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振動試驗系統現狀與發展
日期：2025-12-25 11:25
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摘要：
振動試驗系統現狀與發展
振動試驗的目的在於確定所設計、製造的機器、構件在運輸和使用過程中承受外來振動或者自身產生的振動而不至破壞，並發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航太產品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗系統的發展顯得越來越重要。
振動試驗的目的在於確定所設計、製造的機器、構件在運輸和使用過程中承受外來振動或者自身產生的振動而不至破壞，並發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航太產品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗系統的發展顯得越來越重要。
60年代，702所為滿足航太產品振動試驗的需要，開始了振動試驗系統的研製，包括推力10N至100kN的振動臺及各種振動測量儀錶和感測器。目前，702所的振動試驗設備不僅在航太領域而且在其他行業發揮著作用，成為該所的一項重要民品。用於振動試驗的振動臺系統從其激振方式上可分為三類：機械式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺。從振動臺的激振方向，即工作臺面的運動軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統。從振動臺的功能來分，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和衝擊試驗的振動臺系統。以下筆者對各種振動臺，主要對電動振動臺，及其輔助設備的結構、性能和成本的現狀及發展等進行簡單的論述。
1.機械式振動臺
機械式振動臺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時產生的離心力來激振振動臺臺面，激振力與不平衡力矩和轉速的平方成正比。這種振動臺可以產生正弦振動，其結構簡單，成本低，但只能在約5Hz～100Hz的頻率範圍工作，*大位移為6mm峰-峰值，*大加速度約10g，不能進行隨機振動。
凸輪式振動臺運動部分的位移取決於凸輪的偏心量和曲軸的臂長，激振力隨運動部分的品質而變化。這種振動臺在低頻域內，激振力大時，可以實現很大的位移，如100mm。但這種振動臺工作頻率僅限於低頻，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。
機械式振動臺由於其性能的局限，今後用量會越來越小。
2.電液式振動臺
電液式振動臺的工作方式是用小的電動振動臺驅動可控制的伺服閥，通過油壓使傳動裝置產生振動。這種振動臺能產生很大的激振力和位移，如激振力可高達104kN，位移可達2.5m，而且在很低的頻率下可得到很大的激振力。大激振力的液壓臺比相同推力的電動式振動臺價格便宜。電液臺的局限性在於其高頻性能較差，上限工作頻率低，波形失真較大。雖然可以做隨機振動，但隨機振動激振力的rms額定值只能為正弦額定值的1/3以下。這種振動臺因其大推力、大位移可以彌補電動振動臺的不足，在未來的振動試驗中仍將發揮作用，尤其是在船舶和汽車行業會有一定市場。
3.電動式振動臺
電動式振動臺是目前使用*廣泛的一種振動設備。它的頻率範圍寬，小型振動臺頻率範圍為0～10kHz，大型振動臺頻率範圍為0～2kHz；動態範圍寬，易於實現自動或手動控制；加速度波形良好，適合產生隨機波；可得到很大的加速度。電動式振動臺是根據電磁感應原理設計的，當通電導體處在恒定磁場中將受到力的作用，當導體中通以交變電流時將產生振動。振動臺的驅動線圈正式處在一個高磁感應強度的空隙中，當需要的振動信號從信號發生器或振動控制儀產生並經功率放大器放大後通到驅動線圈上，這時振動臺就會產生需要的振動波形。
電動振動臺基本上由驅動線圈及運動部件、運動部件懸掛及導向裝置、勵磁及消磁單元、臺體及支承裝置五部分組成。驅動線圈和運動部件是振動臺的核心部件，它的一階共振頻率決定著振動臺的使用頻率範圍，由於運動部件結構複雜，一階共振頻率計算非常困難，要靠經驗估算，這常常造成設計失誤。702所在80年代末**將有限元方法用於電動振動臺運動部件共振頻率的計算，不僅提高了計算結果的準確度，而且便於對結構進行優化設計，大大增加了振動臺的設計可靠性。
