振動（dòng）試驗係統現狀與發展

　　

1.機械式振動臺

　　

　機（jī）械式振動臺可分為不平衡重塊式和凸輪式兩類。不（bú）平衡重塊式是以不平衡（héng）重（chóng）塊旋轉時產生（shēng）的離心力來激振振動臺臺麵，激振（zhèn）力與（yǔ）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（zhèn）動，其結構簡單，成本低，但隻（zhī）能在約5Hz～100Hz的頻率範圍工（gōng）作，zui大位移為 6mm峰-峰值，zui大加速度（dù）約10g，不能進行隨（suí）機振動。

　

　　凸輪式振動臺運動（dòng）部分的位移取決於（yú）凸輪的偏心量和曲軸的臂（bì）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（nà），激（jī）振力大時，可以實現很大的位移，如100mm。但這種振動臺（tái）工作頻率僅限於低頻，上限頻率為20Hz左右。zui大加速度為（wéi）3g左右，加速度波形（xíng）失真很大。

 

機械式振動臺由於其性能的局限，今後用量會（huì）越來越小。

　　

　　2.電液式振動臺

　

　　電液（yè）式振動臺的工作（zuò）方式是用小的電動振動臺驅（qū）動可控製的伺服閥，通過油壓（yā）使（shǐ）傳動裝置產生振動。這（zhè）種振動臺能產生（shēng）很大的激振力和位移，如激振力可（kě）高（gāo）達104kN，位移可達2. 5m，而（ér）且在很低的（de）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的電動式振動臺價格便宜。電液台的局限性在於其（qí）高頻性能較差，上（shàng）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（zhèn）力的rms額定值隻能為正（zhèng）弦額定（dìng）值的1/3以下。這種振動臺（tái）因其大推力、大位（wèi）移可（kě）以彌補電動振動臺的不足，在未來的振動試驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和汽車行（háng）業會有一定市場。

　　

　　3.電動式振動（dòng）臺（tái）

　　

　　電動式振動臺是目前使用zui廣泛的一（yī）種振動設備。它的頻率範圍寬，小型振動（dòng）臺頻率範圍為0～10kHz，大（dà）型振動臺頻率範圍為0～2kHz；動（dòng）態（tài）範圍寬，易於實現自（zì）動或手動控製；加速度波形良好，適合（hé）產生隨機波；可得到很大的加速度（dù）。電動式振動臺是根據電磁感（gǎn）應原理設計的，當通電導（dǎo）體處在恒定（dìng）磁場中將受（shòu）到力（lì）的作用（yòng），當導體中通以交變電流時將產生振動（dòng）。振動臺的驅動（dòng）線圈正式處在一個高磁感應強度的空隙中，當需要的振動（dòng）信號從信號發生（shēng）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，這時振動臺就會產生需要的（de）振動（dòng）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、台體及（jí）支（zhī）承裝置（zhì）五部分組成。驅動線（xiàn）圈和運動部件（jiàn）是振動臺的核心部件，它的一階（jiē）共振頻（pín）率決定著振動（dòng）臺的使用頻率範圍，由於運動部件結構複雜，一階共振頻率計算非常困難，要（yào）靠經（jīng）驗估算，這常常（cháng）造成設計失誤。702所在80年代（dài）末將有限元方法用於電動振（zhèn）動臺運動部件共振頻率的計算，不僅提（tí）高了計算結果的準確度，而且便於對結構進行優化設計，大大增加了（le）振動臺的設計可靠性。

　　

　　振動臺驅（qū）動（dòng）線圈（quān）電流的產生方式有直接式（shì）和（hé）感應（yīng）式。直接式就是將放大器（qì）輸出的電流直接加到驅動線圈上，這種方（fāng）式是（shì）振動臺的主（zhǔ）流。感（gǎn）應式是將交變電流通入一固定線圈，然後（hòu）通（tōng）過感應方式在驅動線圈產生電流。感（gǎn）應式振動臺的驅動線圈不需（xū）要引出電纜，結構簡單，但這種振動臺效（xiào）率相對（duì）較低。美國的UD公司（sī）的一些振動臺採用了這種結構。702所和其他公司的產品採用的是直接式，由於很好地解決了驅動線圈引出電纜問題，其產品更實用。

　　

　　振動臺的磁場產生方式可分（fèn）為永磁型（xíng）和勵磁型。永磁（cí）型的（de）恒定磁場是由*磁鋼產生的，由於大體積的磁鋼製作較困（kùn）難，目前這種結構隻適用於小型振動臺（tái）。如702所生（shēng）產的2202型振動臺（tái）和B&K公司（sī）的4808型振動（dòng）臺都屬於永磁型。而對於大型振動臺則需要在勵磁線圈中通以（yǐ）直流（liú）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，形成一個磁場回（huí）路，這種結（jié）構勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁（cí）線圈來保（bǎo）證工作臺麵有一個低的（de）磁場。雙勵磁由（yóu）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（de）磁場互相疊加，而在工作臺麵上的磁場（chǎng）互相抵（dǐ）消，所（suǒ）以工作（zuò）臺（tái）麵上（shàng）的磁場就很小。同時由於雙勵磁磁路縮（suō）短，磁阻減小，勵磁（cí）效率比（bǐ）單勵磁有顯著提高。702所的2104係列振動臺、美國LING和英國LDS的一些大型振動臺都屬於雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動臺上（shàng）下（xià）兩（liǎng）組（zǔ）磁場是非對稱的，而其他的振動臺卻是對稱的。

