振動試驗係統現狀與發（fā）展

振動試驗的（de）目的在於確定所設計（jì）、製造的機器、構件在運輸和使用過程中（zhōng）承受外來振動（dòng）或者自身產生（shēng）的振動而不至破壞，並發揮其性能、達（dá）到預定壽命的可（kě）靠（kào）性。隨著對產品，尤其是航空航天產（chǎn）品可靠性要求的提高，作為（wéi）可（kě）靠性試驗關鍵設備（bèi）的振（zhèn）動試驗係統的發展顯得越來越重要。
　　　　
60年代，702所為滿（mǎn）足航（háng）天產品振動試驗的需要，開始（shǐ）了振動試驗係統的研製，包（bāo）括推力10N至100kN的振動台及各種振動測量儀表和傳感器（qì）。目（mù）前，702所的振動試驗設（shè）備不僅在航天領域而且在其他行業發揮著作（zuò）用，成為該所的（de）一項（xiàng）重要（yào）民品。用於振動試驗的振動台係統從其激振方式上可分為（wéi）三類：機械式振動台、電液式振動台和電動式（shì）振動（dòng）台（tái）。從振動台的激振方向，即工作台麵的運動軌跡來分，可分為單向（xiàng）(單自由（yóu）度)和多向(多自由度)振動台係統。從振動台的功（gōng）能來分，可分為單一的正弦（xián）振（zhèn）動試驗（yàn）台和可完（wán）成正弦、隨機、正（zhèng）弦加隨機等振動試驗和衝（chōng）擊試驗的振動（dòng）台係統。以下筆者對各種振動（dòng）台，主要對電動振動台，及（jí）其輔（fǔ）助設備的結構、性能和成（chéng）本的現狀（zhuàng）及（jí）發展等進行簡單的論述。
　　
1.機械（xiè）式振動台
　　
　機械式振動台（tái）可分為不平衡重塊式和凸輪式兩類。不平衡重塊式（shì）是以不平衡重塊旋轉時產（chǎn）生的離心力來激振振動台（tái）台麵，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。這種（zhǒng）振動台可以產（chǎn）生正（zhèng）弦振動，其結構簡單，成本低（dī），但隻（zhī）能在約5Hz～100Hz的頻率範圍工作，zui大位（wèi）移（yí）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和曲軸的臂長，激振力（lì）隨（suí）運動部分的質量而變化。這種振動台在（zài）低頻域內，激振力大時，可以實現很大的位移，如100mm。但這種振動台工作頻率於低頻，上限頻率為20Hz左（zuǒ）右。zui大加速度為3g左右，加速度波形失真很大。
 
機械式（shì）振動台由於其性能的局限，今後用量會（huì）越來越小。
　　
　　2.電液（yè）式振動台
　
　　電液式振動台的（de）工作方式是用小的電動（dòng）振動台驅動（dòng）可控製的伺服閥，通過油壓（yā）使（shǐ）傳動（dòng）裝置產生振動。這種振動台能（néng）產生很大（dà）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（hěn）低的頻率（lǜ）下可得到很大的激振力。大激振力的液壓台比相同推力（lì）的電動式振動台價格便宜。電（diàn）液台的局限性在於其高（gāo）頻性（xìng）能較差（chà），上限工作頻率低（dī），波形失（shī）真較大。雖然可以做隨機（jī）振動，但隨機（jī）振動激振力的rms額定值隻能為正弦額定值的1/3以下。這種（zhǒng）振動台因其大推力、大位移可以彌補（bǔ）電動振動台的（de）不足，在未來的（de）振動試（shì）驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和汽車（chē）行業會有一定市（shì）場。
　　
　　3.電動式振動（dòng）台
　　
　　電（diàn）動式（shì）振動台是目（mù）前使用（yòng）zui廣泛的（de）一種振動設備。它的頻率（lǜ）範圍寬，小型振動台頻（pín）率範圍為0～10kHz，大型振動台頻率範圍為0～2kHz；動態範圍寬，易於實現（xiàn）自動（dòng）或手（shǒu）動（dòng）控製；加速度波形良好，適合產生隨（suí）機（jī）波；可（kě）得到很大的加速度。電動式振動（dòng）台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）到力的作用，當導體中通以交變電流時將產生振動。振動台的驅動線圈（quān）正式處在一個高磁感（gǎn）應強度的空（kōng）隙（xì）中，當需要的振動信號（hào）從信號發生器（qì）或振動控製儀產生並經功率放大器放（fàng）大後通到驅動（dòng）線圈（quān）上，這時振動台就會產生需要的振動波形。
