振動試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展
更新更新時間:2008-05-30 點(diǎn)擊次數(shù):3190次
振動試驗(yàn)的目的在于確定所設(shè)計、制造的機(jī)器、構(gòu)件在運(yùn)輸和使用過程中承受外來振動或者自身產(chǎn)生的振動而不至破壞,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)備的振動試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展顯得越來越重要。
60年代,702所為滿足航天產(chǎn)品振動試驗(yàn)的需要,開始了振動試驗(yàn)系統(tǒng)的研制,包括推力10N至100kN的振動臺及各種振動測量儀表和傳感器。目前,702所的振動試驗(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。用于振動試驗(yàn)的振動臺系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類:機(jī)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(yùn)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(tǒng)。從振動臺的功能來分,可分為單一的正弦振動試驗(yàn)臺和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動臺系統(tǒng)。以下筆者對各種振動臺,主要對電動振動臺,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)行簡單的論述。
1.機(jī)械式振動臺
機(jī)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(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來激振振動臺臺面,激振力與不平衡力矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。這種振動臺可以產(chǎn)生正弦振動,其結(jié)構(gòu)簡單,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。
凸輪式振動臺運(yùn)動部分的位移取決于凸輪的偏心量和曲軸的臂長,激振力隨運(yùn)動部分的質(zhì)量而變化。這種振動臺在低頻域內(nèi),激振力大時,可以實(shí)現(xiàn)很大的位移,如100mm。但這種振動臺工作頻率于低頻,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)械式振動臺由于其性能的局限,今后用量會越來越小。
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(qū)動可控制的伺服閥,通過油壓使傳動裝置產(chǎn)生振動。這種振動臺能產(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。大激振力的液壓臺比相同推力的電動式振動臺價格便宜。電液臺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,但隨機(jī)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(bǔ)電動振動臺的不足,在未來的振動試驗(yàn)中仍將發(fā)揮作用,尤其是在船舶和汽車行業(yè)會有一定市場。
3.電動式振動臺
電動式振動臺是目前使用zui廣泛的一種振動設(shè)備。它的頻率范圍寬,小型振動臺頻率范圍為0~10kHz,大型振動臺頻率范圍為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;可得到很大的加速度。電動式振動臺是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的,當(dāng)通電導(dǎo)體處在恒定磁場中將受到力的作用,當(dāng)導(dǎo)體中通以交變電流時將產(chǎn)生振動。振動臺的驅(qū)動線圈正式處在一個高磁感應(yīng)強(qiáng)度的空隙中,當(dāng)需要的振動信號從信號發(fā)生器或振動控制儀產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大后通到驅(qū)動線圈上,這時振動臺就會產(chǎn)生需要的振動波形。
電動振動臺基本上由驅(qū)動線圈及運(yùn)動部件、運(yùn)動部件懸掛及導(dǎo)向裝置、勵磁及消磁單元、臺體及支承裝置五部分組成。驅(qū)動線圈和運(yùn)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范圍,由于運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一階共振頻率計算非常困難,要靠經(jīng)驗(yàn)估算,這常常造成設(shè)計失誤。702所在80年代末將有限元方法用于電動振動臺運(yùn)動部件共振頻率的計算,不僅提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確度,而且便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,大大增加了振動臺的設(shè)計可靠性。
振動臺驅(qū)動線圈電流的產(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)動線圈上,這種方式是振動臺的主流。感應(yīng)式是將交變電流通入一固定線圈,然后通過感應(yīng)方式在驅(qū)動線圈產(chǎn)生電流。感應(yīng)式振動臺的驅(qū)動線圈不需要引出電纜,結(jié)構(gòu)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)動線圈引出電纜問題,其產(chǎn)品更實(shí)用。
