振動測試系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

? 振動試驗旨在確保設(shè)計和制造的機器和部件在運輸和使用過程中不受外部振動或自生振動的損壞，并充分發(fā)揮其性能和達到預(yù)定使用壽命的可靠性。隨著對產(chǎn)品尤其是航天產(chǎn)品可靠性要求的提高，作為可靠性測試關(guān)鍵設(shè)備的發(fā)展振動測試系統(tǒng)變得越來越重要。 20世紀60年代，為了滿足航空航天產(chǎn)品振動試驗的需求，702研究所開始開發(fā)振動測試系統(tǒng)，包括推力為10N-100 kN的振動臺和各種振動測量米的傳感器。目前，702研究所的振動測試設(shè)備不僅在航天領(lǐng)域發(fā)揮作用，而且在其他行業(yè)也發(fā)揮作用，已成為研究所的重要民用產(chǎn)品。振動試驗振動臺系統(tǒng)根據(jù)其激勵方式可分為三種類型:機械振動臺、電液振動臺和電動振動臺。根據(jù)振動臺的激勵方向，即臺面表面的運動軌跡，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統(tǒng)。根據(jù)振動臺的功能，可以將其分為單個正弦振動實驗臺和振動臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成正弦、隨機、正弦加隨機振動試驗和沖擊試驗。在下文中，筆者簡要論述了各種振動臺，主要是結(jié)構(gòu)電動振動臺及其輔助設(shè)備、性能和成本現(xiàn)狀、發(fā)展等。??? 1.機械式振動臺機械振動臺可分為兩種類型:不平衡配重型和凸輪型。不平衡配重型利用不平衡配重旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來激勵振動臺臺面，激振力與力矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。振動臺可以產(chǎn)生正弦振動，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但只能在約5Hz至100 Hz的頻率范圍內(nèi)工作。zui大位移為6mm峰峰值，zui大加速度約10g，不能進行隨機振動。 凸輪式振動臺運動部件的位移取決于凸輪的偏心率和曲軸的臂長，激振力隨運動部件的質(zhì)量而變化。當激振力在低頻范圍較大時，這種振動臺可以實現(xiàn)100毫米的大位移。然而，振動臺的工作頻率為低頻，上限頻率約為20Hz。Zui的大加速度約為3g，加速度波形失真非常大。 由于其有限的性能，機械振動臺將在未來越來越少的使用。 2.電液振動臺 電液振動臺的工作方式是用小型電動振動臺驅(qū)動可控伺服閥，傳動裝置通過油壓產(chǎn)生振動。這種振動臺可以產(chǎn)生很大的激振力和位移，例如激振力可以達到104kN，位移可以達到2。5m，并且可以在非常低的頻率下獲得大的激勵力。激振力大的液壓振動臺比推力相同的電動振動臺便宜。電液工作臺的局限性在于高頻性能差、工作頻率上限低、波形失真大。雖然可以產(chǎn)生隨機振動，但隨機振動激勵力的均方根額定值只能小于正弦額定值的1/3。由于推力大、位移大，這種振動臺可以彌補電動振動臺的不足，在未來的振動試驗中，特別是在船舶和汽車行業(yè)，仍然會發(fā)揮作用。 3.電動搖床 電動振動臺是目前在嘴廣泛使用的一種振動設(shè)備。其頻率范圍廣，小型振動臺的頻率范圍為0-10khz，大型振動臺的頻率范圍為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?？梢垣@得更大的加速度。電動振動臺是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的。當帶電導(dǎo)體處于恒定磁場中時，它將受到力的作用，當導(dǎo)體被提供交流電時，它將產(chǎn)生 有直接和感應(yīng)模式用于產(chǎn)生振動臺驅(qū)動線圈的電流。直接型是將放大器輸出的電流直接施加到驅(qū)動線圈，驅(qū)動線圈是振動臺的主流。感應(yīng)型是指交流電流流入固定線圈，然后通過感應(yīng)在驅(qū)動線圈中產(chǎn)生電流。感應(yīng)振動臺的驅(qū)動線圈不需要引出電纜，結(jié)構(gòu)簡單，但振動臺的效率相對較低。美國UD公司的一些搖表采用了結(jié)構(gòu)。