振动试验设备的选择和使用

一、振动试验设备的选择和使用

在振动试验室内使用的激振设备就是振动台。试验中究竞使用哪种振动台，首先要看试验频率范围。电液台适用于中低频范围，电动台适用于中高频范围，机械台频率范围最窄。此外还要从推力大小、波形优劣、控制的方便性等综合考虑。为了比较方便，下面分别对各类振动台的性能和优缺点做一比较，见表1。

表1 三种振动台的主要性能比较

1．激振设备

（1）机械式振动台。它是使用最早、价格最便宜的振动台。机械振动台工作频率范围较窄，一般上限工作频率100 Hz左右。通常只能进行正弦振动试验。运输模拟台、用电机驱动车辆下面的滚轮、使车辆模拟道路行驶的振动都近似一种伪随机振动试验。机械式振动台适用范围不宽，精度不高，但经济实用，目前还在许多试验室中使用。

（2）电液振动台。它的特点是中低频性能好，可以从0～250 Hz，近年来有的可达1000 Hz；推力大，直接承载能力强，波形较好，可控制性能好，可进行正弦、随机、混合模式的振动试验。对低频大位移振动试验尤为合适。反映电液振动台性能的主要技术指标有：①正弦峰值推力：取决于油压和油缸的面积；②随机均方根推力：取决于油压和油缸的面积：③最大速度：取决于伺服阀的流量；④最大位移：取决于作动筒的行程。

电液振动台配套的能源装置叫油源，电液台的性能与油源密切相关。其核心部件是电液伺服阀，流量-频响特性直接决定着振动台上限工作频率。

（3）电动振动台。它是使用最广泛的振动台，电动台频率范围从5～3000 Hz（有的小型电动台上限频率可达8000 Hz），频率范围宽是其最突出的优点。推力大小可以从10N到200 kN，可控制性能好，可进行正弦、随机、混合型以及冲击试验。电动台的波形是所有振动台中最好的。反映电动振动台性能的主要技术指标有：①正弦峰值推力；②随机均方根推力；③空载最大加速度；④空载最大速度；⑤最大位移；⑥工作频率范围；⑦最大无补偿承载能力。

电动振动台与功率放大器配套使用，功率放大器本身也有一些技术指标，这里不再赘述。一般电动台生产厂的振动台和功率放大器均已系列化，不同的台体和不同功放组合成推力不同的系列产品。可根据试验的要求选择所需要的电动振动台。

（4）振动辅助设备----滑台。许多振动试验都要进行三个相互垂直方向的振动试验。小型试件一般用夹具来改变试件试验方向。但大型试件就不能用这种方法，因为用夹具翻转试件会造成偏心力矩太大；还有些试件如陀螺仪等试验中要求与地球的相对位置不能改变。为解决这两方面问题，油膜滑台是一种很好的辅助设备，它可以完成任何试件三个方向的振动。

油膜滑台多年来一直在许多试验室使用，效果不错，但有两个问题难以解决：首先是滑台的上限工作频率不高，滑台的上限工作频率受滑板长度的限制，滑板越长，上限工作频率越低，只有长度小于300mm的滑台才可能过到2000 Hz的上限工作频率。所以许多滑台无法满足环境振动试验的要求（指上限工作频率）。另一个问题是油膜滑台抗俯仰和滚转的能力比较差，当试件比较重时，当试件安装有些偏心时，当试件振动加速度较大时，均会出现油膜分离现象，即滑板和滑座离开而油从两者之间喷出来，这时滑台实际上是无法工作的。

随者科学技术的发展，近年来滑台也有改进，国外已将滑板材料用镁合金代替铝合金。由于镁合金的阻尼远远大于铝合金的阻尼，因此在高于滑板一阶共振频率仍可以工作，上限工作频率可达2000 Hz。为提高滑台的抗俯仰力距，国外相继采用油压轴承，轴承由轴承架和滑块组成。滑块可在轴承架（圆柱体）上滑动。滑块与轴承架之间充高压油，轴承架与滑块放置在花岗岩的滑座中，让滑块上表面与滑座面平行，再将滑板固定在油压轴承的滑块上。带有油压轴承的滑台性能改善了许多，基本能满足使用要求。国内采用的导柱滑套结构，使用效果也较佳。