振動臺的磁場產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場是由*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)只適用于小型振動臺。如702所生產(chǎn)的2202型振動臺和B&K公司的4808型振動臺都屬于永磁型。而對于大型振動臺則需要在勵磁線圈中通以直流電流來產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生磁場,分別置于工作磁隙的上下兩側(cè),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。同時由于雙勵磁磁路縮短,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于雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結(jié)構(gòu),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(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,在新研制的振動臺已不多見,現(xiàn)在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的質(zhì)量和數(shù)量。強(qiáng)制風(fēng)冷是用于中小型振動臺的常用冷卻方式,它是利用高壓風(fēng)機(jī)將臺體內(nèi)的熱空氣不斷抽出實(shí)現(xiàn)冷卻的。這種方式冷卻時,驅(qū)動線圈和勵磁線圈的結(jié)構(gòu)比較簡單,設(shè)備安裝方便,成本低,不會出現(xiàn)水冷臺常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風(fēng)機(jī)工作時噪音非常大,對操作人員影響很大。風(fēng)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(dǎo)線繞制的,而把冷卻水直接通入空心漆包導(dǎo)線內(nèi)進(jìn)行冷卻,冷卻效率高,而且沒有太大的噪音。但振動臺結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,對冷卻水的水質(zhì)要求較高,常用蒸餾水或去離子水。在水冷臺中,美、英幾家公司的設(shè)備存在著嚴(yán)重的缺陷,即驅(qū)動線圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理及勵磁線圈水路的不合理,這種結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)漏水,而且對水質(zhì)要求*,要經(jīng)常換水。702所的振動臺采用的水路并聯(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題,它對水質(zhì)要求不太高,水壓低,很少出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。
功率放大器是電動振動臺系統(tǒng)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(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性放大器再到數(shù)字式開關(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,開關(guān)式放大器是近幾年國外開發(fā)出來的,它利用了晶體管的開關(guān)特性,管耗很小,效率可高達(dá)90%,而普通的線性放大器的效率只有50%左右。正是由于開關(guān)放大器本身發(fā)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(fēng)機(jī)就可以冷卻下來,使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開關(guān)式放大器在低功率輸出時失真度相對較大,而且機(jī)殼需要較好的電磁屏蔽,否則會對周圍設(shè)備造成電磁干擾。
電動振動臺的技術(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)動部件有效質(zhì)量、工作臺面允許直接承載質(zhì)量、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(yùn)動部分的質(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)推力有效值是振動臺按標(biāo)準(zhǔn)如ISO5344規(guī)定的功率譜密度曲線實(shí)驗(yàn)時,運(yùn)動部分有效質(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)會在兩個方面有所發(fā)展。一是新材料的應(yīng)用,隨著大型磁性材料成本的降低,大型的永磁振動臺將成為可能,這種振動臺結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約能源,且有高可靠性。功率放大器會采用更多的數(shù)字化和模塊化的電路,體積越來越小,效率越來越高。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)的動力特性可以準(zhǔn)確、快速的計算出來。因?yàn)檎駝优_跟汽車等產(chǎn)品相比用戶是很少的,只能進(jìn)行小批量生產(chǎn),這就便于對不同的用戶、不同的試件進(jìn)行專門設(shè)計,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動部件與夾具的一體化設(shè)計,使每一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都達(dá)到*性能。
4.水平滑臺
水平滑臺是振動臺進(jìn)行水平試驗(yàn)的輔助設(shè)備,在水平滑臺上便于安裝大型試驗(yàn)件。水平滑臺可分為靜承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式,大型滑臺則采用了油膜和靜承共同支承的方式。靜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(zhuǎn)力矩高,橫向振動小。但這種滑臺成本很高,價格昂貴。滾珠軸承滑臺可用于中頻到高頻,在低頻工作時,加速度波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑臺結(jié)構(gòu)簡單,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,橫向振動較大。
5.振動試驗(yàn)夾具
