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一、振動試驗設備的選擇和使用

在振動試驗室內(nèi)使用的激振設備就是振動臺。試驗中究競使用哪種振動臺，首先要看試驗頻率范圍。電液臺適用于中低頻范圍，電動臺適用于中高頻范圍，機械臺頻率范圍最窄。此外還要從推力大小、波形優(yōu)劣、控制的方便性等綜合考慮。為了比較方便，下面分別對各類振動臺的性能和優(yōu)缺點做一比較，見表1。

 表1 三種振動臺的主要性能比較

1．激振設備

（1）機械式振動臺。它是使用最早、價格最便宜的振動臺。機械振動臺工作頻率范圍較窄，一般上限工作頻率100 Hz左右。通常只能進行正弦振動試驗。運輸模擬臺、用電機驅(qū)動車輛下面的滾輪、使車輛模擬道路行駛的振動都近似一種偽隨機振動試驗。機械式振動臺適用范圍不寬，精度不高，但經(jīng)濟實用，目前還在許多試驗室中使用。

（2）電液振動臺。它的特點是中低頻性能好，可以從0～250 Hz，近年來有的可達1000 Hz；推力大，直接承載能力強，波形較好，可控制性能好，可進行正弦、隨機、混合模式的振動試驗。對低頻大位移振動試驗尤為合適。反映電液振動臺性能的主要技術指標有：①正弦峰值推力：取決于油壓和油缸的面積；②隨機均方根推力：取決于油壓和油缸的面積：③最大速度：取決于伺服閥的流量；④最大位移：取決于作動筒的行程。

電液振動臺配套的能源裝置叫油源，電液臺的性能與油源密切相關。其核心部件是電液伺服閥，流量-頻響特性直接決定著振動臺上限工作頻率。

（3）電動振動臺。它是使用最廣泛的振動臺，電動臺頻率范圍從5～3000 Hz（有的小型電動臺上限頻率可達8000 Hz），頻率范圍寬是其最突出的優(yōu)點。推力大小可以從10N到200 kN，可控制性能好，可進行正弦、隨機、混合型以及沖擊試驗。電動臺的波形是所有振動臺中最好的。反映電動振動臺性能的主要技術指標有：①正弦峰值推力；②隨機均方根推力；③空載最大加速度；④空載最大速度；⑤最大位移；⑥工作頻率范圍；⑦最大無補償承載能力。

電動振動臺與功率放大器配套使用，功率放大器本身也有一些技術指標，這里不再贅述。一般電動臺生產(chǎn)廠的振動臺和功率放大器均已系列化，不同的臺體和不同功放組合成推力不同的系列產(chǎn)品。可根據(jù)試驗的要求選擇所需要的電動振動臺。

（4）振動輔助設備----滑臺。許多振動試驗都要進行三個相互垂直方向的振動試驗。小型試件一般用夾具來改變試件試驗方向。但大型試件就不能用這種方法，因為用夾具翻轉(zhuǎn)試件會造成偏心力矩太大；還有些試件如陀螺儀等試驗中要求與地球的相對位置不能改變。為解決這兩方面問題，油膜滑臺是一種很好的輔助設備，它可以完成任何試件三個方向的振動。

油膜滑臺多年來一直在許多試驗室使用，效果不錯，但有兩個問題難以解決：首先是滑臺的上限工作頻率不高，滑臺的上限工作頻率受滑板長度的限制，滑板越長，上限工作頻率越低，只有長度小于300mm的滑臺才可能過到2000 Hz的上限工作頻率。所以許多滑臺無法滿足環(huán)境振動試驗的要求（指上限工作頻率）。另一個問題是油膜滑臺抗俯仰和滾轉(zhuǎn)的能力比較差，當試件比較重時，當試件安裝有些偏心時，當試件振動加速度較大時，均會出現(xiàn)油膜分離現(xiàn)象，即滑板和滑座離開而油從兩者之間噴出來，這時滑臺實際上是無法工作的。

隨者科學技術的發(fā)展，近年來滑臺也有改進，國外已將滑板材料用鎂合金代替鋁合金。由于鎂合金的阻尼遠遠大于鋁合金的阻尼，因此在高于滑板一階共振頻率仍可以工作，上限工作頻率可達2000 Hz。為提高滑臺的抗俯仰力距，國外相繼采用油壓軸承，軸承由軸承架和滑塊組成。滑塊可在軸承架（圓柱體）上滑動。滑塊與軸承架之間充高壓油，軸承架與滑塊放置在花崗巖的滑座中，讓滑塊上表面與滑座面平行，再將滑板固定在油壓軸承的滑塊上。帶有油壓軸承的滑臺性能改善了許多，基本能滿足使用要求。國內(nèi)采用的導柱滑套結構，使用效果也較佳。

（5）隨機激振設備的選用。機械式、電動式、電液式振動臺均可進行正弦定頻及正弦掃頻試驗，但三者的工作頻率范圍相差較多，推力和承載能力也不一樣，目前使用較多的仍是電動式振動臺和機械振動臺，對于那些要求低頻大振幅振動和在中低頻范圍內(nèi)要求振動臺面直接承受較大負荷的振動，以及道路運輸環(huán)境模擬的場合，推薦選用電液臺。對于那些頻率較低，振動幅度又不大的正弦定頻振動試驗，采用價格低廉，簡易可靠的機械式振動臺也是明智之舉。

