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振动试验系统现状与发展

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  振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏,并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品,尤其是航空航天产品可靠性要求的提高,作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。

  60年代,702所为满足航天产品振动试验的需要,开始了振动试验系统的研制,包括推力10N至100kN的振动台及各种振动测量仪表和传感器。目前,702所的振动试验设备不仅在航天领域而且在其他行业发挥着作用,成为该所的一项重要民品。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类:机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向,即工作台面的运动轨迹来分,可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。从振动台的功能来分,可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。以下笔者对各种振动台,主要对电动振动台,及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。

  1.机械式振动台

  机械式振动台可分为不平衡重块式和凸轮式两类。不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面,激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。这种振动台可以产生正弦振动,其结构简单,成本低,但只能在约5Hz~100Hz的频率范围工作,最大位移为 6mm峰-峰值,最大加速度约10g,不能进行随机振动。

  凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长,激振力随运动部分的质量而变化。这种振动台在低频域内,激振力大时,可以实现很大的位移,如100mm。但这种振动台工作频率仅限于低频,上限频率为20Hz左右。最大加速度为3g左右,加速度波形失真很大。

  机械式振动台由于其性能的局限,今后用量会越来越小。

  2.电液式振动台

  电液式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀,通过油压使传动装置产生振动。这种振动台能产生很大的激振力和位移,如激振力可高达104kN,位移可达2. 5m,而且在很低的频率下可得到很大的激振力。大激振力的液压台比相同推力的电动式振动台价格便宜。电液台的局限性在于其高频性能较差,上限工作频率低,波形失真较大。虽然可以做随机振动,但随机振动激振力的rms额定值只能为正弦额定值的1/3以下。这种振动台因其大推力、大位移可以弥补电动振动台的不足,在未来的振动试验中仍将发挥作用,尤其是在船舶和汽车行业会有一定市场。

  3.电动式振动台

  电动式振动台是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽,小型振动台频率范围为0~10kHz,大型振动台频率范围为0~2kHz;动态范围宽,易于实现自动或手动控制;加速度波形良好,适合产生随机波;可得到很大的加速度。电动式振动台是根据电磁感应原理设计的,当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用,当导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中,当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上,这时振动台就会产生需要的振动波形。

  电动振动台基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置五部分组成。驱动线圈和运动部件是振动台的核心部件,它的一阶共振频率决定着振动台的使用频率范围,由于运动部件结构复杂,一阶共振频率计算非常困难,要靠经验估算,这常常造成设计失误。702所在80年代末首次将有限元方法用于电动振动台运动部件共振频率的计算,不仅提高了计算结果的准确度,而且便于对结构进行优化设计,大大增加了振动台的设计可靠性。

  振动台驱动线圈电流的产生方式有直接式和感应式。直接式就是将放大器输出的电流直接加到驱动线圈上,这种方式是振动台的主流。感应式是将交变电流通入一固定线圈,然后通过感应方式在驱动线圈产生电流。感应式振动台的驱动线圈不需要引出电缆,结构简单,但这种振动台效率相对较低。美国的UD公司的一些振动台采用了这种结构。702所和其他公司的产品采用的是直接式,由于很好地解决了驱动线圈引出电缆问题,其产品更实用。

  振动台的磁场产生方式可分为永磁型和励磁型。永磁型的恒定磁场是由永久磁钢产生的,由于大体积的磁钢制作较困难,目前这种结构只适用于小型振动台。如702所生产的2202型振动台和B&K公司的4808型振动台都属于永磁型。而对于大型振动台则需要在励磁线圈中通以直流电流来产生恒定磁场,这就是励磁型振动台。