夾具是為把試驗(yàn)件牢固地固定在振動臺工作臺面上,并把振動臺的振動傳給試驗(yàn)件,它的質(zhì)量直接關(guān)系著試驗(yàn)的質(zhì)量。但目前對試驗(yàn)夾具的重要性普遍重視不夠,尤其是在國內(nèi),一些試驗(yàn)人員僅憑感覺來設(shè)計夾具,設(shè)計時缺乏必要的計算分析,也沒有必要的檢驗(yàn)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(diǎn)的振動量值相差很大,也就是均勻度很差。在測試頻段內(nèi)存在多階共振,振動控制非常困難。有些夾具材料選用不當(dāng),質(zhì)量過大,消耗能量多。
夾具設(shè)計的原則是在滿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)計時應(yīng)首先明確試驗(yàn)條件,如正弦和隨機(jī)振動能級和允差,正弦掃描的頻率范圍,隨機(jī)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。然后計算夾具的共振頻率及質(zhì)量,使之滿足試驗(yàn)要求。對于小試件,夾具的共振頻率不允許低于1000Hz,同時應(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),對于重要和常用的夾具,如轉(zhuǎn)接板、擴(kuò)展臺等,要進(jìn)行全面的性能測試,以保證試驗(yàn)的正確性。
6.綜合環(huán)境試驗(yàn)用振動臺系統(tǒng)
綜合環(huán)境試驗(yàn)有三綜合和四綜合,三綜合是指溫度、濕度和振動的綜合試驗(yàn)。702所90年代初在國內(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(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,用于四綜合的振動臺必須有自動對中系統(tǒng),保證振動臺不在負(fù)壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運(yùn)動部件的延伸段與試驗(yàn)箱連接,用滾動密封件進(jìn)行密封,必要時可加裝擴(kuò)展臺,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,四綜合試驗(yàn)系統(tǒng)在將來的環(huán)境試驗(yàn)中會發(fā)揮出更大的作用。
7.多向振動臺
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臺無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的振動環(huán)境。為了更真實(shí)的模擬振動環(huán)境,在60年代初期,美國就開始了三向振動臺的研制,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系統(tǒng)。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(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系統(tǒng)在美、日等國家應(yīng)用較多,在我國使用還很少。但隨著技術(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)計方法的改進(jìn),為振動試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展提供了機(jī)遇,以702所為代表的振動試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠,隨著技術(shù)投入的加大,將會為振動試驗(yàn)提供更可靠、率、低成本的設(shè)備?!?/DIV>
60年代,702所為滿足航天產(chǎn)品振動試驗(yàn)的需要,開始了振動試驗(yàn)系統(tǒng)的研制,包括推力10N至100kN的振動臺及各種振動測量儀表和傳感器。目前,702所的振動試驗(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。用于振動試驗(yàn)的振動臺系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類:機(jī)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(yùn)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(tǒng)。從振動臺的功能來分,可分為單一的正弦振動試驗(yàn)臺和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動臺系統(tǒng)。以下筆者對各種振動臺,主要對電動振動臺,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)行簡單的論述。
1.機(jī)械式振動臺
機(jī)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(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來激振振動臺臺面,激振力與不平衡力矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比。這種振動臺可以產(chǎn)生正弦振動,其結(jié)構(gòu)簡單,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。
凸輪式振動臺運(yùn)動部分的位移取決于凸輪的偏心量和曲軸的臂長,激振力隨運(yùn)動部分的質(zhì)量而變化。這種振動臺在低頻域內(nèi),激振力大時,可以實(shí)現(xiàn)很大的位移,如100mm。但這種振動臺工作頻率于低頻,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)械式振動臺由于其性能的局限,今后用量會越來越小。
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(qū)動可控制的伺服閥,通過油壓使傳動裝置產(chǎn)生振動。這種振動臺能產(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。大激振力的液壓臺比相同推力的電動式振動臺價格便宜。電液臺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,但隨機(jī)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(bǔ)電動振動臺的不足,在未來的振動試驗(yàn)中仍將發(fā)揮作用,尤其是在船舶和汽車行業(yè)會有一定市場。