　　
　　電動振動台基本上由（yóu）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（tái）體及支承（chéng）裝置五部分組成。驅動線圈和（hé）運動部件是振動台的核心部（bù）件，它的一階共振頻率決定著振動台的使用頻率範圍（wéi），由於運動部件結構複雜，一階（jiē）共振頻率計算非（fēi）常困難，要靠經驗估算，這常常造成設計失誤。702所在80年（nián）代末（mò）將（jiāng）有限元方（fāng）法用於電動振動台運動（dòng）部件（jiàn）共振頻率的計算，不僅提高了計算結果的準確度，而且便於（yú）對結構進行優化設計，大大增加了振動（dòng）台的設計可靠性（xìng）。
　　
　　振（zhèn）動台驅動線圈電流的產生方式有直接式和感（gǎn）應式。直接式就是將放大器輸（shū）出的電（diàn）流直接加到驅動線圈上，這種方式是振動台的主流。感應式是將交變（biàn）電流通（tōng）入一固定線（xiàn）圈（quān），然後通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，結構簡單，但這種振動台效率相對（duì）較低。美國的UD公司的一些振動台采用了這（zhè）種結構。702所和其他公司的（de）產（chǎn）品（pǐn）采用的是直接式，由於很好地解決了驅動線圈引出電纜問（wèn）題，其產品更實用。
　　
　　振動台的磁場產（chǎn）生方式可分為永磁型和（hé）勵磁型。永磁型的（de）恒定磁場是由*磁鋼產生的，由於大體（tǐ）積的磁鋼製作較困難，目前這種結構（gòu）隻適用於小型振動（dòng）台。如702所生產的（de）2202型振動台和B&K公司的4808型振動台都屬（shǔ）於（yú）永磁型。而對（duì）於大型振動（dòng）台則（zé）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（xíng）振動台。
　　
　　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圈，形成（chéng）一個磁場回路，這種結構勵磁效率低、耗（hào）電量大（dà）、漏（lòu）磁很大，需要（yào）用消磁（cí）線（xiàn）圈來保證工作台麵有一個低（dī）的磁場。雙勵磁由兩（liǎng）套勵磁繞組產生磁場，分別置於工作磁隙的上下（xià）兩側，在工作磁隙的磁場互相疊加，而在工作台麵上的磁場（chǎng）互相抵消，所以工（gōng）作台（tái）麵上的磁場（chǎng）就很小。同時（shí）由於雙勵磁（cí）磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁（cí）有顯著提高。702所（suǒ）的2104係（xì）列振動台、美國LING和（hé）英（yīng）國LDS的一些大型（xíng）振動台都屬於雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁（cí）結構，702所的振動台上下兩組磁場（chǎng）是非對（duì）稱的，而其他的振動台卻是對稱的。
　　
　　振動台的冷卻（què）方式有自然冷卻、強製風冷、水冷和油冷等幾種（zhǒng）方式。自然冷卻隻適（shì）用於功率（lǜ）很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新研製的振動台已不多見，現在還（hái）在使用的油冷振（zhèn）動台要注意保（bǎo）持油的質量和數量。強製風冷是用於中小（xiǎo）型（xíng）振動台的常用冷（lěng）卻方式，它（tā）是利用高壓風（fēng）機將台體內的（de）熱（rè）空氣不斷（duàn）抽出（chū）實現（xiàn）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（dān），設備安裝方便，成本低，不會出現水冷台常見的漏水、水路堵塞等故障。但（dàn）高壓風機工作時（shí）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，不適合大型振動台的冷（lěng）卻。