振動(dòng)試驗機的現狀與發(fā)展

振動(dòng)試驗的目的在于確定所設計、制造的機器、構件在運輸和使用過(guò)程中承受外來(lái)振動(dòng)或者自身產(chǎn)生的振動(dòng)而不至破壞，并發(fā)揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著(zhù)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)鍵設備的振動(dòng)試驗系統的發(fā)展顯得越來(lái)越重要。
60年代，702所為滿(mǎn)足航天產(chǎn)品振動(dòng)試驗的需要，開(kāi)始了振動(dòng)試驗系統的研制，包括推力10N至100kN的振動(dòng)臺及各種振動(dòng)測量?jì)x表和傳感器。目前，702所的振動(dòng)試驗設備不僅在航天領(lǐng)域而且在其他行業(yè)發(fā)揮著(zhù)作用，成為該所的一項重要民品。用于振動(dòng)試驗的振動(dòng)臺系統從其激振方式上可分為三類(lèi)：機械式振動(dòng)臺、電液式振動(dòng)臺和電動(dòng)式振動(dòng)臺。從振動(dòng)臺的激振方向，即工作臺面的運動(dòng)軌跡來(lái)分，可分為單向（單自由度）和多向（多自由度）振動(dòng)臺系統。從振動(dòng)臺的功能來(lái)分，可分為單一的正弦振動(dòng)試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動(dòng)試驗和沖擊試驗的振動(dòng)臺系統。以下筆者對各種振動(dòng)臺，主要對電動(dòng)振動(dòng)臺，及其輔助設備的結構、性能和成本的現狀及發(fā)展等進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。
     1.機械式振動(dòng)臺
機械式振動(dòng)臺可分為不平衡重塊式和凸輪式兩類(lèi)。不平衡重塊式是以不平衡重塊旋轉時(shí)產(chǎn)生的離心力來(lái)激振振動(dòng)臺臺面，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。這種振動(dòng)臺可以產(chǎn)生正弦振動(dòng)，其結構簡(jiǎn)單，成本低，但只能在約5Hz～100Hz的頻率范圍工作，zui大位移為 6mm峰-峰值，zui大加速度約10g，不能進(jìn)行隨機振動(dòng)。
　　凸輪式振動(dòng)臺運動(dòng)部分的位移取決于凸輪的偏心量和曲軸的臂長(cháng)，激振力隨運動(dòng)部分的質(zhì)量而變化。這種振動(dòng)臺在低頻域內，激振力大時(shí)，可以實(shí)現很大的位移，如100mm。但這種振動(dòng)臺工作頻率于低頻，上限頻率為20Hz左右。zui大加速度為3g左右，加速度波形失真很大。
機械式振動(dòng)臺由于其性能的局限，今后用量會(huì )越來(lái)越小。
　　2.電液式振動(dòng)臺
電液式振動(dòng)臺的工作方式是用小的電動(dòng)振動(dòng)臺驅動(dòng)可控制的伺服閥，通過(guò)油壓使傳動(dòng)裝置產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)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(dòng)式振動(dòng)臺價(jià)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(dòng)，但隨機振動(dòng)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(dòng)臺因其大推力、大位移可以彌補電動(dòng)振動(dòng)臺的不足，在未來(lái)的振動(dòng)試驗中仍將發(fā)揮作用，尤其是在船舶和汽車(chē)行業(yè)會(huì )有一定市場(chǎng)。
　　3.電動(dòng)式振動(dòng)臺
　　電動(dòng)式振動(dòng)臺是目前使用zui廣泛的一種振動(dòng)設備。它的頻率范圍寬，小型振動(dòng)臺頻率范圍為0～10kHz，大型振動(dòng)臺頻率范圍為0～2kHz；動(dòng)態(tài)范圍寬，易于實(shí)現自動(dòng)或手動(dòng)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(dòng)式振動(dòng)臺是根據電磁感應原理設計的，當通電導體處在恒定磁場(chǎng)中將受到力的作用，當導體中通以交變電流時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)臺的驅動(dòng)線(xiàn)圈正式處在一個(gè)高磁感應強度的空隙中，當需要的振動(dòng)信號從信號發(fā)生器或振動(dòng)控制儀產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大后通到驅動(dòng)線(xiàn)圈上，這時(shí)振動(dòng)臺就會(huì )產(chǎn)生需要的振動(dòng)波形。
　　電動(dòng)振動(dòng)臺基本上由驅動(dòng)線(xiàn)圈及運動(dòng)部件、運動(dòng)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。驅動(dòng)線(xiàn)圈和運動(dòng)部件是振動(dòng)臺的核心部件，它的一階共振頻率決定著(zhù)振動(dòng)臺的使用頻率范圍，由于運動(dòng)部件結構復雜，一階共振頻率計算非常困難，要靠經(jīng)驗估算，這常常造成設計失誤。702所在80年代末將有限元方法用于電動(dòng)振動(dòng)臺運動(dòng)部件共振頻率的計算，不僅提高了計算結果的準確度，而且便于對結構進(jìn)行優(yōu)化設計，大大增加了振動(dòng)臺的設計可靠性。
