振動試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展-貝爾試驗設(shè)備

振動試驗的目的在于確定所設(shè)計、制造的機器、構(gòu)件在運輸和使用過程中承受外來振動或者自身產(chǎn)生的振動而不至破壞，并發(fā)揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產(chǎn)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(guān)鍵設(shè)備的振動試驗系統(tǒng)的發(fā)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，開始了振動試驗系統(tǒng)的研制，包括推力10N至100kN的振動臺及各種振動測量儀表和傳感器。目前，702所的振動試驗設(shè)備不僅在航天領(lǐng)域而且在其他行業(yè)發(fā)揮著作用，成為該所的一項重要民品。用于振動試驗的振動臺系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類：機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺。從振動臺的激振方向，即工作臺面的運動軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統(tǒng)。從振動臺的功能來分，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和沖擊試驗的振動臺系統(tǒng)。以下筆者對各種振動臺，主要對電動振動臺，及其輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能和成本的現(xiàn)狀及發(fā)展等進行簡單的論述。
　　
    1.機械式振動臺
　　
  　機械式振動臺可分為不平衡重塊式和凸輪式兩類。不平衡重塊式是以不平衡重塊旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來激振振動臺臺面，激振力與不平衡力矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。這種振動臺可以產(chǎn)生正弦振動，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但只能在約5Hz～100Hz的頻率范圍工作，*大位移為 6mm峰-峰值，*大加速度約10g，不能進行隨機振動。
　
　　凸輪式振動臺運動部分的位移取決于凸輪的偏心量和曲軸的臂長，激振力隨運動部分的質(zhì)量而變化。這種振動臺在低頻域內(nèi)，激振力大時，可以實現(xiàn)很大的位移，如100mm。但這種振動臺工作頻率**于低頻，上限頻率為20Hz左右。*大加速度為3g左右，加速度波形失真很大。

機械式振動臺由于其性能的局限，今后用量會越來越小。
　　
　　2.電液式振動臺
　
　　電液式振動臺的工作方式是用小的電動振動臺驅(qū)動可控制的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產(chǎn)生振動。這種振動臺能產(chǎn)生很大的激振力和位移，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激振力。大激振力的液壓臺比相同推力的電動式振動臺價格便宜。電液臺的局限性在于其高頻性能較差，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rms額定值只能為正弦額定值的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(fā)揮作用，尤其是在船舶和汽車行業(yè)會有一定市場。
　　
　　3.電動式振動臺
　　
　　電動式振動臺是目前使用*廣泛的一種振動設(shè)備。它的頻率范圍寬，小型振動臺頻率范圍為0～10kHz，大型振動臺頻率范圍為0～2kHz；動態(tài)范圍寬，易于實現(xiàn)自動或手動控制；加速度波形良好，適合產(chǎn)生隨機波；可得到很大的加速度。電動式振動臺是根據(jù)電磁感應原理設(shè)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(chǎn)生振動。振動臺的驅(qū)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(fā)生器或振動控制儀產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大后通到驅(qū)動線圈上，這時振動臺就會產(chǎn)生需要的振動波形。
　　
　　電動振動臺基本上由驅(qū)動線圈及運動部件、運動部件懸掛及導向裝置、勵磁及消磁單元、臺體及支承裝置五部分組成。驅(qū)動線圈和運動部件是振動臺的核心部件，它的一階共振頻率決定著振動臺的使用頻率范圍，由于運動部件結(jié)構(gòu)復雜，一階共振頻率計算非常困難，要靠經(jīng)驗估算，這常常造成設(shè)計失誤。702所在80年代末**將有限元方法用于電動振動臺運動部件共振頻率的計算，不僅提高了計算結(jié)果的準確度，而且便于對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，大大增加了振動臺的設(shè)計可靠性。
　　
　　振動臺驅(qū)動線圈電流的產(chǎn)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到驅(qū)動線圈上，這種方式是振動臺的主流。感應式是將交變電流通入一固定線圈，然后通過感應方式在驅(qū)動線圈產(chǎn)生電流。感應式振動臺的驅(qū)動線圈不需要引出電纜，結(jié)構(gòu)簡單，但這種振動臺效率相對較低。美國的UD公司的一些振動臺采用了這種結(jié)構(gòu)。702所和其他公司的產(chǎn)品采用的是直接式，由于很好地解決了驅(qū)動線圈引出電纜問題，其產(chǎn)品更實用。
