振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展
振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展
振動(dòng)試驗(yàn)的目的在于確定所設(shè)計(jì)、制造的機(jī)器、構(gòu)件在運(yùn)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(dá)到預(yù)定壽命的可靠性。隨著對(duì)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(yàn)關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展顯得越來(lái)越重要。
60年代，702所為滿足航天產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)的需要，開始了振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，包括推力10N至100kN的振動(dòng)臺(tái)及各種振動(dòng)測(cè)量?jī)x表和傳感器。目前，702所的振動(dòng)試驗(yàn)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(xiàng)重要民品。用于振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類：機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。從振動(dòng)臺(tái)的激振方向，即工作臺(tái)面的運(yùn)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(tái)系統(tǒng)。從振動(dòng)臺(tái)的功能來(lái)分，可分為單一的正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。以下筆者對(duì)各種振動(dòng)臺(tái)，主要對(duì)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，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(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。
1.機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)
機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)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(shí)產(chǎn)生的離心力來(lái)激振振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，激振力與不平衡力矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。這種振動(dòng)臺(tái)可以產(chǎn)生正弦振動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)。
凸輪式振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的位移取決于凸輪的偏心量和曲軸的臂長(zhǎng)，激振力隨運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量而變化。這種振動(dòng)臺(tái)在低頻域內(nèi)，激振力大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)很大的位移，如100mm。但這種振動(dòng)臺(tái)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(jī)械式振動(dòng)臺(tái)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(tái)
電液式振動(dòng)臺(tái)的工作方式是用小的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)驅(qū)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(tái)能產(chǎn)生很大的激振力和位移，如激振力可高達(dá)104kN，位移可達(dá)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(tái)比相同推力的電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)價(jià)格便宜。電液臺(tái)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(jī)振動(dòng)，但隨機(jī)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(tái)因其大推力、大位移可以彌補(bǔ)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的不足，在未來(lái)的振動(dòng)試驗(yàn)中仍將發(fā)揮作用，尤其是在船舶和汽車行業(yè)會(huì)有一定市場(chǎng)。
3.電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)
電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)是目前使用*廣泛的一種振動(dòng)設(shè)備。它的頻率范圍寬，小型振動(dòng)臺(tái)頻率范圍為0～10kHz，大型振動(dòng)臺(tái)頻率范圍為0～2kHz；動(dòng)態(tài)范圍寬，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)控制；加速度波形良好，適合產(chǎn)生隨機(jī)波；可得到很大的加速度。電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)通電導(dǎo)體處在恒定磁場(chǎng)中將受到力的作用，當(dāng)導(dǎo)體中通以交變電流時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈正式處在一個(gè)高磁感應(yīng)強(qiáng)度的空隙中，當(dāng)需要的振動(dòng)信號(hào)從信號(hào)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(qū)動(dòng)線圈上，這時(shí)振動(dòng)臺(tái)就會(huì)產(chǎn)生需要的振動(dòng)波形。
電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)基本上由驅(qū)動(dòng)線圈及運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)部件懸掛及導(dǎo)向裝置、勵(lì)磁及消磁單元、臺(tái)體及支承裝置五部分組成。驅(qū)動(dòng)線圈和運(yùn)動(dòng)部件是振動(dòng)臺(tái)的核心部件，它的一階共振頻率決定著振動(dòng)臺(tái)的使用頻率范圍，由于運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一階共振頻率計(jì)算非常困難，要靠經(jīng)驗(yàn)估算，這常常造成設(shè)計(jì)失誤。702所在80年代末**將有限元方法用于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件共振頻率的計(jì)算，不僅提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，而且便于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大增加了振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)可靠性。