水冷是大中型振動台常用的冷卻方式，通常水冷台的繞組都是用空心漆包導線繞製的（de），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（xiào）率高，而且（qiě）沒有太大的噪音。但振動台結構較複雜（zá），對冷卻水的水質要求較高，常用蒸（zhēng）餾水或（huò）去離子水。在水冷台中，美、英幾家公司的設備存在著嚴重的缺陷，即驅動線圈引出電纜和水（shuǐ）管的結構不合理及勵磁線圈水路的不合理，這（zhè）種結構常出現漏水，而且（qiě）對水質要求（qiú）*，要經常換（huàn）水。702所的振動台采用的水路並聯、電路串聯、水電接頭都采用（yòng）螺（luó）紋連接的新結（jié）構繞組很（hěn）好的解決了這些問題，它對水質（zhì）要求不（bú）太高，水壓低，很少出現漏（lòu）水現象。
　　
　　功率放大器是電（diàn）動振動台係統的重要組成部分，它本身的性能和與振動台的匹配狀況直接關係著係統的性能。功率放大器發展（zhǎn）到現在已經曆了三代，從電子（zǐ）管放大器到晶體管線性放大器再到數字式開關放大器（qì）。電子管放大器在新生產的設備中（zhōng）已基本不用，開（kāi）關式（shì）放（fàng）大器是近幾年國外開（kāi）發（fā）出來的，它利（lì）用了晶體管的開關特性（xìng），管耗很小，效率可高（gāo）達90%，而普通的（de）線性放大（dà）器的效率隻有（yǒu）50%左右。正是由於開關放大器本身發熱少（shǎo），它（tā）的冷卻就非常簡單，輸（shū）出功率幾十千伏安的放大器僅用很小的軸流風機就可（kě）以冷卻下來，使設備的（de）結構簡單（dān）可靠。而同樣的（de）線性放大器必須要用水來冷卻，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（jiào）好的電磁（cí）屏蔽，否則會對（duì）周圍設備造成電磁幹擾。
　　
　　電動振動台的技術指標有：額定正弦推力、隨機推力有效值、工（gōng）作頻率範圍、zui大加速度、zui大速度、zui大位（wèi）移、運動部件有效質量、工作台麵允許直接承載質量、工作台麵允許偏載力矩、雜散磁場、加速度波（bō）形失真度、工作台麵加速度均勻度及橫向振動比等。振動台的推力（lì）是指其運（yùn）動部分的質量與在該質量（liàng）下能達到的加速度的乘積，而不是（shì）指試件的重量。額定正弦推力是運動部件有效質（zhì）量與zui大加速度峰值的乘積，隨機推力有效值是振動台按標準（zhǔn）(如ISO5344)規定的功率譜（pǔ）密度曲線實驗時，運動部分有效質量與可達到的zui大加速（sù）度有效值的乘積。
　　
　　電動振動台（tái）仍將是未來振動試驗的主要設備，其製造技（jì）術會在（zài）兩個方麵有（yǒu）所發展。一（yī）是新材料的應用，隨（suí）著大型磁性材料成本的降低，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（néng）源，且有高可靠性。功率放大器會采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。二是新方法的應用，隨著有限元方（fāng）法的推廣，複（fù）雜結構的動力特性可以（yǐ）準確（què）、快速的計（jì）算（suàn）出來（lái）。因為（wéi）振動台（tái）跟汽（qì）車等產品相比用戶是很（hěn）少的，隻能進行小批量生產，這就便於對不同的用（yòng）戶、不同的試件進行專門設計，實現運動部件與夾具的一體（tǐ）化設計，使每一個實驗係統都達到*性能（néng）。

4.水（shuǐ）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（zài）水平滑台上便於安裝大型試（shì）驗件（jiàn）。水平滑台可分（fèn）為靜（jìng）承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式（shì），大型滑（huá）台則采用了（le）油膜（mó）和靜承共同支承的方式。靜承支承的滑台可在極低的頻率到很高的頻率之間工作，加速度波形失真度小，抗傾覆力矩及抗扭轉力（lì）矩高，橫向振動（dòng）小。但這種滑台成（chéng）本很高，價格昂貴（guì）。滾珠（zhū）軸承滑台可用於中頻到高頻，在（zài）低頻工作時，加速度（dù）波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑台結構簡單，成本低，在低頻域內波（bō）形良好，容易實（shí）現大行程。但它抗傾覆和扭轉力矩低，橫（héng）向振動較大。
