振動(dòng)臺(tái)全稱(chēng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，或稱(chēng)振動(dòng)發(fā)生器，是模擬振動(dòng)的一種設(shè)備，把被測(cè)振動(dòng)體裝在振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生變化的振動(dòng)位移，從而在被測(cè)振動(dòng)體上產(chǎn)生一個(gè)與振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)位移相對(duì)應(yīng)的牽連慣性力而激振。用來(lái)考察產(chǎn)品能否經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)而不至改變其性能或不至于導(dǎo)致機(jī)械損壞。
1966 年，世界上第一臺(tái)正弦振動(dòng)臺(tái)是在日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所誕生的。中國(guó)在60年代前期，主要是中低頻機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)為主，無(wú)法滿足振動(dòng)測(cè)試需求；60年代后期，電液振動(dòng)臺(tái)以其高頻率得以快速發(fā)展，國(guó)防系統(tǒng)專(zhuān)用的振動(dòng)臺(tái)問(wèn)世。70年代，高校、科研院所引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行研究，如同濟(jì)大學(xué)引進(jìn)的雙向電液式振動(dòng)臺(tái)。在70年代末期，世界各國(guó)開(kāi)始了向三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)的研制，日本的日立制作所、三菱以及美國(guó)的MTS公司率先成功完成設(shè)備的研制。1968年MTS公司生產(chǎn)的單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)(尺寸3.65mx3.65m)后，發(fā)展迅速。此外還有美國(guó)的Wyle公司、日本鷺宮制造所、德國(guó)的SCHENCK公司等均可承建地震模擬振動(dòng)臺(tái)。2005年初在兵庫(kù)縣建成了世界最大的振動(dòng)臺(tái)E-Defense(尺寸20mx15m)。2013年7月，由中航一院702所自主研發(fā)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，是具有世界最大推力的振動(dòng)臺(tái)，其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)不但減輕了機(jī)體重量而且還提高了機(jī)體強(qiáng)剛度。
振動(dòng)臺(tái)從其激振方式上可分為三類(lèi)：機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、液壓式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。應(yīng)用范圍很廣泛， 涉及到航空、航天、汽車(chē)、電子、船舶、核設(shè)備、兵器、水利、橋梁和土木建筑等諸多領(lǐng)域，主要的分為國(guó)防力學(xué)環(huán)境模擬、抗震環(huán)境模擬和汽車(chē)振動(dòng)環(huán)境模擬三大類(lèi)。
發(fā)展歷史
國(guó)外
國(guó)外的振動(dòng)臺(tái)研究開(kāi)始較早，始于上個(gè)世紀(jì)50年代，二戰(zhàn)之后由于航空業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步的革新,振動(dòng)測(cè)試技術(shù)迫切要求進(jìn)一步發(fā)展，振動(dòng)設(shè)備迅速發(fā)展，形成了依托于科研單位、大型科技公司、高校的研究模式，逐漸形成了產(chǎn)業(yè)鏈工業(yè)發(fā)展模式，其中日、德、美、英各國(guó)處于振動(dòng)設(shè)備研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。
1966 年，世界上第一臺(tái)正弦振動(dòng)臺(tái)是在日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所誕生的。
70年代末期，世界各國(guó)開(kāi)始了向三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)的研制，日本的日立制作所、三菱集團(tuán)以及美國(guó)的MTS公司率先成功完成設(shè)備的研制。1968年MTS公司生產(chǎn)的單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)(尺寸3.65mx3.65m)后，發(fā)展迅速。此外還有美國(guó)的Wyle公司、日本鷺宮制造所、德國(guó)的SCHENCK公司等均可承建地震模擬振動(dòng)臺(tái)。
從2002年起，日本開(kāi)始實(shí)施“變革計(jì)劃·2002”(“新世紀(jì)重點(diǎn)研究創(chuàng)業(yè)探查變革計(jì)劃·2002”)，這個(gè)項(xiàng)目在防災(zāi)領(lǐng)域特別設(shè)立了一個(gè)“減輕大城市大地震災(zāi)害損失的特別計(jì)劃”，簡(jiǎn)稱(chēng)“大大特”。此特別計(jì)劃于2005年初在兵庫(kù)縣建成了世界最大的振動(dòng)臺(tái)E-Defense(尺寸20mx15m)，E-Defense振動(dòng)臺(tái)在試驗(yàn)時(shí)從三維空間模擬地震振動(dòng)情況采用房屋建筑等實(shí)物結(jié)構(gòu)，這樣試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)。
中國(guó)
