振动测试系统现状及发展

  振动试验旨在确保设计和制造的机器和部件在运输和使用过程中不受外部振动或自生振动的损坏，并充分发挥其性能和达到预定使用寿命的可靠性。随着对产品尤其是航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性测试关键设备的发展振动测试系统变得越来越重要。 20世纪60年代，为了满足航空航天产品振动试验的需求，702研究所开始开发振动测试系统，包括推力为10N-100 kN的振动台和各种振动测量米的传感器。目前，702研究所的振动测试设备不仅在航天领域发挥作用，而且在其他行业也发挥作用，已成为研究所的重要民用产品。振动试验振动台系统根据其激励方式可分为三种类型:机械振动台、电液振动台和电动振动台。根据振动台的激励方向，即台面表面的运动轨迹，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。根据振动台的功能，可以将其分为单个正弦振动实验台和振动台系统，该系统可以完成正弦、随机、正弦加随机振动试验和冲击试验。在下文中，笔者简要论述了各种振动台，主要是结构电动振动台及其辅助设备、性能和成本现状、发展等。    1.机械式振动台机械振动台可分为两种类型:不平衡配重型和凸轮型。不平衡配重型利用不平衡配重旋转时产生的离心力来激励振动台台面，激振力与力矩和转速的平方成正比。振动台可以产生正弦振动，结构简单，成本低，但只能在约5Hz至100 Hz的频率范围内工作。zui大位移为6mm峰峰值，zui大加速度约10g，不能进行随机振动。 凸轮式振动台运动部件的位移取决于凸轮的偏心率和曲轴的臂长，激振力随运动部件的质量而变化。当激振力在低频范围较大时，这种振动台可以实现100毫米的大位移。然而，振动台的工作频率为低频，上限频率约为20Hz。Zui的大加速度约为3g，加速度波形失真非常大。 由于其有限的性能，机械振动台将在未来越来越少的使用。 2.电液振动台 电液振动台的工作方式是用小型电动振动台驱动可控伺服阀，传动装置通过油压产生振动。这种振动台可以产生很大的激振力和位移，例如激振力可以达到104kN，位移可以达到2。5m，并且可以在非常低的频率下获得大的激励力。激振力大的液压振动台比推力相同的电动振动台便宜。电液工作台的局限性在于高频性能差、工作频率上限低、波形失真大。虽然可以产生随机振动，但随机振动激励力的均方根额定值只能小于正弦额定值的1/3。由于推力大、位移大，这种振动台可以弥补电动振动台的不足，在未来的振动试验中，特别是在船舶和汽车行业，仍然会发挥作用。 3.电动摇床 电动振动台是目前在嘴广泛使用的一种振动设备。其频率范围广，小型振动台的频率范围为0-10khz，大型振动台的频率范围为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。可以获得更大的加速度。电动振动台是根据电磁感应原理设计的。当带电导体处于恒定磁场中时，它将受到力的作用，当导体被提供交流电时，它将产生 有直接和感应模式用于产生振动台驱动线圈的电流。直接型是将放大器输出的电流直接施加到驱动线圈，驱动线圈是振动台的主流。感应型是指交流电流流入固定线圈，然后通过感应在驱动线圈中产生电流。感应振动台的驱动线圈不需要引出电缆，结构简单，但振动台的效率相对较低。美国UD公司的一些摇表采用了结构。702研究所和其他公司的产品是直接型的。由于从驱动线圈中抽出电缆的问题得到了很好的解决，其产品更加实用。 振动台的磁场产生方式可分为永磁型和励磁型。永磁型恒定磁场由*磁钢产生。由于制造大体积磁钢的困难，结构目前仅适用于小型振动台。例如，702生产的2202振动台和BK生产的4808振动台都是永磁型的。另一方面，对于大型振动台，需要DC电流在激励线圈中产生恒定磁场，这就是激励型振动台。 激振振动台可分为单激振和双激振。单个激励只有一组激励线圈来形成磁场回路。该结构励磁效率低、功耗大、漏磁大。需要消磁线圈来确保台面上的低磁场。双励磁由两组产生磁场的励磁绕组组成，分别设置在工作磁隙的上下两侧。工作磁隙中的磁场相互叠加，而台面表面上的磁场相互抵消，所以台面表面上的磁场非常小。同时，由于双励磁磁路缩短，磁阻降低，励磁效率比单励磁显著提高。702研究所的2104系列振动台、美国LING公司的一些大型振动台和英国LDS公司的大型振动台都属于双磁场激励。类似地，双激励结构，702的振动台的上下磁场是不对称的，而其他振动台是对称的。 振动台的冷却方式包括自然冷却、强制风冷、水冷和油冷。自然冷却仅适用于功率极低的小型激励器。由于结构的复杂性，油冷却方法在新开发的振动台中很少见。仍在使用的油冷却振动台应注意保持油的质量和数量。强制空气冷却是一种适用于中小型振动台的常用冷却方法。它利用高压风扇不断抽出台体内的热空气，实现冷却。这样冷却时，驱动线圈和励磁线圈结构相对简单，设备安装方便，成本低，不会出现水冷台常见漏水、水路堵塞等故障。但是，高压风机工作时噪音很大，对操作人员影响很大。空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，水冷台的绕组用空心漆包线缠绕，冷却水直接引入空心漆包线进行冷却，冷却效率高，噪音小。