振動測試系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

? 振動試驗(yàn)旨在確保設(shè)計(jì)和制造的機(jī)器和部件在運(yùn)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(dá)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(jì)60年代，為了滿足航空航天產(chǎn)品振動試驗(yàn)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(yàn)振動臺系統(tǒng)根據(jù)其激勵方式可分為三種類型:機(jī)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(yùn)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(shí)驗(yàn)臺和振動臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。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(jī)械式振動臺機(jī)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(jìn)行隨機(jī)振動。 凸輪式振動臺運(yùn)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(yùn)動部件的質(zhì)量而變化。當(dāng)激振力在低頻范圍較大時，這種振動臺可以實(shí)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(jī)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(dá)到104kN，位移可以達(dá)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(jī)振動，但隨機(jī)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(bǔ)電動振動臺的不足，在未來的振動試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自動或手動控制；加速度波形良好，適合產(chǎn)生隨機(jī)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(jì)的。當(dāng)帶電導(dǎo)體處于恒定磁場中時，它將受到力的作用，當(dāng)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(shí)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(qiáng)制風(fēng)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(qiáng)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(fēng)扇不斷抽出臺體內(nèi)的熱空氣，實(shí)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(fēng)機(jī)工作時噪音很大，對操作人員影響很大?？绽涞睦鋮s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(jìn)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(yán)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(biāo)包括額定正弦推力、隨機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動部件的有效質(zhì)量和z大加速度峰值的乘積。隨機(jī)推力的有效值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(如ISO5344)中規(guī)定的功率譜密度曲線測試振動臺時，運(yùn)動部件的有效質(zhì)量和可達(dá)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(yàn)的主要設(shè)備，其制造技術(shù)將在兩個方面達(dá)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(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力特性，也可以計(jì)算復(fù)雜快速的動力特性。因?yàn)檎駝优_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(jì)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動部件和夾具的一體化設(shè)計(jì)，使每個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都達(dá)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(jì)夾具，缺乏必要的計(jì)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(diǎn)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(dāng)，質(zhì)量過高，能耗過高。 夾具設(shè)計(jì)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(yàn)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?yàn)檫@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(jì)時，應(yīng) 先定義試驗(yàn)條件，如正弦和隨機(jī)振動能級和公差、正弦掃描頻率范圍、隨機(jī)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(jì)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(jī)構(gòu)在20世紀(jì)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(yàn)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(yàn)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(xiàng)綜合試驗(yàn)是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環(huán)境試驗(yàn)。由于試驗(yàn)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(fù)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(yàn)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(shí)現(xiàn)真實(shí)的振動環(huán)境。為了更真實(shí)地模擬振動環(huán)境，在20世紀(jì)60年代初，美國開始開發(fā)三向振動臺。到20世紀(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(jìn)步以及機(jī)械設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)為發(fā)展振動測試系統(tǒng)提供了機(jī)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。