振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)線圈電流的產(chǎn)生方式有直接式和感應(yīng)式。直接式就是將放大器輸出的電流直接加到驅(qū)動(dòng)線圈上，這種方式是振動(dòng)臺(tái)的主流。感應(yīng)式是將交變電流通入一固定線圈，然后通過(guò)感應(yīng)方式在驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生電流。感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈不需要引出電纜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這種振動(dòng)臺(tái)效率相對(duì)較低。美國(guó)的UD公司的一些振動(dòng)臺(tái)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(dòng)線圈引出電纜問(wèn)題，其產(chǎn)品更實(shí)用。
振動(dòng)臺(tái)的磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵(lì)磁型。永磁型的恒定磁場(chǎng)是由長(zhǎng)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(dòng)臺(tái)。如702所生產(chǎn)的2202型振動(dòng)臺(tái)和B&K公司的4808型振動(dòng)臺(tái)都屬于永磁型。而對(duì)于大型振動(dòng)臺(tái)則需要在勵(lì)磁線圈中通以直流電流來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，這就是勵(lì)磁型振動(dòng)臺(tái)。
勵(lì)磁型振動(dòng)臺(tái)又可分為單勵(lì)磁和雙勵(lì)磁。單勵(lì)磁只有一組勵(lì)磁線圈，形成一個(gè)磁場(chǎng)回路，這種結(jié)構(gòu)勵(lì)磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁線圈來(lái)保證工作臺(tái)面有一個(gè)低的磁場(chǎng)。雙勵(lì)磁由兩套勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，分別置于工作磁隙的上下兩側(cè)，在工作磁隙的磁場(chǎng)互相疊加，而在工作臺(tái)面上的磁場(chǎng)互相抵消，所以工作臺(tái)面上的磁場(chǎng)就很小。同時(shí)由于雙勵(lì)磁磁路縮短，磁阻減小，勵(lì)磁效率比單勵(lì)磁有顯著提高。702所的2104系列振動(dòng)臺(tái)、美國(guó)LING和英國(guó)LDS的一些大型振動(dòng)臺(tái)都屬于雙磁場(chǎng)勵(lì)磁。同樣是雙勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，702所的振動(dòng)臺(tái)上下兩組磁場(chǎng)是非對(duì)稱的，而其他的振動(dòng)臺(tái)卻是對(duì)稱的。
振動(dòng)臺(tái)的冷卻方式有自然冷卻、強(qiáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，在新研制的振動(dòng)臺(tái)已不多見，現(xiàn)在還在使用的油冷振動(dòng)臺(tái)要注意保持油的質(zhì)量和數(shù)量。強(qiáng)制風(fēng)冷是用于中小型振動(dòng)臺(tái)的常用冷卻方式，它是利用高壓風(fēng)機(jī)將臺(tái)體內(nèi)的熱空氣不斷抽出實(shí)現(xiàn)冷卻的。這種方式冷卻時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈和勵(lì)磁線圈的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備安裝方便，成本低，不會(huì)出現(xiàn)水冷臺(tái)常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風(fēng)機(jī)工作時(shí)噪音非常大，對(duì)操作人員影響很大。風(fēng)冷的冷卻效率相對(duì)較低，不適合大型振動(dòng)臺(tái)的冷卻。水冷是大中型振動(dòng)臺(tái)常用的冷卻方式，通常水冷臺(tái)的繞組都是用空心漆包導(dǎo)線繞制的，而把冷卻水直接通入空心漆包導(dǎo)線內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的噪音。但振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)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(tái)中，美、英幾家公司的設(shè)備存在著嚴(yán)重的缺陷，即驅(qū)動(dòng)線圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理及勵(lì)磁線圈水路的不合理，這種結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)漏水，而且對(duì)水質(zhì)要求極高，要經(jīng)常換水。702所的振動(dòng)臺(tái)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(wèn)題，它對(duì)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(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的重要組成部分，它本身的性能和與振動(dòng)臺(tái)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(guó)外開發(fā)出來(lái)的，它利用了晶體管的開關(guān)特性，管耗很小，效率可高達(dá)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(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(jī)就可以冷卻下來(lái)，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來(lái)冷卻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開關(guān)式放大器在低功率輸出時(shí)失真度相對(duì)較大，而且機(jī)殼需要較好的電磁屏蔽，否則會(huì)對(duì)周圍設(shè)備造成電磁干擾。
電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)有：額定正弦推力、隨機(jī)推力有效值、工作頻率范圍、*大加速度、*大速度、*大位移、運(yùn)動(dòng)部件有效質(zhì)量、工作臺(tái)面允許直接承載質(zhì)量、工作臺(tái)面允許偏載力矩、雜散磁場(chǎng)、加速度波形失真度、工作臺(tái)面加速度均勻度及橫向振動(dòng)比等。振動(dòng)臺(tái)的推力是指其運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量與在該質(zhì)量下能達(dá)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(yùn)動(dòng)部件有效質(zhì)量與*大加速度峰值的乘積，隨機(jī)推力有效值是振動(dòng)臺(tái)按標(biāo)準(zhǔn)(如ISO5344)規(guī)定的功率譜密度曲線實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部分有效質(zhì)量與可達(dá)到的*大加速度有效值的乘積。