　　
　　振動臺的磁場產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場是由長久磁鋼產(chǎn)生的，由于大體積的磁鋼制作較困難，目前這種結(jié)構(gòu)只適用于小型振動臺。如702所生產(chǎn)的2202型振動臺和B&K公司的4808型振動臺都屬于永磁型。而對于大型振動臺則需要在勵磁線圈中通以直流電流來產(chǎn)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。單勵磁只有一組勵磁線圈，形成一個磁場回路，這種結(jié)構(gòu)勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁線圈來保證工作臺面有一個低的磁場。雙勵磁由兩套勵磁繞組產(chǎn)生磁場，分別置于工作磁隙的上下兩側(cè)，在工作磁隙的磁場互相疊加，而在工作臺面上的磁場互相抵消，所以工作臺面上的磁場就很小。同時由于雙勵磁磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁有顯著提高。702所的2104系列振動臺、美國LING和英國LDS的一些大型振動臺都屬于雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結(jié)構(gòu)，702所的振動臺上下兩組磁場是非對稱的，而其他的振動臺卻是對稱的。
　　
　　振動臺的冷卻方式有自然冷卻、強制風冷、水冷和油冷等幾種方式。自然冷卻只適用于功率很小的小型激振器。油冷方式由于結(jié)構(gòu)復雜，在新研制的振動臺已不多見，現(xiàn)在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的質(zhì)量和數(shù)量。強制風冷是用于中小型振動臺的常用冷卻方式，它是利用高壓風機將臺體內(nèi)的熱空氣不斷抽出實現(xiàn)冷卻的。這種方式冷卻時，驅(qū)動線圈和勵磁線圈的結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備安裝方便，成本低，不會出現(xiàn)水冷臺常見的漏水、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，通常水冷臺的繞組都是用空心漆包導線繞制的，而把冷卻水直接通入空心漆包導線內(nèi)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(gòu)較復雜，對冷卻水的水質(zhì)要求較高，常用蒸餾水或去離子水。在水冷臺中，美、英幾家公司的設(shè)備存在著嚴重的缺陷，即驅(qū)動線圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理及勵磁線圈水路的不合理，這種結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)漏水，而且對水質(zhì)要求極高，要經(jīng)常換水。702所的振動臺采用的水路并聯(lián)、電路串聯(lián)、水電接頭都采用螺紋連接的新結(jié)構(gòu)繞組很好的解決了這些問題，它對水質(zhì)要求不太高，水壓低，很少出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。
　　
　　功率放大器是電動振動臺系統(tǒng)的重要組成部分，它本身的性能和與振動臺的匹配狀況直接關(guān)系著系統(tǒng)的性能。功率放大器發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)歷了三代，從電子管放大器到晶體管線性放大器再到數(shù)字式開關(guān)放大器。電子管放大器在新生產(chǎn)的設(shè)備中已基本不用，開關(guān)式放大器是近幾年國外開發(fā)出來的，它利用了晶體管的開關(guān)特性，管耗很小，效率可高達90%，而普通的線性放大器的效率只有50%左右。正是由于開關(guān)放大器本身發(fā)熱少，它的冷卻就非常簡單，輸出功率幾十千伏安的放大器僅用很小的軸流風機就可以冷卻下來，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻，結(jié)構(gòu)復雜。開關(guān)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，否則會對周圍設(shè)備造成電磁干擾。
　　
　　電動振動臺的技術(shù)指標有：額定正弦推力、隨機推力有效值、工作頻率范圍、*大加速度、*大速度、*大位移、運動部件有效質(zhì)量、工作臺面允許直接承載質(zhì)量、工作臺面允許偏載力矩、雜散磁場、加速度波形失真度、工作臺面加速度均勻度及橫向振動比等。振動臺的推力是指其運動部分的質(zhì)量與在該質(zhì)量下能達到的加速度的乘積，而不是指試件的重量。額定正弦推力是運動部件有效質(zhì)量與*大加速度峰值的乘積，隨機推力有效值是振動臺按標準(如ISO5344)規(guī)定的功率譜密度曲線實驗時，運動部分有效質(zhì)量與可達到的*大加速度有效值的乘積。
　　