（5）随机激振设备的选用。机械式、电动式、电液式振动台均可进行正弦定频及正弦扫频试验，但三者的工作频率范围相差较多，推力和承载能力也不一样，目前使用较多的仍是电动式振动台和机械振动台，对于那些要求低频大振幅振动和在中低频范围内要求振动台面直接承受较大负荷的振动，以及道路运输环境模拟的场合，推荐选用电液台。对于那些频率较低，振动幅度又不大的正弦定频振动试验，采用价格低廉，简易可靠的机械式振动台也是明智之举。

电液台和电动台系统均可以进行随机振动试验，首先要看频率范围，若频率范围满足要求，两者都可以选，其次是随机均方根推力必须大于或等于计算出的所需均方根推力。许多振动台均标明正弦峰值推力和随机均方根推力。但目前有些国产振动台以及使用年限已久的振动台均没给出随机均方根推力。如何估计随机均方根推力，这是许多初步开展随机振动试验时都要碰到的问题。

一般国内厂家都给出正弦峰值推力。如果我们按正弦峰值推力的三分之一作为随机均方根推力，这肯定是允许的，换句话说随机振动中出现的最大峰值推力才等于给定的正弦峰值推力。这当然是安全的，但较保守。

有人从功率放大器的电流、电压、温度等限制给出了计算随机推力的方法，但所需数据中许多要实测。这种方法对振动台设计者是个好办法，但仅仅为了使用，没有必要这么复杂，因为所需推力是一种估算，是否合适还应该用试验验证。我们可以用试验的方法得到最大随机均方根推力。方法之一是用空台，此时动圈质量为活动系统质量W动，采用正弦峰值推力的三分之一（P正弦/3）作为最低的随机均方根推力，用20～2000 Hz平直谱输入，（P正弦/3）/W动，得出空台均方根值，以这个值为基础，进行随机振动试验。开始以1m/s²为一级，然后以1m/s²为增加量慢慢增加，此时用示波器观察控制加速度计的波形是否有削波现象，同时观察功放的输出电压和输出电流。在增加量级的过程中这三者有一个达到极限时，试验即停，此时的均方根加速度grms乘以W动就是最大随机均方根推力。根据经验，一般情况首先出现削波现象。通常情况是最大随机均方根推力大约是最大正弦峰值推力的一半。目前，国家标准推荐在台面上放置一定质量的惯性负载，在此条件下测试振动台的随机推力。这种方法可以避免随机振动的加速度量值超过振动台的最大加速度极限，因此比较安全，且得到的随机推力数据也比较准确。附加惯性负载的质量应在振动台动圈质量的1～2倍之间。

如果知道了随机均方根推力就可以了解到试验能否进行。有时会出现这样的情况，振动台随机均方根推力不够，但差得不太多，又没有其他大的振动台，有一种变通办法，即将宽带随机的频率范围分成两个或更多的频段，每一段分别做试验，这样，每段所需的均方根加速度就下降，例如分成两段则每段所需的均方根加速度是原来的0.707倍。这样分段做是个折衷方法，所用振动台的推力小了，但不同频段峰值之间的相互影响被忽视了，为了考虑这种影响，分段的原则是尽可能将大的响应峰值分在同一段。

如果功率放大器有输出变压器，改变输出变压器的绕组接法可以提高随机推力。这是由于输出变压器绕组一般按正弦最佳状态接的，但动圈的阻抗在正弦试验和随机试验时是不同的，随机试验较低，因此用正弦的接法做随机试验时往往输出电压不大时，输出电流已超过电流极限值，功放就会保护，这时输出功率并没有达到额定功率。改变绕组接法就能改善这种匹配。所以早期进口的电动台做随机试验时要接另一个变压器，这样可以充分发挥功率放大器的效率。

电磁式振动试验机

2．振动控制设备

振动控制设备是振动试验室内用来控制振动台的装置，按其功能一般分为正弦控制仪、随机控制仪和多功能控制仪三类。

（1）正弦振动控制仪。它是做正弦扫频试验不可缺少的设备。虽然用正弦信号发生器加上振动台就可以在试验室内产生正弦振动，量级大小和频率均可用手动调整，但要进行定幅值振动扫描试验，即频率按一定要求变化，而振动台台面的振动量级保持不变（定加速度、定速度、定位移），这就必须使用正弦振动控制仪。其功能和技术指标如下：

