī）力有效值是（shì）振動台按標準（如ISO5344）規定的功率譜密度曲線實（shí）驗時，運動部分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（réng）將是未來（lái）振動（dòng）試（shì）驗的主要設備，其製造技（jì）術會在兩個方麵有所發展。一是新材料的（de）應用，隨著（zhe）大型磁性材料成本（běn）的降低，大型的永磁振動台將成為可能，這種振動台結構簡單，節（jiē）約能源，且有高（gāo）可靠性。功（gōng）率放大器會采用更多（duō）的數（shù）字化和模塊化的電路（lù），體（tǐ）積越來越小，效率越來（lái）越高。二（èr）是新方法的應用（yòng），隨著有限元方法的（de）推（tuī）廣，複雜結（jié）構的動力（lì）特性可以準確、快速的計算出來。因為振動台跟汽車等產品相比用戶是很少的，隻能進行小批量生產，這就便於對不同的用（yòng）戶、不同的試件進（jìn）行專門設計，實現運動部件與夾具（jù）的一（yī）體化設計，使每一個實驗係統都（dōu）達到*性能（néng）。
4.水平滑台
　　　水平滑台是振動（dòng）台進行水平試驗的輔助設備，在（zài）水平滑台上便於（yú）安裝大型（xíng）試驗件。水平滑台可分為靜承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式，大型（xíng）滑台（tái）則（zé）采用了（le）油膜和靜承共同支承（chéng）的方式。靜承支（zhī）承的滑台可（kě）在極（jí）低的頻率到很高的頻率之間工作，加（jiā）速度（dù）波形失真度小，抗傾覆力矩及抗扭轉力矩高，橫向振動小。但這種滑台成（chéng）本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑台可用於中（zhōng）頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形上要疊加軸（zhóu）承噪聲。油膜滑（huá）台結構簡單，成本低（dī），在低頻域內波形良好（hǎo），容易實現大行（háng）程。但它抗（kàng）傾覆和扭轉力矩低，橫向振動較大。
　　　　5.振動試（shì）驗夾具
　　夾（jiá）具是為把（bǎ）試驗件（jiàn）牢固地固定在振動台工作台麵上，並把振動台（tái）的振動傳給試驗件，它的（de）質量直（zhí）接（jiē）關係著（zhe）試驗的質量。但（dàn）目前對試（shì）驗夾具的重要性普遍（biàn）重視不夠，尤其是在國內，一些試驗（yàn）人員僅憑感覺（jiào）來設（shè）計夾具（jù），設計時缺乏必要的計算（suàn）分析，也沒有必要的（de）檢驗測試。這（zhè）樣的夾（jiá）具傳遞的振動往往存在（zài）著很大的失真（zhēn），夾具上各點的振動量值相差很大，也就（jiù）是均勻度很差。在測試頻段（duàn）內（nèi）存在多階共振，振（zhèn）動控製非常困難。有些（xiē）夾具材料選用不當，質量過大，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（jù）盡可能有低（dī）的質量（liàng），高的剛度，在試驗頻段內盡（jìn）可能不出現和少出現共振。夾具的材料多采用鎂和鋁，因為這兩種金屬（shǔ）比鋼的質量（liàng）小，阻尼特性比鋼好，加工成（chéng）本低。小型夾具通常用整塊材料加工（gōng）而成，大的夾（jiá）具有用（yòng）焊接和鑄造的方（fāng）法製作。設計時應首先明確試驗條件（jiàn），如正弦和隨機（jī）振動能級和允（yǔn）差，正弦掃描的頻率（lǜ）範圍，隨機振動（dòng）功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫（héng）向振動（dòng）等。然後計算（suàn）夾具的共振頻率及質量（liàng），使之（zhī）滿足試驗要求。對於小（xiǎo）試件（jiàn），夾具的共振（zhèn）頻（pín）率不允許低於1000Hz，同時應達到試件zui低頻率的3～4倍（bèi）。夾（jiá）具加工（gōng）完成後（hòu）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，要進行全麵的性（xìng）能測試，以保證試驗的正確性。
　　6.綜合環境試（shì）驗用振動台（tái）係統
　　綜合環（huán）境試驗有三綜合和四綜合，三綜合是指溫度、濕度和振動（dòng）的綜合試驗。702所90年代初（chū）在國內研製成功了三綜合試驗（yàn）係統。用於三（sān）綜合試驗的振動台一般具有較大的工作台麵，以（yǐ）便盡可能多（duō）的一次性安裝（zhuāng）試件，要做好振動台與環境試驗箱之間的密（mì）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係統，四綜合是指（zhǐ）溫度、濕度、真空和振（zhèn）動（dòng）的綜合環境試驗，由於試驗箱內要抽（chōu）真空，用於四綜合的振動台必須有自動對中係統，保證振動台不在負壓的作用下偏離中心位置。振動台要通過運動部件的延伸段與試驗箱連（lián）接，用滾動（dòng）密封件進行密封，必要時可加裝擴（kuò）展台，以安裝較多和較大的試件。三綜合（hé）環境試驗係統已比較多見，四綜合試驗（yàn）係統在將來的環境試（shì）驗中會發揮出更大的作（zuò）用。
　　7.多向振（zhèn）動台
　　許多試驗件，尤其是航空航天和船舶行業的試驗件，所（suǒ）處的（de）振動（dòng）環境並不是單自由度（dù），而是多自由度的，顯然用（yòng）目前（qián）常（cháng）用的單方（fāng）向激振的振動台無（wú）法實現真實的振動環境。為了更真實的模擬振動環境，在60年代初期，美國就開始了三向振動台（tái）的（de）研製，到70年代（dài）已成功的研製（zhì）了工作頻率較（jiào）高、失真度較小的（de）三向振動係統。80年代（dài），702所也（yě）開始了這方麵的（de）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（dī）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（jiā）應用較多，在我國使用還很少。但隨著技（jì）術的日益成熟，多向振動台將以其自身的性（xìng）能（néng）優勢（shì）和高的工作效率得以推廣。
　　電子、電工及材料技（jì）術的提高和機械設計方法的改進，為振動（dòng）試驗係統的發展（zhǎn）提供（gòng）了（le）機（jī）遇，以702所為代表的振動試驗（yàn）設備生（shēng）產廠，隨著技術投入的加大，將會為振動試驗提供更可（kě）靠、率、低成本（běn）的設備。