　　電動振動臺仍將是未來振動試驗的主要設(shè)備，其制造技術(shù)會在兩個方面有所發(fā)展。一是新材料的應用，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，這種振動臺結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約能源，且有高可靠性。功率放大器會采用更多的數(shù)字化和模塊化的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限元方法的推廣，復雜結(jié)構(gòu)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(chǎn)品相比用戶是很少的，只能進行小批量生產(chǎn)，這就便于對不同的用戶、不同的試件進行專門設(shè)計，實現(xiàn)運動部件與夾具的一體化設(shè)計，使每一個實驗系統(tǒng)都達到*佳性能。

4.水平滑臺
　　　水平滑臺是振動臺進行水平試驗的輔助設(shè)備，在水平滑臺上便于安裝大型試驗件。水平滑臺可分為靜**承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式，大型滑臺則采用了油膜和靜**承共同支承的方式。靜**承支承的滑臺可在極低的頻率到很高的頻率之間工作，加速度波形失真度小，抗傾覆力矩及抗扭轉(zhuǎn)力矩高，橫向振動小。但這種滑臺成本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑臺可用于中頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑臺結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在低頻域內(nèi)波形良好，容易實現(xiàn)大行程。但它抗傾覆和扭轉(zhuǎn)力矩低，橫向振動較大。
　　　　5.振動試驗夾具
　　夾具是為把試驗件牢固地固定在振動臺工作臺面上，并把振動臺的振動傳給試驗件，它的質(zhì)量直接關(guān)系著試驗的質(zhì)量。但目前對試驗夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國內(nèi)，一些試驗人員僅憑感覺來設(shè)計夾具，設(shè)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。在測試頻段內(nèi)存在多階共振，振動控制非常困難。有些夾具材料選用不當，質(zhì)量過大，消耗能量多。
　　
　　夾具設(shè)計的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的質(zhì)量，高的剛度，在試驗頻段內(nèi)盡可能不出現(xiàn)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工而成，大的夾具有用焊接和鑄造的方法制作。設(shè)計時應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率范圍，隨機振動功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動等。然后計算夾具的共振頻率及質(zhì)量，使之滿足試驗要求。對于小試件，夾具的共振頻率不允許低于1000Hz，同時應達到試件*低頻率的3～4倍。夾具加工完成后應進行必要的檢驗，對于重要和常用的夾具，如轉(zhuǎn)接板、擴展臺等，要進行**的性能測試，以保證試驗的正確性。
　　
　　6.綜合環(huán)境試驗用振動臺系統(tǒng)
　　
　　綜合環(huán)境試驗有三綜合和四綜合，三綜合是指溫度、濕度和振動的綜合試驗。702所90年代初在國內(nèi)率先研制成功了三綜合試驗系統(tǒng)。用于三綜合試驗的振動臺一般具有較大的工作臺面，以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動臺與環(huán)境試驗箱之間的密封和隔熱，硅橡膠板是常用的密封隔熱材料。702所正在研制四綜合實驗系統(tǒng)，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環(huán)境試驗，由于試驗箱內(nèi)要抽真空，用于四綜合的振動臺必須有自動對中系統(tǒng)，保證振動臺不在負壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運動部件的延伸段與試驗箱連接，用滾動密封件進行密封，必要時可加裝擴展臺，以安裝較多和較大的試件。三綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)已比較多見，四綜合試驗系統(tǒng)在將來的環(huán)境試驗中會發(fā)揮出更大的作用。
　　
　　7.多向振動臺
　　
　　許多試驗件，尤其是航空航天和船舶行業(yè)的試驗件，所處的振動環(huán)境并不是單自由度，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(xiàn)真實的振動環(huán)境。為了更真實的模擬振動環(huán)境，在60年代初期，美國就開始了三向振動臺的研制，到70年代已成功的研制了工作頻率較高、失真度較小的三向振動系統(tǒng)。80年代，702所也開始了這方面的研究。多向振動臺有電動式和液壓式，電動式可以實現(xiàn)高的工作頻率和低的波形失真，而液壓式適合于低頻工作，容易實現(xiàn)大激振力。目前三向及多向振動系統(tǒng)在美、日等國家應用較多，在我國使用還很少。但隨著技術(shù)的日益成熟，多向振動臺將以其自身的性能優(yōu)勢和高的工作效率得以推廣。
　　
　　電子、電工及材料技術(shù)的提高和機械設(shè)計方法的改進，為振動試驗系統(tǒng)的發(fā)展提供了機遇，以702所為代表的振動試驗設(shè)備生產(chǎn)廠，隨著技術(shù)投入的加大，將會為振動試驗提供更可靠、高效率、低成本的設(shè)備。

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