  励磁型振动台又可分为单励磁和双励磁。单励磁只有一组励磁线圈,形成一个磁场回路,这种结构励磁效率低、耗电量大、漏磁很大,需要用消磁线圈来保证工作台面有一个低的磁场。双励磁由两套励磁绕组产生磁场,分别置于工作磁隙的上下两侧,在工作磁隙的磁场互相叠加,而在工作台面上的磁场互相抵消,所以工作台面上的磁场就很小。同时由于双励磁磁路缩短,磁阻减小,励磁效率比单励磁有显著提高。702所的2104系列振动台、美国LING和英国LDS的一些大型振动台都属于双磁场励磁。同样是双励磁结构,702所的振动台上下两组磁场是非对称的,而其他的振动台却是对称的。

  振动台的冷却方式有自然冷却、强制风冷、水冷和油冷等几种方式。自然冷却只适用于功率很小的小型激振器。油冷方式由于结构复杂,在新研制的振动台已不多见,现在还在使用的油冷振动台要注意保持油的质量和数量。强制风冷是用于中小型振动台的常用冷却方式,它是利用高压风机将台体内的热空气不断抽出实现冷却的。这种方式冷却时,驱动线圈和励磁线圈的结构比较简单,设备安装方便,成本低,不会出现水冷台常见的漏水、水路堵塞等故障。但高压风机工作时噪音非常大,对操作人员影响很大。风冷的冷却效率相对较低,不适合大型振动台的冷却。水冷是大中型振动台常用的冷却方式,通常水冷台的绕组都是用空心漆包导线绕制的,而把冷却水直接通入空心漆包导线内进行冷却,冷却效率高,而且没有太大的噪音。但振动台结构较复杂,对冷却水的水质要求较高,常用蒸馏水或去离子水。在水冷台中,美、英几家公司的设备存在着严重的缺陷,即驱动线圈引出电缆和水管的结构不合理及励磁线圈水路的不合理,这种结构常出现漏水,而且对水质要求极高,要经常换水。702所的振动台采用的水路并联、电路串联、水电接头都采用螺纹连接的新结构绕组很好的解决了这些问题,它对水质要求不太高,水压低,很少出现漏水现象。

  功率放大器是电动振动台系统的重要组成部分,它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。功率放大器发展到现在已经历了三代,从电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。电子管放大器在新生产的设备中已基本不用,开关式放大器是近几年国外开发出来的,它利用了晶体管的开关特性,管耗很小,效率可高达90%,而普通的线性放大器的效率只有50%左右。正是由于开关放大器本身发热少,它的冷却就非常简单,输出功率几十千伏安的放大器仅用很小的轴流风机就可以冷却下来,使设备的结构简单可靠。而同样的线性放大器必须要用水来冷却,结构复杂。开关式放大器在低功率输出时失真度相对较大,而且机壳需要较好的电磁屏蔽,否则会对周围设备造成电磁干扰。

  电动振动台的技术指标有:额定正弦推力、随机推力有效值、工作频率范围、最大加速度、最大速度、最大位移、运动部件有效质量、工作台面允许直接承载质量、工作台面允许偏载力矩、杂散磁场、加速度波形失真度、工作台面加速度均匀度及横向振动比等。振动台的推力是指其运动部分的质量与在该质量下能达到的加速度的乘积,而不是指试件的重量。额定正弦推力是运动部件有效质量与最大加速度峰值的乘积,随机推力有效值是振动台按标准(如ISO5344)规定的功率谱密度曲线实验时,运动部分有效质量与可达到的最大加速度有效值的乘积。

  电动振动台仍将是未来振动试验的主要设备,其制造技术会在两个方面有所发展。一是新材料的应用,随着大型磁性材料成本的降低,大型的永磁振动台将成为可能,这种振动台结构简单,节约能源,且有高可靠性。功率放大器会采用更多的数字化和模块化的电路,体积越来越小,效率越来越高。二是新方法的应用,随着有限元方法的推广,复杂结构的动力特性可以准确、快速的计算出来。因为振动台跟汽车等产品相比用户是很少的,只能进行小批量生产,这就便于对不同的用户、不同的试件进行专门设计,实现运动部件与夹具的一体化设计,使每一个实验系统都达到最佳性能。