3.電動式振動臺
電動式振動臺是目前使用zui廣泛的一種振動設(shè)備。它的頻率范圍寬,小型振動臺頻率范圍為0~10kHz,大型振動臺頻率范圍為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;可得到很大的加速度。電動式振動臺是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的,當(dāng)通電導(dǎo)體處在恒定磁場中將受到力的作用,當(dāng)導(dǎo)體中通以交變電流時將產(chǎn)生振動。振動臺的驅(qū)動線圈正式處在一個高磁感應(yīng)強(qiáng)度的空隙中,當(dāng)需要的振動信號從信號發(fā)生器或振動控制儀產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大后通到驅(qū)動線圈上,這時振動臺就會產(chǎn)生需要的振動波形。
電動振動臺基本上由驅(qū)動線圈及運(yùn)動部件、運(yùn)動部件懸掛及導(dǎo)向裝置、勵磁及消磁單元、臺體及支承裝置五部分組成。驅(qū)動線圈和運(yùn)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范圍,由于運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一階共振頻率計算非常困難,要靠經(jīng)驗(yàn)估算,這常常造成設(shè)計失誤。702所在80年代末將有限元方法用于電動振動臺運(yùn)動部件共振頻率的計算,不僅提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確度,而且便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,大大增加了振動臺的設(shè)計可靠性。
振動臺驅(qū)動線圈電流的產(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)動線圈上,這種方式是振動臺的主流。感應(yīng)式是將交變電流通入一固定線圈,然后通過感應(yīng)方式在驅(qū)動線圈產(chǎn)生電流。感應(yīng)式振動臺的驅(qū)動線圈不需要引出電纜,結(jié)構(gòu)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)動線圈引出電纜問題,其產(chǎn)品更實(shí)用。
振動臺的磁場產(chǎn)生方式可分為永磁型和勵磁型。永磁型的恒定磁場是由*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)只適用于小型振動臺。如702所生產(chǎn)的2202型振動臺和B&K公司的4808型振動臺都屬于永磁型。而對于大型振動臺則需要在勵磁線圈中通以直流電流來產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生磁場,分別置于工作磁隙的上下兩側(cè),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。同時由于雙勵磁磁路縮短,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于雙磁場勵磁。同樣是雙勵磁結(jié)構(gòu),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(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,在新研制的振動臺已不多見,現(xiàn)在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的質(zhì)量和數(shù)量。強(qiáng)制風(fēng)冷是用于中小型振動臺的常用冷卻方式,它是利用高壓風(fēng)機(jī)將臺體內(nèi)的熱空氣不斷抽出實(shí)現(xiàn)冷卻的。這種方式冷卻時,驅(qū)動線圈和勵磁線圈的結(jié)構(gòu)比較簡單,設(shè)備安裝方便,成本低,不會出現(xiàn)水冷臺常見的漏水、水路堵塞等故障。但高壓風(fēng)機(jī)工作時噪音非常大,對操作人員影響很大。風(fēng)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(dǎo)線繞制的,而把冷卻水直接通入空心漆包導(dǎo)線內(nèi)進(jìn)行冷卻,冷卻效率高,而且沒有太大的噪音。但振動臺結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,對冷卻水的水質(zhì)要求較高,常用蒸餾水或去離子水。在水冷臺中,美、英幾家公司的設(shè)備存在著嚴(yán)重的缺陷,即驅(qū)動線圈引出電纜和水管的結(jié)構(gòu)不合理及勵磁線圈水路的不合理,這種結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)漏水,而且對水質(zhì)要求*,要經(jīng)常換水。702所的振動臺采用的水路并聯(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題,它對水質(zhì)要求不太高,水壓低,很少出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。
功率放大器是電動振動臺系統(tǒng)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(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性放大器再到數(shù)字式開關(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,開關(guān)式放大器是近幾年國外開發(fā)出來的,它利用了晶體管的開關(guān)特性,管耗很小,效率可高達(dá)90%,而普通的線性放大器的效率只有50%左右。正是由于開關(guān)放大器本身發(fā)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(fēng)機(jī)就可以冷卻下來,使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單可靠。而同樣的線性放大器必須要用水來冷卻,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開關(guān)式放大器在低功率輸出時失真度相對較大,而且機(jī)殼需要較好的電磁屏蔽,否則會對周圍設(shè)備造成電磁干擾。