電液臺和電動臺系統(tǒng)均可以進行隨機振動試驗，首先要看頻率范圍，若頻率范圍滿足要求，兩者都可以選，其次是隨機均方根推力必須大于或等于計算出的所需均方根推力。許多振動臺均標明正弦峰值推力和隨機均方根推力。但目前有些國產(chǎn)振動臺以及使用年限已久的振動臺均沒給出隨機均方根推力。如何估計隨機均方根推力，這是許多初步開展隨機振動試驗時都要碰到的問題。

一般國內(nèi)廠家都給出正弦峰值推力。如果我們按正弦峰值推力的三分之一作為隨機均方根推力，這肯定是允許的，換句話說隨機振動中出現(xiàn)的最大峰值推力才等于給定的正弦峰值推力。這當然是安全的，但較保守。

有人從功率放大器的電流、電壓、溫度等限制給出了計算隨機推力的方法，但所需數(shù)據(jù)中許多要實測。這種方法對振動臺設計者是個好辦法，但僅僅為了使用，沒有必要這么復雜，因為所需推力是一種估算，是否合適還應該用試驗驗證。我們可以用試驗的方法得到最大隨機均方根推力。方法之一是用空臺，此時動圈質(zhì)量為活動系統(tǒng)質(zhì)量W動，采用正弦峰值推力的三分之一（P正弦/3）作為最低的隨機均方根推力，用20～2000 Hz平直譜輸入，（P正弦/3）/W動，得出空臺均方根值，以這個值為基礎，進行隨機振動試驗。開始以1m/s2為一級，然后以1m/s2為增加量慢慢增加，此時用示波器觀察控制加速度計的波形是否有削波現(xiàn)象，同時觀察功放的輸出電壓和輸出電流。在增加量級的過程中這三者有一個達到極限時，試驗即停，此時的均方根加速度grms乘以W動就是最大隨機均方根推力。根據(jù)經(jīng)驗，一般情況首先出現(xiàn)削波現(xiàn)象。通常情況是最大隨機均方根推力大約是最大正弦峰值推力的一半。目前，國家標準推薦在臺面上放置一定質(zhì)量的慣性負載，在此條件下測試振動臺的隨機推力。這種方法可以避免隨機振動的加速度量值超過振動臺的最大加速度極限，因此比較安全，且得到的隨機推力數(shù)據(jù)也比較準確。附加慣性負載的質(zhì)量應在振動臺動圈質(zhì)量的1～2倍之間。

如果知道了隨機均方根推力就可以了解到試驗能否進行。有時會出現(xiàn)這樣的情況，振動臺隨機均方根推力不夠，但差得不太多，又沒有其他大的振動臺，有一種變通辦法，即將寬帶隨機的頻率范圍分成兩個或更多的頻段，每一段分別做試驗，這樣，每段所需的均方根加速度就下降，例如分成兩段則每段所需的均方根加速度是原來的0.707倍。這樣分段做是個折衷方法，所用振動臺的推力小了，但不同頻段峰值之間的相互影響被忽視了，為了考慮這種影響，分段的原則是盡可能將大的響應峰值分在同一段。

如果功率放大器有輸出變壓器，改變輸出變壓器的繞組接法可以提高隨機推力。這是由于輸出變壓器繞組一般按正弦最佳狀態(tài)接的，但動圈的阻抗在正弦試驗和隨機試驗時是不同的，隨機試驗較低，因此用正弦的接法做隨機試驗時往往輸出電壓不大時，輸出電流已超過電流極限值，功放就會保護，這時輸出功率并沒有達到額定功率。改變繞組接法就能改善這種匹配。所以早期進口的電動臺做隨機試驗時要接另一個變壓器，這樣可以充分發(fā)揮功率放大器的效率。

電磁式振動試驗機

2．振動控制設備

振動控制設備是振動試驗室內(nèi)用來控制振動臺的裝置，按其功能一般分為正弦控制儀、隨機控制儀和多功能控制儀三類。

（1）正弦振動控制儀。它是做正弦掃頻試驗不可缺少的設備。雖然用正弦信號發(fā)生器加上振動臺就可以在試驗室內(nèi)產(chǎn)生正弦振動，量級大小和頻率均可用手動調(diào)整，但要進行定幅值振動掃描試驗，即頻率按一定要求變化，而振動臺臺面的振動量級保持不變（定加速度、定速度、定位移），這就必須使用正弦振動控制儀。其功能和技術指標如下：