振動(dòng)臺驅動(dòng)線(xiàn)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動(dòng)線(xiàn)圈上，這種方式是振動(dòng)臺的主流。感應式是將交變電流通入一固定線(xiàn)圈，然后通過(guò)感應方式在驅動(dòng)線(xiàn)圈產(chǎn)生電流。感應式振動(dòng)臺的驅動(dòng)線(xiàn)圈不需要引出電纜，結構簡(jiǎn)單，但這種振動(dòng)臺效率相對較低。美國的UD公司的一些振動(dòng)臺采用了這種結構。702所和其他公司的產(chǎn)品采用的是直接式，由于很好地解決了驅動(dòng)線(xiàn)圈引出電纜問(wèn)題，其產(chǎn)品更實(shí)用。
　　振動(dòng)臺的磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場(chǎng)是由*磁鋼產(chǎn)生的，由于大體積的磁鋼制作較困難，目前這種結構只適用于小型振動(dòng)臺。如702所生產(chǎn)的2202型振動(dòng)臺和B&K公司的4808型振動(dòng)臺都屬于永磁型。而對于大型振動(dòng)臺則需要在勵磁線(xiàn)圈中通以直流電流來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，這就是勵磁型振動(dòng)臺。
勵磁型振動(dòng)臺又可分為單勵磁和雙勵磁。單勵磁只有一組勵磁線(xiàn)圈，形成一個(gè)磁場(chǎng)回路，這種結構勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁線(xiàn)圈來(lái)保證工作臺面有一個(gè)低的磁場(chǎng)。雙勵磁由兩套勵磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，分別置于工作磁隙的上下兩側，在工作磁隙的磁場(chǎng)互相疊加，而在工作臺面上的磁場(chǎng)互相抵消，所以工作臺面上的磁場(chǎng)就很小。同時(shí)由于雙勵磁磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁有顯著(zhù)提高。702所的2104系列振動(dòng)臺、美國LING和英國LDS的一些大型振動(dòng)臺都屬于雙磁場(chǎng)勵磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動(dòng)臺上下兩組磁場(chǎng)是非對稱(chēng)的，而其他的振動(dòng)臺卻是對稱(chēng)的。
　　振動(dòng)臺的冷卻方式有自然冷卻、強制風(fēng)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。油冷方式由于結構復雜，在新研制的振動(dòng)臺已不多見(jiàn)，現在還在使用的油冷振動(dòng)臺要注意保持油的質(zhì)量和數量。強制風(fēng)冷是用于中小型振動(dòng)臺的常用冷卻方式，它是利用高壓風(fēng)機將臺體內的熱空氣不斷抽出實(shí)現冷卻的。這種方式冷卻時(shí)，驅動(dòng)線(xiàn)圈和勵磁線(xiàn)圈的結構比較簡(jiǎn)單，設備安裝方便，成本低，不會(huì )出現水冷臺常見(jiàn)的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風(fēng)機工作時(shí)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，不適合大型振動(dòng)臺的冷卻。水冷是大中型振動(dòng)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(xiàn)繞制的，而把冷卻水直接通入空心漆包導線(xiàn)內進(jìn)行冷卻，冷卻效率高，而且沒(méi)有太大的噪音。但振動(dòng)臺結構較復雜，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、英幾家公司的設備存在著(zhù)嚴重的缺陷，即驅動(dòng)線(xiàn)圈引出電纜和水管的結構不合理及勵磁線(xiàn)圈水路的不合理，這種結構常出現漏水，而且對水質(zhì)要求*，要經(jīng)常換水。702所的振動(dòng)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構繞組很好的解決了這些問(wèn)題，它對水質(zhì)要求不太高，水壓低，很少出現漏水現象。
　　功率放大器是電動(dòng)振動(dòng)臺系統的重要組成部分，它本身的性能和與振動(dòng)臺的匹配狀況直接關(guān)系著(zhù)系統的性能。功率放大器發(fā)展到現在已經(jīng)歷了三代，從電子管放大器到晶體管線(xiàn)性放大器再到數字式開(kāi)關(guān)放大器。電子管放大器在新生產(chǎn)的設備中已基本不用，開(kāi)關(guān)式放大器是近幾年國外開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它利用了晶體管的開(kāi)關(guān)特性，管耗很小，效率可高達90%，而普通的線(xiàn)性放大器的效率只有50%左右。正是由于開(kāi)關(guān)放大器本身發(fā)熱少，它的冷卻就非常簡(jiǎn)單，輸出功率幾十千伏安的放大器僅用很小的軸流風(fēng)機就可以冷卻下來(lái)，使設備的結構簡(jiǎn)單可靠。而同樣的線(xiàn)性放大器必須要用水來(lái)冷卻，結構復雜。開(kāi)關(guān)式放大器在低功率輸出時(shí)失真度相對較大，而且機殼需要較好的電磁屏蔽，否則會(huì )對周?chē)O備造成電磁干擾。
　　電動(dòng)振動(dòng)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、zui大加速度、zui大速度、zui大位移、運動(dòng)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(chǎng)、加速度波形失真度、工作臺面加速度均勻度及橫向振動(dòng)比等。振動(dòng)臺的推力是指其運動(dòng)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(dòng)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(dòng)臺按標準（如ISO5344）規定的功率譜密度曲線(xiàn)實(shí)驗時(shí)，運動(dòng)部分有效質(zhì)量與可達到的zui大加速度有效值的乘積。