電動振動臺的技術(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)動部件有效質(zhì)量、工作臺面允許直接承載質(zhì)量、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(yùn)動部分的質(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)推力有效值是振動臺按標(biāo)準(zhǔn)如ISO5344規(guī)定的功率譜密度曲線實(shí)驗(yàn)時,運(yùn)動部分有效質(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)會在兩個方面有所發(fā)展。一是新材料的應(yīng)用,隨著大型磁性材料成本的降低,大型的永磁振動臺將成為可能,這種振動臺結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約能源,且有高可靠性。功率放大器會采用更多的數(shù)字化和模塊化的電路,體積越來越小,效率越來越高。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)的動力特性可以準(zhǔn)確、快速的計算出來。因?yàn)檎駝优_跟汽車等產(chǎn)品相比用戶是很少的,只能進(jìn)行小批量生產(chǎn),這就便于對不同的用戶、不同的試件進(jìn)行專門設(shè)計,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動部件與夾具的一體化設(shè)計,使每一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都達(dá)到*性能。
4.水平滑臺
水平滑臺是振動臺進(jìn)行水平試驗(yàn)的輔助設(shè)備,在水平滑臺上便于安裝大型試驗(yàn)件。水平滑臺可分為靜承支承式、滾珠軸承支承式和油膜支承式,大型滑臺則采用了油膜和靜承共同支承的方式。靜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(zhuǎn)力矩高,橫向振動小。但這種滑臺成本很高,價格昂貴。滾珠軸承滑臺可用于中頻到高頻,在低頻工作時,加速度波形上要疊加軸承噪聲。油膜滑臺結(jié)構(gòu)簡單,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,橫向振動較大。
5.振動試驗(yàn)夾具
夾具是為把試驗(yàn)件牢固地固定在振動臺工作臺面上,并把振動臺的振動傳給試驗(yàn)件,它的質(zhì)量直接關(guān)系著試驗(yàn)的質(zhì)量。但目前對試驗(yàn)夾具的重要性普遍重視不夠,尤其是在國內(nèi),一些試驗(yàn)人員僅憑感覺來設(shè)計夾具,設(shè)計時缺乏必要的計算分析,也沒有必要的檢驗(yàn)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(diǎn)的振動量值相差很大,也就是均勻度很差。在測試頻段內(nèi)存在多階共振,振動控制非常困難。有些夾具材料選用不當(dāng),質(zhì)量過大,消耗能量多。
夾具設(shè)計的原則是在滿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)計時應(yīng)首先明確試驗(yàn)條件,如正弦和隨機(jī)振動能級和允差,正弦掃描的頻率范圍,隨機(jī)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。然后計算夾具的共振頻率及質(zhì)量,使之滿足試驗(yàn)要求。對于小試件,夾具的共振頻率不允許低于1000Hz,同時應(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),對于重要和常用的夾具,如轉(zhuǎn)接板、擴(kuò)展臺等,要進(jìn)行全面的性能測試,以保證試驗(yàn)的正確性。
6.綜合環(huán)境試驗(yàn)用振動臺系統(tǒng)
綜合環(huán)境試驗(yàn)有三綜合和四綜合,三綜合是指溫度、濕度和振動的綜合試驗(yàn)。702所90年代初在國內(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(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,用于四綜合的振動臺必須有自動對中系統(tǒng),保證振動臺不在負(fù)壓的作用下偏離中心位置。振動臺要通過運(yùn)動部件的延伸段與試驗(yàn)箱連接,用滾動密封件進(jìn)行密封,必要時可加裝擴(kuò)展臺,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,四綜合試驗(yàn)系統(tǒng)在將來的環(huán)境試驗(yàn)中會發(fā)揮出更大的作用。
7.多向振動臺
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臺無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的振動環(huán)境。為了更真實(shí)的模擬振動環(huán)境,在60年代初期,美國就開始了三向振動臺的研制,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系統(tǒng)。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(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系統(tǒng)在美、日等國家應(yīng)用較多,在我國使用還很少。但隨著技術(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)計方法的改進(jìn),為振動試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展提供了機(jī)遇,以702所為代表的振動試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠,隨著技術(shù)投入的加大,將會為振動試驗(yàn)提供更可靠、率、低成本的設(shè)備?!?/DIV>
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