中國(guó)振動(dòng)測(cè)試設(shè)備研究起步較晚，60年代前期，主要是中低頻機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)為主，無(wú)法滿足振動(dòng)測(cè)試需求。60年代后期，電液振動(dòng)臺(tái)以其高頻率得以快速發(fā)展，國(guó)防系統(tǒng)專(zhuān)用的振動(dòng)臺(tái)問(wèn)世。70年代，高校、科研院所引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行研究，如同濟(jì)大學(xué)引進(jìn)的雙向電液式振動(dòng)臺(tái)。70年代以后，開(kāi)始研制單向電液式伺服控制振動(dòng)臺(tái)，但對(duì)于多軸的研制還很鮮有涉及。
進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)振動(dòng)臺(tái)研制單位主要有西交大、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、工程力學(xué)研究所等已經(jīng)有了顯著的研究成果,在某一領(lǐng)域擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及國(guó)際先進(jìn)技術(shù)。2013年7月，由中航一院702所自主研發(fā)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，是具有世界最大推力的振動(dòng)臺(tái)，其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)不但減輕了機(jī)體重量而且還提高了機(jī)體強(qiáng)剛度。
工作原理
振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理為通電導(dǎo)體因在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用而運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電磁式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)磁路中的動(dòng)圈中通有交變電流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生激振力，磁路中產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
基本構(gòu)造
振動(dòng)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由如下部件組成：
臺(tái)面及動(dòng)圈組合體
臺(tái)面、動(dòng)圈架、動(dòng)圈的組合體是振動(dòng)臺(tái)的活動(dòng)組件，也是振動(dòng)臺(tái)的核心部件。其中臺(tái)面用于安裝被試產(chǎn)品或夾具，是振動(dòng)輸出的界面。動(dòng)圈是在金屬骨架上繞有多組激磁線圈，功率放大器向處于直流磁場(chǎng)隙縫中的動(dòng)圈繞組輸送交變電流信號(hào)，磁—電感應(yīng)效應(yīng)迫使動(dòng)圈受交變電磁力的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）。
臺(tái)面及動(dòng)圈組合體是懸掛在支撐系統(tǒng)（彈性系數(shù)k）上的一個(gè)慣性質(zhì)量（m），從振動(dòng)試驗(yàn)的要求出發(fā)，這個(gè)質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)的諧振頻率，也就是振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)中通常給出的“空臺(tái)（臺(tái)面上不加負(fù)載）狀態(tài)的一階諧振頻率”應(yīng)該高于振動(dòng)臺(tái)給出的最高工作頻率的上限值，故必須使用彈性模量E與密度p的比剛度（E/p）很高的材料（如鎂鋁合金、皺等）制造臺(tái)面及動(dòng)圈組合體。
勵(lì)磁線圈及導(dǎo)磁體
勵(lì)磁線圈及導(dǎo)磁體由勵(lì)磁線圈、磁鋼體、極芯、極板、短路環(huán)組成。給勵(lì)磁電感線圈通直流電流，在線圈周?chē)a(chǎn)生恒定的強(qiáng)磁場(chǎng)，這個(gè)恒定磁場(chǎng)順著磁鋼體、極芯、極板、短路環(huán)組成的磁路流動(dòng)，形成閉環(huán)的磁路。通以交變電流（振動(dòng)信號(hào)）的驅(qū)動(dòng)線圈（動(dòng)圈）與氣隙中的直流強(qiáng)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生交變的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)“振動(dòng)”的輸出。
圖中的短路環(huán)是安裝在極板或極芯上的，是為了改變磁路系統(tǒng)的等效阻抗而附加的銅環(huán)。起到擴(kuò)展工作頻率范圍，增大振幅和減小波形失真的作用。勵(lì)磁線圈是一個(gè)通以大電流的線圈繞組，在電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)散發(fā)出大量的“熱”，因此良好的散熱是繞制勵(lì)磁線圈以及設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且在振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，滿足勵(lì)磁線圈及動(dòng)圈的良好冷卻的要求也是非常重要的運(yùn)行條件。
臺(tái)體、支座及減振裝置
振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體實(shí)際上是泛指除臺(tái)面及動(dòng)圈等運(yùn)動(dòng)部件等組合體外，振動(dòng)臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分處于“靜止”的各類(lèi)部件的集合體，包括臺(tái)架、耳軸、支座、隔振彈簧等機(jī)械結(jié)構(gòu)，懸掛、支撐及導(dǎo)向裝置，還有產(chǎn)生磁路的勵(lì)磁線圈及導(dǎo)磁體等。