　　電動(dòng)振動(dòng)臺仍將是未來(lái)振動(dòng)試驗的主要設備，其制造技術(shù)會(huì )在兩個(gè)方面有所發(fā)展。一是新材料的應用，隨著(zhù)大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動(dòng)臺將成為可能，這種振動(dòng)臺結構簡(jiǎn)單，節約能源，且有高可靠性。功率放大器會(huì )采用更多的數字化和模塊化的電路，體積越來(lái)越小，效率越來(lái)越高。二是新方法的應用，隨著(zhù)有限元方法的推廣，復雜結構的動(dòng)力特性可以準確、快速的計算出來(lái)。因為振動(dòng)臺跟汽車(chē)等產(chǎn)品相比用戶(hù)是很少的，只能進(jìn)行小批量生產(chǎn)，這就便于對不同的用戶(hù)、不同的試件進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計，實(shí)現運動(dòng)部件與夾具的一體化設計，使每一個(gè)實(shí)驗系統都達到*性能。
4.水平滑臺
　　　水平滑臺是振動(dòng)臺進(jìn)行水平試驗的輔助設備，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力矩高，橫向振動(dòng)小。但這種滑臺成本很高，價(jià)格昂貴。滾珠軸承滑臺可用于中頻到高頻，在低頻工作時(shí)，加速度波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑臺結構簡(jiǎn)單，成本低，在低頻域內波形良好，容易實(shí)現大行程。但它抗傾覆和扭轉力矩低，橫向振動(dòng)較大。
　　　　5.振動(dòng)試驗夾具
　　夾具是為把試驗件牢固地固定在振動(dòng)臺工作臺面上，并把振動(dòng)臺的振動(dòng)傳給試驗件，它的質(zhì)量直接關(guān)系著(zhù)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，一些試驗人員僅憑感覺(jué)來(lái)設計夾具，設計時(shí)缺乏必要的計算分析，也沒(méi)有必要的檢驗測試。這樣的夾具傳遞的振動(dòng)往往存在著(zhù)很大的失真，夾具上各點(diǎn)的振動(dòng)量值相差很大，也就是均勻度很差。在測試頻段內存在多階共振，振動(dòng)控制非常困難。有些夾具材料選用不當，質(zhì)量過(guò)大，消耗能量多。
　　夾具設計的原則是在滿(mǎn)足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的質(zhì)量，高的剛度，在試驗頻段內盡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。設計時(shí)應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動(dòng)能級和允差，正弦掃描的頻率范圍，隨機振動(dòng)功率譜密度曲線(xiàn)，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動(dòng)等。然后計算夾具的共振頻率及質(zhì)量，使之滿(mǎn)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(shí)應達到試件zui低頻率的3～4倍。夾具加工完成后應進(jìn)行必要的檢驗，對于重要和常用的夾具，如轉接板、擴展臺等，要進(jìn)行全面的性能測試，以保證試驗的正確性。
　　6.綜合環(huán)境試驗用振動(dòng)臺系統
　　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年代初在國內研制成功了三綜合試驗系統。用于三綜合試驗的振動(dòng)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(dòng)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(shí)驗系統，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動(dòng)的綜合環(huán)境試驗，由于試驗箱內要抽真空，用于四綜合的振動(dòng)臺必須有自動(dòng)對中系統，保證振動(dòng)臺不在負壓的作用下偏離中心位置。振動(dòng)臺要通過(guò)運動(dòng)部件的延伸段與試驗箱連接，用滾動(dòng)密封件進(jìn)行密封，必要時(shí)可加裝擴展臺，以安裝較多和較大的試件。三綜合環(huán)境試驗系統已比較多見(jiàn)，四綜合試驗系統在將來(lái)的環(huán)境試驗中會(huì )發(fā)揮出更大的作用。
　　7.多向振動(dòng)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(dòng)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(dòng)臺無(wú)法實(shí)現真實(shí)的振動(dòng)環(huán)境。為了更真實(shí)的模擬振動(dòng)環(huán)境，在60年代初期，美國就開(kāi)始了三向振動(dòng)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(dòng)系統。80年代，702所也開(kāi)始了這方面的研究。多向振動(dòng)臺有電動(dòng)式和液壓式，電動(dòng)式可以實(shí)現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(shí)現大激振力。目前三向及多向振動(dòng)系統在美、日等國家應用較多，在我國使用還很少。但隨著(zhù)技術(shù)的日益成熟，多向振動(dòng)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)的提高和機械設計方法的改進(jìn)，為振動(dòng)試驗系統的發(fā)展提供了機遇，以702所為代表的振動(dòng)試驗設備生產(chǎn)廠(chǎng)，隨著(zhù)技術(shù)投入的加大，將會(huì )為振動(dòng)試驗提供更可靠、率、低成本的設備。