　　

　　振動臺（tái）的冷卻方式有自然冷卻、強製風冷、水冷和油（yóu）冷等幾種方式。自然冷卻隻適（shì）用於功率很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新研（yán）製的振動臺已不多見，現在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的品質和數量。強製風冷是用於中小型振動臺的常用冷卻方式，它是利用高壓風機將台體內的熱空氣不斷抽出實（shí）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，設備安裝方便，成本（běn）低，不（bú）會出現水（shuǐ）冷台常見的漏水、水路（lù）堵（dǔ）塞等故障。但高壓風機工（gōng）作時噪音非常大，對操作人員影響很大。風（fēng）冷的冷卻效率相對較低，不適合（hé）大型振動臺的冷卻。水冷是大中（zhōng）型振動臺常用的冷卻方式（shì），通常水冷台的繞組都是用空心漆包導（dǎo）線繞製的，而把冷卻水直接通入空心漆（qī）包導（dǎo）線內進行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的（de）噪音。但（dàn）振動臺結構較複雜，對冷卻水的水質要求較高，常用蒸（zhēng）餾水或去離子水。在水（shuǐ）冷台中，美、英幾家公司（sī）的設備存在著嚴重的缺陷，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（de）不合理，這種結構常出現漏水，而且對水質要（yào）求極高，要經常換水。702所的振動臺採用的（de）水路並聯、電（diàn）路串聯、水電接頭都採（cǎi）用螺紋連接的新結（jié）構繞組很好（hǎo）的解決了這些問題，它對水質要求不太高，水壓低，很少出（chū）現漏水（shuǐ）現象。

　　

　　功（gōng）率（lǜ）放（fàng）大器（qì）是電動（dòng）振動臺係統的重要組成部分，它本身的性能和與振動臺的匹配狀況直接（jiē）關（guān）係著係（xì）統的性能。功率放大器發展到現在已（yǐ）經歷了三代，從電子管放大器到晶（jīng）體管線性（xìng）放大器再到數位式開關放大器。電子管放大（dà）器在新生產的（de）設備中已基本不用（yòng），開（kāi）關式放大器是近幾年國外開發出來的，它利用了電晶體的開關特性，管耗很小，效率可高達90%，而普通的（de）線（xiàn）性放大器的效率隻有50%左右。正是由於開關（guān）放大器本（běn）身發（fā）熱少，它的冷卻就非（fēi）常簡單，輸出功（gōng）率幾十千（qiān）伏安的放大器僅用（yòng）很小的軸流風機就可以冷卻下（xià）來（lái），使設備的結構簡單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻（què），結構複雜。開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遮罩，否則會對周圍設備造成（chéng）電磁（cí）幹擾。

　　

　　電動振動臺的技術指（zhǐ）標有：額定正弦推力、隨機（jī）推力（lì）有效值、工作頻率範圍、zui大加速度、zui大速度（dù）、zui大位移、運動部件有效品質、工作臺麵允許直接承載（zǎi）品質、工作臺麵允許偏（piān）載力矩（jǔ）、雜散磁場、加（jiā）速度波形失真度、工作臺麵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品質與在該品質下（xià）能達到的加速度的乘積（jī），而不是指（zhǐ）試件的重量。額定正弦推力是運動部件有效品質與zui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，運動部分有效品質與可（kě）達到的zui大加速度有效值的乘積。

　　

　　電動振動臺仍將是未來振動（dòng）試（shì）驗的主要（yào）設備，其製造技術會在兩個方麵有所發展。一（yī）是（shì）新材料的應（yīng）用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動臺將（jiāng）成為可能（néng），這種振動臺結構（gòu）簡單，節（jiē）約能源，且有高可（kě）靠性。功率放大器會（huì）採用更多的數位化和（hé）模組化的電路（lù），體積（jī）越來越（yuè）小，效（xiào）率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限（xiàn）元方法的推廣，複（fú）雜結構的動力特性可以準確、快速的計算出來。因為振（zhèn）動臺跟汽（qì）車等產品相比用戶是很少的，隻能進行（háng）小批量生產，這就便於對不同的用戶、不同的試件進行專門設計，實（shí）現運動部件與夾具的一體化設計，使每一個實驗係統都達到*性能。

 