振動臺驅動線圈電流的產生方式有直接式和感應式。直接式就是將放大器輸出的電流直接加到驅動線圈上，這種方式是振動臺的主流。感應式是將交變電流通入一固定線圈，然後通過感應方式在驅動線圈產生電流。感應式振動臺的驅動線圈不需要引出電纜，結構簡單，但這種振動臺效率相對較低。美國的UD公司的一些振動臺採用了這種結構。702所和其他公司的產品採用的是直接式，由於很好地解決了驅動線圈引出電纜問題，其產品更實用。
振動臺的磁場產生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場是由長久磁鋼產生的，由於大體積的磁鋼製作較困難，目前這種結構只適用於小型振動臺。如702所生產的2202型振動臺和B&K公司的4808型振動臺都屬於永磁型。而對於大型振動臺則需要在勵磁線圈中通以直流電流來產生恒定磁場，這就是勵磁型振動臺。
勵磁型振動臺又可分為單勵磁和雙勵磁。單勵磁只有一組勵磁線圈，形成一個磁場回路，這種結構勵磁效率低、耗電量大、漏磁很大，需要用消磁線圈來保證工作臺面有一個低的磁場。雙勵磁由兩套勵磁繞組產生磁場，分別置於工作磁隙的上下兩側，在工作磁隙的磁場互相疊加，而在工作臺面上的磁場互相抵消，所以工作臺面上的磁場就很小。同時由於雙勵磁磁路縮短，磁阻減小，勵磁效率比單勵磁有顯著提高。702所的2104系列振動臺、美國LING和英國LDS的一些大型振動臺都屬於雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結構，702所的振動臺上下兩組磁場是非對稱的，而其他的振動臺卻是對稱的。
振動臺的冷卻方式有自然冷卻、強制風冷、水冷和油冷等幾種方式。自然冷卻只適用於功率很小的小型激振器。油冷方式由於結構複雜，在新研製的振動臺已不多見，現在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的品質和數量。強制風冷是用於中小型振動臺的常用冷卻方式，它是利用高壓風機將臺體內的熱空氣不斷抽出實現冷卻的。這種方式冷卻時，驅動線圈和勵磁線圈的結構比較簡單，設備安裝方便，成本低，不會出現水冷臺常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風機工作時噪音非常大，對操作人員影響很大。風冷的冷卻效率相對較低，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，通常水冷臺的繞組都是用空心漆包導線繞制的，而把冷卻水直接通入空心漆包導線內進行冷卻，冷卻效率高，而且沒有太大的噪音。但振動臺結構較複雜，對冷卻水的水質要求較高，常用蒸餾水或去離子水。在水冷臺中，美、英幾家公司的設備存在著嚴重的缺陷，即驅動線圈引出電纜和水管的結構不合理及勵磁線圈水路的不合理，這種結構常出現漏水，而且對水質要求極高，要經常換水。702所的振動臺採用的水路並聯、電路串聯、水電接頭都採用螺紋連接的新結構繞組很好的解決了這些問題，它對水質要求不太高，水壓低，很少出現漏水現象。
功率放大器是電動振動臺系統的重要組成部分，它本身的性能和與振動臺的匹配狀況直接關係著系統的性能。功率放大器發展到現在已經歷了三代，從電子管放大器到晶體管線性放大器再到數位式開關放大器。電子管放大器在新生產的設備中已基本不用，開關式放大器是近幾年國外開發出來的，它利用了電晶體的開關特性，管耗很小，效率可高達90%，而普通的線性放大器的效率只有50%左右。正是由於開關放大器本身發熱少，它的冷卻就非常簡單，輸出功率幾十千伏安的放大器僅用很小的軸流風機就可以冷卻下來，使設備的結構簡單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻，結構複雜。開關式放大器在低功率輸出時失真度相對較大，而且機殼需要較好的電磁遮罩，否則會對周圍設備造成電磁干擾。
電動振動臺的技術指標有：額定正弦推力、隨機推力有效值、工作頻率範圍、*大加速度、*大速度、*大位移、運動部件有效品質、工作臺面允許直接承載品質、工作臺面允許偏載力矩、雜散磁場、加速度波形失真度、工作臺面加速度均勻度及橫向振動比等。振動臺的推力是指其運動部分的品質與在該品質下能達到的加速度的乘積，而不是指試件的重量。額定正弦推力是運動部件有效品質與*大加速度峰值的乘積，隨機推力有效值是振動臺按標準(如ISO5344)規定的功率譜密度曲線實驗時，運動部分有效品質與可達到的*大加速度有效值的乘積。