1）頻率范圍和可進行壓縮控制的頻率范圍；

2）頻率穩(wěn)定度和顯示精度；

3）掃描功能、掃描速度范圍；

4）壓縮的動態(tài)范圍；

5）測振批示精度；

6）控制精度，即實際控制振動量級與預置振動量級之間的偏差。

以上技術指標均在某個方面說明正弦控制性能的優(yōu)劣，但對使用者來說，儀器的性能穩(wěn)定、經(jīng)久耐用更為重要。目前模擬式和數(shù)字式正弦控制儀并存，今后估計還是這樣，因為模擬式正弦控制儀的優(yōu)點很突出，如結構緊湊，使用方便，易于操作，價格便宜（約是數(shù)字式價格的一半），而且高頻性能比數(shù)字式還優(yōu)越，但是數(shù)字正弦控制儀功能全，尤其是保護功能對貴重的試件試驗時特別有用，加之顯示醒目直觀，其優(yōu)越性也很突出。試驗時究竟采用哪一種控制儀要根據(jù)試驗的要求來定，不要盲目認定某一種。

（2）隨機振動控制儀。它分為模擬式和數(shù)字式兩種，模擬式隨機振動控制儀又叫均衡器，均衡器由一系列并聯(lián)濾波器組成，將寬帶隨機信號分割成許多窄帶，每個窄帶隨機信號可以用電位計進行衰減或增大，然后把調(diào)好的窄帶信號再合成輸出信號，以實現(xiàn)對寬帶功率譜密度的譜形控制，總能量由輸出信號電位器控制。自動均衡器是其中較為先進的一種。

目前已很少有廠家生產(chǎn)均衡器，只有用于生產(chǎn)線上進行隨機篩選試驗時還有廠家推薦使用，其優(yōu)點是價廉。數(shù)字式振動控制儀早在20世紀70年代就問世了，當時由于價格太高，難以推廣。近年來隨著計算機技術的發(fā)展，價格下降得又很快，目前各生產(chǎn)廠家?guī)缀醢央S機振動控制儀都做成數(shù)字式的。隨機振動控制儀有以下主要技術指標：

1）頻率范圍；

2）頻率分辨率：指多少譜線；

3）動態(tài)范圍：設置譜動態(tài)范圍，驅(qū)動譜動態(tài)范圍；

4）均衡精度：指在一定置信度情況下，完成均衡之后實際的功率譜密度曲線與預定的功率譜密度曲線間的誤差，用dB表示；

5）回路時間：完成一次閉環(huán)控制所需的時間。

（3）多用途振動控制儀。在數(shù)字式控制儀剛剛出現(xiàn)時，多半都是多用途的控制儀，即可做正弦也可做隨機、沖擊試驗，有的還可以做數(shù)據(jù)分析。這是由于計算機開始比較昂貴，因此用戶總希望用途越多越好。隨著計算機價格的降低和硬件功能的增強，單一功能的控制儀才出現(xiàn)、目前單一功能和多用途的振動控制儀并存。多用途控制儀適用于大型振動試驗室和研究所的試驗室。單一功能的控制儀適用于工廠振動試驗室，直接為生產(chǎn)服務。

（4）振動控制設備的選用。正弦振動控制儀的選取一般應根據(jù)試驗的要求考慮頻率范圍、交越點數(shù)目（交越點是預置位移-加速度或位移-速度或速度-加速度改變的點，該點的頻率叫交越頻率）、掃描速率范圍、掃描方式等均能滿足試驗要求即可選用。目前數(shù)字式正弦控制儀和模擬式正弦振動控制儀并存。模擬式控制儀操作簡單，價格便宜，使用方便。數(shù)字式控制儀功能全，顯示直觀，價格高。

選擇隨機振動控制儀（或系統(tǒng)）時，振動譜動態(tài)范圍，功率譜均衡精度和回路時間是很重要的技術指標，尤其是振動譜的動態(tài)范圍是決定隨機振動控制系統(tǒng)（RVCS）控制能力的指標，直接影響著功率譜的均衡精度。在早期，回路時間也是一個重要指標，它是控制系統(tǒng)實時性的標志，近年來，由于FFT及IFFT的運算均采用硬件完成，完成一次閉環(huán)控制的回路時間在幾至幾十毫秒之內(nèi)，已經(jīng)能滿足系統(tǒng)實時性的要求。目前，市場上可供選擇的振動控制儀很多，這里介紹一般的選擇原則。首先要根據(jù)使用要求，即要進行何種類型的試驗，一般只要能滿足試驗要求的控制儀就可以，例如只要做正弦定頻試驗，用信號發(fā)生器就行。使用儀器并不是越高級越好，因為高級儀器的使用、維護都比較復雜，僅做簡單的試驗發(fā)揮也不了儀器的特長。其次選用國外的還是國內(nèi)的要看具體的經(jīng)濟實力。國外生產(chǎn)的儀器一般說質(zhì)量不錯，但費用很高，大約相當國內(nèi)同類型儀器價格的2～5倍。而且維修不方便，即使現(xiàn)在許多外國廠家在國內(nèi)有維修點，修一次的花費也很可觀。這幾年由于改革開放的結果，國內(nèi)的儀器也飛速地發(fā)展，漸漸地可以與國外同類型產(chǎn)品競爭。此外對儀器要做深入了解。一般廠家的指標可參考，是否完全能達到，還要請教實際使用單位。許多試驗室用較普通的儀器設備完成較復雜的振動試驗，這仍然是我們工程技術人員需要保持和發(fā)揚的精神。

來源于：《力學環(huán)境試驗技術》