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(mǎn)足航天產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)的需要,開(kāi)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(lèi):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(lèi)。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,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(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。zui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(chē)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zui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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈,然后通過(guò)感應(yīng)方式在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈產(chǎn)生電流。感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)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(xiàn)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*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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)的,而其他的振動(dòng)臺(tái)卻是對(duì)稱(chēng)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(jiàn),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(xiàn)圈和勵(lì)磁線(xiàn)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(jiàn)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(xiàn)繞制的,而把冷卻水直接通入空心漆包導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)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(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(xiàn)圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理及勵(lì)磁線(xiàn)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*,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(xiàn)性放大器再到數(shù)字式開(kāi)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(kāi)關(guān)式放大器是近幾年國(guó)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(dá)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(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(xiàn)性放大器必須要用水來(lái)冷卻,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開(kāi)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?chē)O(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、zui大加速度、zui大速度、zui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zui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(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí),運(yùn)動(dòng)部分有效質(zhì)量與可達(dá)到的zui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(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(duì)不同的用戶(hù)、不同的試件進(jìn)行專(zhuān)門(mén)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*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(jué)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(méi)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(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(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(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(jì)算夾具的共振頻率及質(zhì)量,使之滿(mǎn)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zui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)行全面的性能測(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)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(jiàn),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(kāi)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(kāi)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、率、低成本的設(shè)備。