電動振動臺仍將是未來振動試驗的主要設備，其製造技術會在兩個方面有所發展。一是新材料的應用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動臺將成為可能，這種振動臺結構簡單，節約能源，且有高可靠性。功率放大器會採用更多的數位化和模組化的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限元方法的推廣，複雜結構的動力特性可以準確、快速的計算出來。因為振動臺跟汽車等產品相比用戶是很少的，只能進行小批量生產，這就便於對不同的用戶、不同的試件進行專門設計，實現運動部件與夾具的一體化設計，使每一個實驗系統都達到*佳性能。
4.水平滑臺
水平滑臺是振動臺進行水準試驗的輔助設備，在水平滑臺上便於安裝大型試驗件。水平滑臺可分為靜壓軸承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式，大型滑臺則採用了油膜和靜壓軸承共同支承的方式。靜壓軸承支承的滑臺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力矩高，橫向振動小。但這種滑臺成本很高，價格昂貴。滾珠軸承滑臺可用於中頻到高頻，在低頻工作時，加速度波形上要疊加軸承雜訊。油膜滑臺結構簡單，成本低，在低頻域內波形良好，容易實現大行程。但它抗傾覆和扭轉力矩低，橫向振動較大。
5.振動試驗夾具
夾具是為把試驗件牢固地固定在振動臺工作臺面上，並把振動臺的振動傳給試驗件，它的品質直接關係著試驗的品質。但目前對試驗夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國內，一些試驗人員僅憑感覺來設計夾具，設計時缺乏必要的計算分析，也沒有必要的檢驗測試。這樣的夾具傳遞的振動往往存在著很大的失真，夾具上各點的振動量值相差很大，也就是均勻度很差。在測試頻段記憶體在多階共振，振動控制非常困難。有些夾具材料選用不當，品質過大，消耗能量多。
夾具設計的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的品質，高的剛度，在試驗頻段內盡可能不出現和少出現共振。夾具的材料多採用鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼的品質小，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製作。設計時應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率範圍，隨機振動功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動等。然後計算夾具的共振頻率及品質，使之滿足試驗要求。對於小試件，夾具的共振頻率不允許低於1000Hz，同時應達到試件*低頻率的3～4倍。夾具加工完成後應進行必要的檢驗，對於重要和常用的夾具，如轉接板、擴展臺等，要進行**的性能測試，以保證試驗的正確性。
6.綜合環境試驗用振動臺系統
綜合環境試驗有三綜合和四綜合，三綜合是指溫度、濕度和振動的綜合試驗。702所90年代初在國內率先研製成功了三綜合試驗系統。用於三綜合試驗的振動臺一般具有較大的工作臺面，以便盡可能多的一次性安裝試件，要做好振動臺與環境試驗箱之間的密封和隔熱，矽橡膠板是常用的密封隔熱材料。702所正在研製四綜合實驗系統，四綜合是指溫度、濕度、真空和振動的綜合環境試驗，由於試驗箱內要抽真空，用於四綜合的振動臺必須有自動對中系統，保證振動臺不在負壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運動部件的延伸段與試驗箱連接，用滾動密封件進行密封，必要時可加裝擴展臺，以安裝較多和較大的試件。三綜合環境試驗系統已比較多見，四綜合試驗系統在將來的環境試驗中會發揮出更大的作用。
7.多向振動臺
許多試驗件，尤其是航空航太和船舶行業的試驗件，所處的振動環境並不是單自由度，而是多自由度的，顯然用目前常用的單方向激振的振動臺無法實現真實的振動環境。為了更真實的模擬振動環境，在60年代初期，美國就開始了三向振動臺的研製，到70年代已成功的研製了工作頻率較高、失真度較小的三向振動系統。80年代，702所也開始了這方面的研究。多向振動臺有電動式和液壓式，電動式可以實現高的工作頻率和低的波形失真，而液壓式適合於低頻工作，容易實現大激振力。目前三向及多向振動系統在美、日等國家應用較多，在我國使用還很少。但隨著技術的日益成熟，多向振動臺將以其自身的性能優勢和高的工作效率得以推廣。
電子、電工及材料技術的提高和機械設計方法的改進，為振動試驗系統的發展提供了機遇，以702所為代表的振動試驗設備生產廠，隨著技術投入的加大，將會為振動試驗提供更可靠、高效率、低成本的設備。