4.水平滑台

　　　水平滑台是振動臺進行（háng）水準試驗的（de）輔助設備，在（zài）水平滑臺上便（biàn）於安裝大型試驗件。水平滑台可分為靜壓（yā）軸承支承式、滾（gǔn）珠軸承（chéng）支承（chéng）式和油膜（mó）支承式，大型滑台則採用了油膜和靜壓軸承共同支承的（de）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，加速（sù）度波形失真度小，抗傾覆力矩及抗扭（niǔ）轉力矩高，橫向（xiàng）振動（dòng）小。但這種滑台成本很高，價格昂（áng）貴。滾（gǔn）珠軸（zhóu）承滑台可用於中頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形上要疊加軸承雜訊。油膜滑台結構簡單，成本低，在低頻域內波形良（liáng）好，容易實現大行程。但它抗傾覆和扭轉力矩低，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（zài）振動臺工（gōng）作臺（tái）麵上，並把振動臺的振（zhèn）動傳給試驗件，它的品質直接關係著試驗的品質。但目前對試（shì）驗夾具的重要性（xìng）普遍重（chóng）視不夠，尤其是在國內，一些試驗人員僅憑感覺來設計夾具，設計時缺乏必要的計算（suàn）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（dà）的失（shī）真，夾具上（shàng）各點的振（zhèn）動量值相差很大，也就是均（jun1）勻度很差（chà）。在測試頻段記憶體在多階共（gòng）振，振動控製非常困難。有些夾具材料選用不當，品質過大，消耗能量多。

　　

　　夾具設計的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的品質，高的剛度，在試驗頻段內盡可能（néng）不出現（xiàn）和少出現共振。夾具的（de）材（cái）料多採用（yòng）鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼（gāng）的品質小，阻（zǔ）尼特性比（bǐ）鋼好，加工成本低。小型夾具通常用整（zhěng）塊材料加工而成（chéng），大的夾具有用焊接和鑄（zhù）造的方法製作。設計時應首先明確試驗條件，如（rú）正弦和隨機振動能級和允（yǔn）差，正弦掃描的頻率範圍，隨機（jī）振動功率譜密度（dù）曲線，安裝條件（jiàn），允許的加（jiā）速度不均勻度及橫向振動等。然後計算夾具的共振頻率及品質，使之滿足試驗要求。對於小（xiǎo）試件，夾具的共振頻率不允許低於1000Hz，同時應達到試件zui低頻率的3～4倍。夾具加（jiā）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（jiē）板、擴（kuò）展台等，要進行全麵的性能（néng）測試，以保證試驗的正確性。

　　

　　6.綜合（hé）環境試驗用振動臺係統

　　

　　綜（zōng）合環境試驗有三綜合和四綜合，三綜合（hé）是指溫度、濕度和振動的綜合試（shì）驗（yàn）。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臺一般具有（yǒu）較大的工（gōng）作臺麵，以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動臺與環境試驗箱之間的密封和隔（gé）熱，矽橡膠板是（shì）常用的密封隔熱材料。702所正在研製四綜合實驗（yàn）係統，四綜合是指溫度、濕度、真空和（hé）振動的綜合環境試驗，由於試驗箱（xiāng）內要抽真空，用於四綜合的振動臺必須有自動對中係統，保證振動臺（tái）不在（zài）負壓的作用下偏離中心位置。振動臺（tái）要通過運動部件的延伸段與試驗箱（xiāng）連接，用滾動密封件進行密封，必要時可加裝擴展台，以安裝較（jiào）多（duō）和較大的（de）試件。三綜合環境試驗係統已比較多見，四綜合（hé）試（shì）驗係統在將來的環境試驗中會發揮出更大（dà）的（de）作用（yòng）。

　　

　　7.多向振動臺（tái）

　　

　　許多試驗（yàn）件，尤其（qí）是航空航太和船舶行業的試驗件，所處的振（zhèn）動環境並不是單（dān）自由度，而是多自由度的，顯然用目前常用的單方向激（jī）振的振動臺（tái）無法實（shí）現真實（shí）的振動環境。為了更真實的模擬振動環（huán）境（jìng），在60年代初期，美國就開始了三向振動臺（tái）的研（yán）製，到70年代已（yǐ）成功的研製了工作頻率較高、失真度較小的三向振（zhèn）動係統。80年代，702所也開始了這方麵的研究。多向振動臺有電動式和液壓式，電動式可（kě）以實現高的工作頻率和低的波（bō）形失真，而液壓式適合於低頻工作，容易實（shí）現大激振力。目前三向及多向振動（dòng）係（xì）統在（zài）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（zhèn）動臺將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（cái）料技術的提高和機械設計方法的（de）改進，為振動試驗係統的發展提供（gòng）了機遇，以702所為代（dài）表的（de）振動（dòng）試驗設備（bèi）生產廠，隨（suí）著技術投入的加大，將會（huì）為振動試驗提供更可靠、率、低成本的設備。