振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的激振力向上推動(dòng)臺(tái)面及其負(fù)載產(chǎn)生振動(dòng)，根據(jù)牛頓第一定律，作用力與反作用力大小相等方向相反，也會(huì)有同樣大小的激振力使振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(圖3)產(chǎn)生振動(dòng)，另一方面，如果振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體直接坐落在地面上，則地面的環(huán)境振動(dòng)也會(huì)傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上，最終合成復(fù)雜的臺(tái)體振動(dòng)，不僅臺(tái)體會(huì)在地面上“跳舞”，而且會(huì)進(jìn)而影響到臺(tái)面的振動(dòng)狀況。因此必須在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體與坐落在地面上的支座之間加裝振動(dòng)隔離裝置，或者在支座與地面之間加隔振裝置。
根據(jù)單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)的理論，如果在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體與坐落在地面上的支座之間加裝空氣彈簧(圖2)，并且使臺(tái)體及其負(fù)載的總負(fù)荷與空氣彈簧組成的質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)的共振頻率低至3Hz以下，則振動(dòng)臺(tái)在高于5Hz以上頻率工作時(shí)，臺(tái)體的振動(dòng)幅值很小，而且通過(guò)空氣彈簧傳輸?shù)降孛娴恼駝?dòng)(激勵(lì))量也很小，不會(huì)引發(fā)振動(dòng)臺(tái)支架出現(xiàn)明顯的“跳動(dòng)”。如果電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在3Hz以下頻率工作，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的諧振將會(huì)使臺(tái)面的振動(dòng)變成臺(tái)體與動(dòng)圈振動(dòng)的合成，使臺(tái)面對(duì)地加速度及位移的測(cè)量增添較大的誤差，有關(guān)這方面的詳細(xì)論述，請(qǐng)參看本書(shū)的第二章的相關(guān)內(nèi)容。
動(dòng)圈的懸掛與支撐
圖4.11、圖4.12、圖4.13中標(biāo)示的是懸掛動(dòng)圈的裝置。臺(tái)面及動(dòng)圈組合體依靠懸掛、支撐裝置懸空在磁路中很窄小的氣隙中運(yùn)動(dòng)。懸掛、支撐裝置需要有足夠的剛度，能夠承擔(dān)起臺(tái)面動(dòng)圈組合體以及夾具、試驗(yàn)件的總質(zhì)量，一般中、小推力的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，安裝組合式板簧(圖4)、搖臂滾裝置(圖5)等機(jī)械構(gòu)件即可。對(duì)于大推力的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，負(fù)載可能重達(dá)幾百千克甚至幾千千克，則必須有輔助的負(fù)載支撐系統(tǒng)，如圖6所示，通過(guò)調(diào)整高壓空氣的供氣壓力以平衡負(fù)載的重量，保持動(dòng)圈的中線始終處于磁路氣隙的中心位置以確保在低頻振動(dòng)時(shí)，充分利用振動(dòng)臺(tái)的最大行程。
導(dǎo)向裝置
振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范要求與主振方向垂直的橫向振動(dòng)與主振方向振幅之比不超過(guò)25%~50%。而且懸浮動(dòng)圈的氣隙很窄，動(dòng)圈直線運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定很容易發(fā)生動(dòng)圈與短路環(huán)或勵(lì)磁線圈的觸碰和摩擦，磨損動(dòng)圈繞組的絕緣，引發(fā)動(dòng)圈短路，甚至燒毀，故必須具有限制動(dòng)圈左右晃動(dòng)和阻撓動(dòng)圈繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置。
圖7是應(yīng)用比較多的直線軸承導(dǎo)向裝置和滾輪導(dǎo)向裝置的簡(jiǎn)圖。直線軸承導(dǎo)向裝置的行程大、體積小、安裝方便，但側(cè)向的剛度不太高，多用于中、小推力的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。滾輪導(dǎo)向裝置的摩擦力小，工作線性度好，側(cè)向剛度高于直線軸承導(dǎo)向裝置，但滾輪導(dǎo)向裝置常有滾輪滑移出現(xiàn)，運(yùn)行的穩(wěn)定性稍差。液體靜壓軸承式的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)具有側(cè)向剛度很高，振動(dòng)臺(tái)面承受偏載能力很強(qiáng)，而且定位精度很高，摩擦阻力很小，有利于改善振動(dòng)的波形的失真度，推薦大位移或大推力的振動(dòng)臺(tái)采用液體靜壓軸承作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。但是這種導(dǎo)向裝置制作成本較高，還需要配置輔助的油壓系統(tǒng)，也可以采用成本較低的空氣靜壓軸承取而代之，但是空氣靜壓軸承的側(cè)向承載能力低很多，而且工作的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遜于液體靜壓軸承，只適用于中等推力的振動(dòng)臺(tái)（有關(guān)流體靜壓的原理請(qǐng)參看液壓振動(dòng)臺(tái)的相關(guān)內(nèi)容）。
消磁線圈