702研究所和其他公司的產(chǎn)品是直接型的。由于從驅(qū)動線圈中抽出電纜的問題得到了很好的解決，其產(chǎn)品更加實用。 振動臺的磁場產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型恒定磁場由*磁鋼產(chǎn)生。由于制造大體積磁鋼的困難，結(jié)構(gòu)目前僅適用于小型振動臺。例如，702生產(chǎn)的2202振動臺和BK生產(chǎn)的4808振動臺都是永磁型的。另一方面，對于大型振動臺，需要DC電流在激勵線圈中產(chǎn)生恒定磁場，這就是激勵型振動臺。 激振振動臺可分為單激振和雙激振。單個激勵只有一組激勵線圈來形成磁場回路。該結(jié)構(gòu)勵磁效率低、功耗大、漏磁大。需要消磁線圈來確保臺面上的低磁場。雙勵磁由兩組產(chǎn)生磁場的勵磁繞組組成，分別設(shè)置在工作磁隙的上下兩側(cè)。工作磁隙中的磁場相互疊加，而臺面表面上的磁場相互抵消，所以臺面表面上的磁場非常小。同時，由于雙勵磁磁路縮短，磁阻降低，勵磁效率比單勵磁顯著提高。702研究所的2104系列振動臺、美國LING公司的一些大型振動臺和英國LDS公司的大型振動臺都屬于雙磁場激勵。類似地，雙激勵結(jié)構(gòu)，702的振動臺的上下磁場是不對稱的，而其他振動臺是對稱的。 振動臺的冷卻方式包括自然冷卻、強制風冷、水冷和油冷。自然冷卻僅適用于功率極低的小型激勵器。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，油冷卻方法在新開發(fā)的振動臺中很少見。仍在使用的油冷卻振動臺應(yīng)注意保持油的質(zhì)量和數(shù)量。強制空氣冷卻是一種適用于中小型振動臺的常用冷卻方法。它利用高壓風扇不斷抽出臺體內(nèi)的熱空氣，實現(xiàn)冷卻。這樣冷卻時，驅(qū)動線圈和勵磁線圈結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)備安裝方便，成本低，不會出現(xiàn)水冷臺常見漏水、水路堵塞等故障。但是，高壓風機工作時噪音很大，對操作人員影響很大。空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，水冷臺的繞組用空心漆包線纏繞，冷卻水直接引入空心漆包線進行冷卻，冷卻效率高，噪音小。然而，振動臺結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要更高的冷卻水水質(zhì)、常用蒸餾水或去離子水。在水冷平臺中，英美幾家公司的設(shè)備存在嚴重缺陷，即驅(qū)動線圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理，勵磁線圈的水路不合理。結(jié)構(gòu)經(jīng)常漏水，對水質(zhì)的要求非常高，所以必須經(jīng)常換水。702 #振動臺采用的新型結(jié)構(gòu)并聯(lián)水回路、串聯(lián)回路和水電接頭螺紋連接繞組很好地解決了這些問題。它不要求水質(zhì)太高，水壓低，很少發(fā)生漏水 電動振動臺技術(shù)指標包括額定正弦推力、隨機推力有效值、工作頻率范圍、z大加速度、z大速度、z大位移、運動部件有效質(zhì)量、臺面表面允許直接承載質(zhì)量、臺面表面允許偏轉(zhuǎn)力矩、雜散磁場、加速度波形畸變、臺面表面加速度均勻性和橫向振動比。振動臺的推力指的是其運動部件的質(zhì)量和在質(zhì)量下可以獲得的加速度的乘積，而不是試件的重量。額定正弦推力是運動部件的有效質(zhì)量和z大加速度峰值的乘積。隨機推力的有效值是根據(jù)標準(如ISO5344)中規(guī)定的功率譜密度曲線測試振動臺時，運動部件的有效質(zhì)量和可達到的z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)將在兩個方面達到發(fā)展。一是新材料的應(yīng)用。隨著大型磁性材料的成本為降低，大型永磁振動臺將成為可能。該振動臺結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能、可靠性高。功率放大器將使用更多的數(shù)字和模塊化電路，尺寸越來越小，效率越高。二是新方法的應(yīng)用。隨著有限元法的推廣，可以準確計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力特性，也可以計算復(fù)雜快速的動力特性。因為振動臺的用戶比汽車和其他產(chǎn)品少，所以只能在批量年生產(chǎn)。這方便了不同用戶和不同測試件的特殊設(shè)計，實現(xiàn)了運動部件和夾具的一體化設(shè)計，使每個實驗系統(tǒng)都達到了zui的優(yōu)異性能。

