振動試驗系統的現狀與發展

振動試驗的目的在于確定所設計、制造的機器、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，并發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航天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所為滿足航天產品振動試驗的需要，開始了振動試驗系統的研制，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所的振動試驗設備不僅在航天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。用于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沖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的頻率范圍工作，*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于凸輪的偏心量和曲軸的臂長，激振力隨運動部分的質量而變化。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**于低頻，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；動態范圍寬，易于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并經功率放大器放大后通到驅動線圈上，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范圍，由于運動部件結構復雜，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**將有限元方法用于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，而且便于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，然后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公司的一些振動臺采用了這種結構。702所和其他公司的產品采用的是直接式，由于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，由于大體積的磁鋼制作較困難，目前這種結構只適用于小型振動臺。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，分別置于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。自然冷卻只適用于功率很小的小型激振器。油冷方式由于結構復雜，在新研制的振動臺已不多見，現在還在使用的油冷振動臺要注意保持油的質量和數量。強制風冷是用于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。但振動臺結構較復雜，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所的振動臺采用的水路并聯、電路串聯、水電接頭都采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系著系統的性能。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字式開關放大器。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，它利用了晶體管的開關特性，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。正是由于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，結構復雜。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屏蔽，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、工作頻率范圍、*大加速度、*大速度、*大位移、運動部件有效質量、工作臺面允許直接承載質量、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動部分的質量與在該質量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質量與*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，運動部分有效質量與可達到的*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，其制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。功率放大器會采用更多的數字化和模塊化的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的應用，隨著有限元方法的推廣，復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，這就便于對不同的用戶、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