  4.水平滑台

  水平滑台是振动台进行水平试验的辅助设备,在水平滑台上便于安装大型试验件。水平滑台可分为静压轴承支承式、滚珠轴承支承式和油膜支承式,大型滑台则采用了油膜和静压轴承共同支承的方式。静压轴承支承的滑台可在极低的频率到很高的频率之间工作,加速度波形失真度小,抗倾覆力矩及抗扭转力矩高,横向振动小。但这种滑台成本很高,价格昂贵。滚珠轴承滑台可用于中频到高频,在低频工作时,加速度波形上要叠加轴承噪声。油膜滑台结构简单,成本低,在低频域内波形良好,容易实现大行程。但它抗倾覆和扭转力矩低,横向振动较大。

  5.振动试验夹具

  夹具是为把试验件牢固地固定在振动台工作台面上,并把振动台的振动传给试验件,它的质量直接关系着试验的质量。但目前对试验夹具的重要性普遍重视不够,尤其是在国内,一些试验人员仅凭感觉来设计夹具,设计时缺乏必要的计算分析,也没有必要的检验测试。这样的夹具传递的振动往往存在着很大的失真,夹具上各点的振动量值相差很大,也就是均匀度很差。在测试频段内存在多阶共振,振动控制非常困难。有些夹具材料选用不当,质量过大,消耗能量多。

  夹具设计的原则是在满足试件安装的前提下,夹具尽可能有低的质量,高的刚度,在试验频段内尽可能不出现和少出现共振。夹具的材料多采用镁和铝,因为这两种金属比钢的质量小,阻尼特性比钢好,加工成本低。小型夹具通常用整块材料加工而成,大的夹具有用焊接和铸造的方法制作。设计时应首先明确试验条件,如正弦和随机振动能级和允差,正弦扫描的频率范围,随机振动功率谱密度曲线,安装条件,允许的加速度不均匀度及横向振动等。然后计算夹具的共振频率及质量,使之满足试验要求。对于小试件,夹具的共振频率不允许低于1000Hz,同时应达到试件最低频率的3~4倍。夹具加工完成后应进行必要的检验,对于重要和常用的夹具,如转接板、扩展台等,要进行全面的性能测试,以保证试验的正确性。

  6.综合环境试验用振动台系统

  综合环境试验有三综合和四综合,三综合是指温度、湿度和振动的综合试验。702所90年代初在国内率先研制成功了三综合试验系统。用于三综合试验的振动台一般具有较大的工作台面,以便尽可能多的一次性安装试件,要做好振动台与环境试验箱之间的密封和隔热,硅橡胶板是常用的密封隔热材料。702所正在研制四综合实验系统,四综合是指温度、湿度、真空和振动的综合环境试验,由于试验箱内要抽真空,用于四综合的振动台必须有自动对中系统,保证振动台不在负压的作用下偏离中心位置。振动台要通过运动部件的延伸段与试验箱连接,用滚动密封件进行密封,必要时可加装扩展台,以安装较多和较大的试件。三综合环境试验系统已比较多见,四综合试验系统在将来的环境试验中会发挥出更大的作用。

  7.多向振动台

  许多试验件,尤其是航空航天和船舶行业的试验件,所处的振动环境并不是单自由度,而是多自由度的,显然用目前常用的单方向激振的振动台无法实现真实的振动环境。为了更真实的模拟振动环境,在60年代初期,美国就开始了三向振动台的研制,到70年代已成功的研制了工作频率较高、失真度较小的三向振动系统。80年代,702所也开始了这方面的研究。多向振动台有电动式和液压式,电动式可以实现高的工作频率和低的波形失真,而液压式适合于低频工作,容易实现大激振力。目前三向及多向振动系统在美、日等国家应用较多,在我国使用还很少。但随着技术的日益成熟,多向振动台将以其自身的性能优势和高的工作效率得以推广。

  电子、电工及材料技术的提高和机械设计方法的改进,为振动试验系统的发展提供了机遇,以702所为代表的振动试验设备生产厂,随着技术投入的加大,将会为振动试验提供更可靠、高效率、低成本的设备。

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