4.水平滑臺 水平滑臺是振動臺水平試驗的輔助裝置，在水平滑臺上安裝大型試件方便。水平滑臺可分為靜軸承支撐型、滾珠軸承支撐型和油膜支撐型，大型滑臺采用油膜和靜軸承關(guān)節(jié)支撐方式。靜軸承支撐的滑臺可以在很低的頻率和很高的頻率之間工作，加速度波形畸變小，抗傾覆力矩和抗扭轉(zhuǎn)力矩大，橫向振動小。但是這種滑臺非常昂貴。滾珠滑臺可用于中頻至高頻。低頻工作時，軸承噪聲應(yīng)疊加在加速度波形上。油膜滑道結(jié)構(gòu)簡單，成本低，低頻波形好，易于實現(xiàn)大行程。然而，它具有較低的傾覆力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及較大的橫向振動。?5.振動試驗夾具 夾具用于將試件牢固地固定在振動臺的臺面表面上，并將振動臺的振動傳遞給試件。其質(zhì)量直接關(guān)系到測試質(zhì)量。然而，目前，測試夾具的重要性通常沒有得到足夠的重視，尤其是在國內(nèi)中。有些測試人員只是憑感覺來設(shè)計夾具，缺乏必要的計算分析和必要的檢查和測試。這種夾具傳遞的振動經(jīng)常有很大的畸變，夾具上各點的振動值變化很大，即均勻性很差。測試頻段存在多階諧振，振動控制非常困難。有些夾具材料選擇不當，質(zhì)量過高，能耗過高。 夾具設(shè)計的原則是，在滿足試件安裝的前提下，夾具應(yīng)具有盡可能低的質(zhì)量和高的剛度，在試驗頻帶內(nèi)不得發(fā)生諧振，諧振次數(shù)應(yīng)盡可能少。鎂和鋁主要用作夾具的材料，因為這兩種金屬比鋼質(zhì)量更低，阻尼特性更好，加工成本更低。小夾子由常用整塊材料制成。大型夾具由焊接和鑄造制成。設(shè)計時，應(yīng) 先定義試驗條件，如正弦和隨機振動能級和公差、正弦掃描頻率范圍、隨機振動功率譜密度曲線、安裝條件、允許加速度不均勻性和橫向振動等。然后計算共振頻率a 綜合環(huán)境測試有三個集成和四個集成。三個集成是指溫度、濕度和振動的綜合測試。702個研究機構(gòu)在20世紀90年代初成功開發(fā)了三個綜合測試系統(tǒng)。三種綜合試驗中使用的振動臺通常具有大的臺面表面，以便一次安裝盡可能多的試件。振動臺與環(huán)境試驗室之間應(yīng)做好密封和隔熱工作。硅橡膠板是常用密封隔熱材料。702研究所目前正在開發(fā)四個綜合測試系統(tǒng)。這四項綜合試驗是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環(huán)境試驗。由于試驗箱需要抽真空，用于四次綜合測試的振動臺必須有自動對中系統(tǒng)，以確保振動臺在負壓作用下不會偏離中心位置。振動臺應(yīng)通過活動部件的延伸段與試驗室連接，并用滾動密封密封，必要時可增加延伸臺以安裝越來越大的試件。三個綜合環(huán)境測試系統(tǒng)更為常見，四個綜合測試系統(tǒng)將在未來的環(huán)境測試中發(fā)揮更大的作用。7.多向振動臺 許多試件，尤其是航空航天和船舶工業(yè)中的試件，位于多自由度而不是單自由度。顯然，目前的常用單向振動臺無法實現(xiàn)真實的振動環(huán)境。為了更真實地模擬振動環(huán)境，在20世紀60年代初，美國開始開發(fā)三向振動臺。到20世紀70年代，已經(jīng)成功地開發(fā)了具有更高工作頻率和更小失真的三向振動系統(tǒng)。在20世紀80年代，702個研究所也開始了這方面的研究。多向振動臺有電動式和液壓式。電動式可實現(xiàn)高工作頻率和低波形失真，液壓式適用于低頻工作，易于實現(xiàn)大激振力。目前，三向和多向振動系統(tǒng)在美國、日本等 廣泛使用，但在中國很少使用。然而，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)勢和較高的工作效率得到推廣。 電子、電氣和材料技術(shù)的進步以及機械設(shè)計方法的改進為發(fā)展振動測試系統(tǒng)提供了機遇。隨著技術(shù)投資的增加，以702為代表的振動測試設(shè)備制造商將為振動測試提供更加可靠、高效和低成本的設(shè)備。