電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)仍將是未來(lái)振動(dòng)試驗(yàn)的主要設(shè)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(yīng)用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動(dòng)臺(tái)將成為可能，這種振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，且有高可靠性。功率放大器會(huì)采用更多的數(shù)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(yīng)用，隨著有限元方法的推廣，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可以準(zhǔn)確、快速的計(jì)算出來(lái)。因?yàn)檎駝?dòng)臺(tái)跟汽車等產(chǎn)品相比用戶是很少的，只能進(jìn)行小批量生產(chǎn)，這就便于對(duì)不同的用戶、不同的試件進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件與夾具的一體化設(shè)計(jì)，使每一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都達(dá)到*佳性能。
4.水平滑臺(tái)
水平滑臺(tái)是振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行水平試驗(yàn)的輔助設(shè)備，在水平滑臺(tái)上便于安裝大型試驗(yàn)件。水平滑臺(tái)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(tái)則采用了油膜和靜**承共同支承的方式。靜**承支承的滑臺(tái)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(dòng)小。但這種滑臺(tái)成本很高，價(jià)格昂貴。滾珠軸承滑臺(tái)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(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在低頻域內(nèi)波形良好，容易實(shí)現(xiàn)大行程。但它抗傾覆和扭轉(zhuǎn)力矩低，橫向振動(dòng)較大。
5.振動(dòng)試驗(yàn)夾具
夾具是為把試驗(yàn)件牢固地固定在振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面上，并把振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)傳給試驗(yàn)件，它的質(zhì)量直接關(guān)系著試驗(yàn)的質(zhì)量。但目前對(duì)試驗(yàn)夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國(guó)內(nèi)，一些試驗(yàn)人員僅憑感覺來(lái)設(shè)計(jì)夾具，設(shè)計(jì)時(shí)缺乏必要的計(jì)算分析，也沒有必要的檢驗(yàn)測(cè)試。這樣的夾具傳遞的振動(dòng)往往存在著很大的失真，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(cè)試頻段內(nèi)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(dāng)，質(zhì)量過(guò)大，消耗能量多。
夾具設(shè)計(jì)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(yàn)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?yàn)檫@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(jì)時(shí)應(yīng)首先明確試驗(yàn)條件，如正弦和隨機(jī)振動(dòng)能級(jí)和允差，正弦掃描的頻率范圍，隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)等。然后計(jì)算夾具的共振頻率及質(zhì)量，使之滿足試驗(yàn)要求。對(duì)于小試件，夾具的共振頻率不允許低于1000Hz，同時(shí)應(yīng)達(dá)到試件*低頻率的3～4倍。夾具加工完成后應(yīng)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，對(duì)于重要和常用的夾具，如轉(zhuǎn)接板、擴(kuò)展臺(tái)等，要進(jìn)行**的性能測(cè)試，以保證試驗(yàn)的正確性。
6.綜合環(huán)境試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)
綜合環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)。702所90年代初在國(guó)內(nèi)率先研制成功了三綜合試驗(yàn)系統(tǒng)。用于三綜合試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)一般具有較大的工作臺(tái)面，以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動(dòng)臺(tái)與環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動(dòng)的綜合環(huán)境試驗(yàn)，由于試驗(yàn)箱內(nèi)要抽真空，用于四綜合的振動(dòng)臺(tái)必須有自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)，保證振動(dòng)臺(tái)不在負(fù)壓的作用下偏離中心位置。振動(dòng)臺(tái)要通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件的延伸段與試驗(yàn)箱連接，用滾動(dòng)密封件進(jìn)行密封，必要時(shí)可加裝擴(kuò)展臺(tái)，以安裝較多和較大的試件。三綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)已比較多見，四綜合試驗(yàn)系統(tǒng)在將來(lái)的環(huán)境試驗(yàn)中會(huì)發(fā)揮出更大的作用。
7.多向振動(dòng)臺(tái)
許多試驗(yàn)件，尤其是航空航天和船舶行業(yè)的試驗(yàn)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(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(guó)就開始了三向振動(dòng)臺(tái)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(tǒng)。80年代，702所也開始了這方面的研究。多向振動(dòng)臺(tái)有電動(dòng)式和液壓式，電動(dòng)式可以實(shí)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(shí)現(xiàn)大激振力。目前三向及多向振動(dòng)系統(tǒng)在美、日等國(guó)家應(yīng)用較多，在我國(guó)使用還很少。但隨著技術(shù)的日益成熟，多向振動(dòng)臺(tái)將以其自身的性能優(yōu)勢(shì)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(jī)械設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，為振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展提供了機(jī)遇，以702所為代表的振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠，隨著技術(shù)投入的加大，將會(huì)為振動(dòng)試驗(yàn)提供更可靠、高效率、低成本的設(shè)備。