　　　　5.振動試驗夾具（jù）
　　夾具是為把試驗件牢固地固定在振動台工作台麵（miàn）上，並（bìng）把振動（dòng）台的振動傳給試（shì）驗（yàn）件，它的（de）質量（liàng）直接關（guān）係著試驗的質量。但目前對試驗夾（jiá）具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國內（nèi），一（yī）些試驗人員僅憑感覺來設計（jì）夾具，設計（jì）時缺乏必要的計算分析，也沒有必要（yào）的檢驗測（cè）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（shì）均勻度很差。在測試頻段內存在多階共振，振動控（kòng）製非常困難。有些夾具材料選（xuǎn）用不當，質量過大，消耗能量多。
　　
　　夾具（jù）設計的原則是在滿足試件安（ān）裝的前提下，夾具盡可能有低的質量，高的剛度，在試（shì）驗（yàn）頻段內盡可能不出現和（hé）少出現共振。夾具的材料多采用（yòng）鎂和鋁（lǚ），因為這兩種（zhǒng）金屬比鋼的質量小，阻尼（ní）特性比鋼（gāng）好，加（jiā）工成本低。小型夾具通常用整塊材料加工而成，大的夾具（jù）有用焊接和鑄造的方法製作。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差，正（zhèng）弦掃（sǎo）描的頻率範圍，隨機振動功率譜（pǔ）密度曲線，安裝（zhuāng）條件，允許的（de）加（jiā）速度不均勻度及（jí）橫向振動等。然後計算夾具的共振（zhèn）頻率及質量，使之滿足試驗要求。對於小試件，夾具的共振頻（pín）率不允許低於1000Hz，同時應達到試（shì）件zui低頻率的3～4倍。夾（jiá）具（jù）加工完成後應進行必要的檢驗，對於重要和常用的（de）夾具，如轉接（jiē）板、擴（kuò）展（zhǎn）台等，要進（jìn）行全麵的性能測試，以保證試驗（yàn）的正確性。
　　
　　6.綜合環境試驗用振（zhèn）動台係（xì）統
　　
　　綜（zōng）合環境試（shì）驗有三綜合和四綜合，三綜合（hé）是指溫度、濕度和（hé）振（zhèn）動的綜合試驗。702所90年代初（chū）在國內研製成功了三綜合試驗係統。用於（yú）三綜合試驗的振動台一般具有較大的工作（zuò）台（tái）麵（miàn），以便盡可能多（duō）的一（yī）次性安裝試件，要做好振動台（tái）與環（huán）境試驗箱之間（jiān）的密封和隔熱，矽橡膠板是常用的密封隔熱材料（liào）。702所正在研製四綜（zōng）合實驗係統（tǒng），四綜合是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環境試（shì）驗，由於試驗箱內要抽真空，用於四綜合（hé）的振動台必須有自動對中係（xì）統，保（bǎo）證振動台不在負壓的作用下偏離中（zhōng）心位（wèi）置。振動台要通過運（yùn）動部件的延伸段與試驗箱連接，用滾動密（mì）封件進行密封，必要時可加裝擴展台，以（yǐ）安裝（zhuāng）較多和較大的試件。三綜合環境（jìng）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，所處（chù）的振動環境並不是單自由度，而是多（duō）自由度的，顯然用目前常用的單方向激振的振動台無法實現真實的振動（dòng）環境。為了更真（zhēn）實的模擬振動環（huán）境，在60年（nián）代初期，美國就開始了三向振動台的研製，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（fāng）麵的研究。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的波形失真，而液壓式適（shì）合於低頻工作，容易實現（xiàn）大激振力。目前三向及多向振動係統在美、日等國家（jiā）應用（yòng）較多，在我國使用還很少。但隨著技術的日益成熟，多向振動台將以其自（zì）身的性能優勢和高的工作效率得以推廣。
　　
　　電子、電工（gōng）及材料技（jì）術的提高和機械設計方法的改進，為振動試驗係統的（de）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，將會為振動（dòng）試驗提供更可靠、率、低成本的設備。