1）频率范围和可进行压缩控制的频率范围；

2）频率稳定度和显示精度；

3）扫描功能、扫描速度范围；

4）压缩的动态范围；

5）测振批示精度；

6）控制精度，即实际控制振动量级与预置振动量级之间的偏差。

以上技术指标均在某个方面说明正弦控制性能的优劣，但对使用者来说，仪器的性能稳定、经久耐用更为重要。目前模拟式和数字式正弦控制仪并存，今后估计还是这样，因为模拟式正弦控制仪的优点很突出，如结构紧凑，使用方便，易于操作，价格便宜（约是数字式价格的一半），而且高频性能比数字式还优越，但是数字正弦控制仪功能全，尤其是保护功能对贵重的试件试验时特别有用，加之显示醒目直观，其优越性也很突出。试验时究竟采用哪一种控制仪要根据试验的要求来定，不要盲目认定某一种。

（2）随机振动控制仪。它分为模拟式和数字式两种，模拟式随机振动控制仪又叫均衡器，均衡器由一系列并联滤波器组成，将宽带随机信号分割成许多窄带，每个窄带随机信号可以用电位计进行衰减或增大，然后把调好的窄带信号再合成输出信号，以实现对宽带功率谱密度的谱形控制，总能量由输出信号电位器控制。自动均衡器是其中较为先进的一种。

目前已很少有厂家生产均衡器，只有用于生产线上进行随机筛选试验时还有厂家推荐使用，其优点是价廉。数字式振动控制仪早在20世纪70年代就问世了，当时由于价格太高，难以推广。近年来随着计算机技术的发展，价格下降得又很快，目前各生产厂家几乎把随机振动控制仪都做成数字式的。随机振动控制仪有以下主要技术指标：

1）频率范围；

2）频率分辨率：指多少谱线；

3）动态范围：设置谱动态范围，驱动谱动态范围；

4）均衡精度：指在一定置信度情况下，完成均衡之后实际的功率谱密度曲线与预定的功率谱密度曲线间的误差，用dB表示；

5）回路时间：完成一次闭环控制所需的时间。

（3）多用途振动控制仪。在数字式控制仪刚刚出现时，多半都是多用途的控制仪，即可做正弦也可做随机、冲击试验，有的还可以做数据分析。这是由于计算机开始比较昂贵，因此用户总希望用途越多越好。随着计算机价格的降低和硬件功能的增强，单一功能的控制仪才出现、目前单一功能和多用途的振动控制仪并存。多用途控制仪适用于大型振动试验室和研究所的试验室。单一功能的控制仪适用于工厂振动试验室，直接为生产服务。

（4）振动控制设备的选用。正弦振动控制仪的选取一般应根据试验的要求考虑频率范围、交越点数目（交越点是预置位移-加速度或位移-速度或速度-加速度改变的点，该点的频率叫交越频率）、扫描速率范围、扫描方式等均能满足试验要求即可选用。目前数字式正弦控制仪和模拟式正弦振动控制仪并存。模拟式控制仪操作简单，价格便宜，使用方便。数字式控制仪功能全，显示直观，价格高。

选择随机振动控制仪（或系统）时，振动谱动态范围，功率谱均衡精度和回路时间是很重要的技术指标，尤其是振动谱的动态范围是决定随机振动控制系统（RVCS）控制能力的指标，直接影响着功率谱的均衡精度。在早期，回路时间也是一个重要指标，它是控制系统实时性的标志，近年来，由于FFT及IFFT的运算均采用硬件完成，完成一次闭环控制的回路时间在几至几十毫秒之内，已经能满足系统实时性的要求。目前，市场上可供选择的振动控制仪很多，这里介绍一般的选择原则。首先要根据使用要求，即要进行何种类型的试验，一般只要能满足试验要求的控制仪就可以，例如只要做正弦定频试验，用信号发生器就行。使用仪器并不是越高级越好，因为高级仪器的使用、维护都比较复杂，仅做简单的试验发挥也不了仪器的特长。其次选用国外的还是国内的要看具体的经济实力。国外生产的仪器一般说质量不错，但费用很高，大约相当国内同类型仪器价格的2～5倍。而且维修不方便，即使现在许多外国厂家在国内有维修点，修一次的花费也很可观。这几年由于改革开放的结果，国内的仪器也飞速地发展，渐渐地可以与国外同类型产品竞争。此外对仪器要做深入了解。一般厂家的指标可参考，是否完全能达到，还要请教实际使用单位。许多试验室用较普通的仪器设备完成较复杂的振动试验，这仍然是我们工程技术人员需要保持和发扬的精神。

来源于：《力学环境试验技术》