然而，振动台结构更复杂，需要更高的冷却水水质、常用蒸馏水或去离子水。在水冷平台中，英美几家公司的设备存在严重缺陷，即驱动线圈引出电缆和水管的结构不合理，励磁线圈的水路不合理。结构经常漏水，对水质的要求非常高，所以必须经常换水。702 #振动台采用的新型结构并联水回路、串联回路和水电接头螺纹连接绕组很好地解决了这些问题。它不要求水质太高，水压低，很少发生漏水 电动振动台技术指标包括额定正弦推力、随机推力有效值、工作频率范围、z大加速度、z大速度、z大位移、运动部件有效质量、台面表面允许直接承载质量、台面表面允许偏转力矩、杂散磁场、加速度波形畸变、台面表面加速度均匀性和横向振动比。振动台的推力指的是其运动部件的质量和在质量下可以获得的加速度的乘积，而不是试件的重量。额定正弦推力是运动部件的有效质量和z大加速度峰值的乘积。随机推力的有效值是根据标准(如ISO5344)中规定的功率谱密度曲线测试振动台时，运动部件的有效质量和可达到的z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，其制造技术将在两个方面达到发展。一是新材料的应用。随着大型磁性材料的成本为降低，大型永磁振动台将成为可能。该振动台结构简单、节能、可靠性高。功率放大器将使用更多的数字和模块化电路，尺寸越来越小，效率越高。二是新方法的应用。随着有限元法的推广，可以准确计算复杂结构的动力特性，也可以计算复杂快速的动力特性。因为振动台的用户比汽车和其他产品少，所以只能在批量年生产。这方便了不同用户和不同测试件的特殊设计，实现了运动部件和夹具的一体化设计，使每个实验系统都达到了zui的优异性能。

4.水平滑台 水平滑台是振动台水平试验的辅助装置，在水平滑台上安装大型试件方便。水平滑台可分为静轴承支撑型、滚珠轴承支撑型和油膜支撑型，大型滑台采用油膜和静轴承关节支撑方式。静轴承支撑的滑台可以在很低的频率和很高的频率之间工作，加速度波形畸变小，抗倾覆力矩和抗扭转力矩大，横向振动小。但是这种滑台非常昂贵。滚珠滑台可用于中频至高频。低频工作时，轴承噪声应叠加在加速度波形上。油膜滑道结构简单，成本低，低频波形好，易于实现大行程。然而，它具有较低的倾覆力矩和扭转力矩以及较大的横向振动。 5.振动试验夹具 夹具用于将试件牢固地固定在振动台的台面表面上，并将振动台的振动传递给试件。其质量直接关系到测试质量。然而，目前，测试夹具的重要性通常没有得到足够的重视，尤其是在国内中。有些测试人员只是凭感觉来设计夹具，缺乏必要的计算分析和必要的检查和测试。这种夹具传递的振动经常有很大的畸变，夹具上各点的振动值变化很大，即均匀性很差。测试频段存在多阶谐振，振动控制非常困难。有些夹具材料选择不当，质量过高，能耗过高。 夹具设计的原则是，在满足试件安装的前提下，夹具应具有尽可能低的质量和高的刚度，在试验频带内不得发生谐振，谐振次数应尽可能少。镁和铝主要用作夹具的材料，因为这两种金属比钢质量更低，阻尼特性更好，加工成本更低。小夹子由常用整块材料制成。大型夹具由焊接和铸造制成。设计时，应 先定义试验条件，如正弦和随机振动能级和公差、正弦扫描频率范围、随机振动功率谱密度曲线、安装条件、允许加速度不均匀性和横向振动等。然后计算共振频率a 综合环境测试有三个集成和四个集成。三个集成是指温度、湿度和振动的综合测试。702个研究机构在20世纪90年代初成功开发了三个综合测试系统。三种综合试验中使用的振动台通常具有大的台面表面，以便一次安装尽可能多的试件。振动台与环境试验室之间应做好密封和隔热工作。硅橡胶板是常用密封隔热材料。702研究所目前正在开发四个综合测试系统。这四项综合试验是指温度、湿度、真空和振动的综合环境试验。由于试验箱需要抽真空，用于四次综合测试的振动台必须有自动对中系统，以确保振动台在负压作用下不会偏离中心位置。振动台应通过活动部件的延伸段与试验室连接，并用滚动密封密封，必要时可增加延伸台以安装越来越大的试件。三个综合环境测试系统更为常见，四个综合测试系统将在未来的环境测试中发挥更大的作用。7.多向振动台 许多试件，尤其是航空航天和船舶工业中的试件，位于多自由度而不是单自由度。显然，目前的常用单向振动台无法实现真实的振动环境。为了更真实地模拟振动环境，在20世纪60年代初，美国开始开发三向振动台。到20世纪70年代，已经成功地开发了具有更高工作频率和更小失真的三向振动系统。在20世纪80年代，702个研究所也开始了这方面的研究。多向振动台有电动式和液压式。电动式可实现高工作频率和低波形失真，液压式适用于低频工作，易于实现大激振力。目前，三向和多向振动系统在美国、日本等 广泛使用，但在中国很少使用。然而，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较高的工作效率得到推广。 电子、电气和材料技术的进步以及机械设计方法的改进为发展振动测试系统提供了机遇。随着技术投资的增加，以702为代表的振动测试设备制造商将为振动测试提供更加可靠、高效和低成本的设备。