電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的巨大推力來(lái)自電磁的相互作用，振動(dòng)臺(tái)體閉環(huán)磁路中有斷開(kāi)的環(huán)形間隙，有間隙就有漏磁。實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)的產(chǎn)品有很多是電工電子產(chǎn)品，試驗(yàn)中不允許安裝臺(tái)面有明顯的漏磁，故在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面下方都裝有“消磁線圈”，產(chǎn)生與漏磁磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。通過(guò)選擇合適的安裝位置和精心設(shè)計(jì)消磁線圈的電流與匝數(shù)，可以抵消主磁場(chǎng)漏磁的影響，將臺(tái)面的漏磁限制在試驗(yàn)件可接受的量級(jí)之內(nèi)。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
垂直型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)通常都配有水平滑臺(tái)，有時(shí)需要將振動(dòng)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)90°和水平滑臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)水平的振動(dòng)。故在振動(dòng)臺(tái)的支架上安裝有耳軸、軸瓦、回轉(zhuǎn)手柄等部件，可以手動(dòng)或自動(dòng)地調(diào)整臺(tái)體的傾斜角度，滿足實(shí)施垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)轉(zhuǎn)換的要求。
冷卻裝置
流經(jīng)動(dòng)圈和勵(lì)磁繞組的電流因繞線電阻損耗及交變磁場(chǎng)中的渦流損耗等原因，在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作過(guò)程中，振動(dòng)臺(tái)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的“熱”，如果不及時(shí)散失這些熱量，“熱聚”的后果將導(dǎo)致動(dòng)圈或勵(lì)磁繞組短路，甚至燒壞。30~50kN推力以下的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)通常采用強(qiáng)制“風(fēng)冷”的方式，只需要在動(dòng)圈或勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意增加通風(fēng)通道，并提供外接風(fēng)機(jī)通風(fēng)冷卻。推力50kN以上的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)原則上必須采用“水冷”“油冷”或“水冷”+“油冷”混合冷卻方式。后者的勵(lì)磁繞組必須使用中空金屬導(dǎo)線組成閉合回路的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，并有安裝在臺(tái)體外部的二次水冷卻裝置。
基本分類(lèi)
用于振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類(lèi)：機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、液壓式振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。按照振動(dòng)臺(tái)的功能可分為單一的正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。按照振動(dòng)的軸向力可分為單向振動(dòng)臺(tái)和多向振動(dòng)臺(tái)。
機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)
在振動(dòng)試驗(yàn)中使用的機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)種類(lèi)很多，主要有連桿偏心式和慣性離心式兩種。它們的工作原理如下圖所示。慣性離心式振動(dòng)臺(tái)是基于旋轉(zhuǎn)體偏心質(zhì)量的慣性力而引起振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)來(lái)工作的，其工作原理與離心式激振器的工作原理相同。
連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)是基于偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)做交變正弦運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的。振幅大小可通過(guò)改變偏心距的大小來(lái)調(diào)節(jié)，頻率可通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。由于機(jī)械摩擦和軸承損耗的影響，這種振動(dòng)臺(tái)頻率一般不能超過(guò)50Hz。連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠得到很低的頻率，且振幅與頻率的變化無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是不能進(jìn)行高頻激振，小振幅時(shí)失真度較大。一般來(lái)說(shuō)，連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為0.5～20Hz:慣性離心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為10~70Hz，且振幅在大于0.1mm時(shí)效果較好。
總體來(lái)說(shuō)，機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作臺(tái)面大等優(yōu)點(diǎn)，容易產(chǎn)生較大的激振力，同一臺(tái)面上能方便實(shí)現(xiàn)垂直或水平振動(dòng)，能做定頻或掃頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)。缺點(diǎn)是頻率范圍小，振幅調(diào)節(jié)比較困難，機(jī)械摩擦易影響波形，使波形失真度較大。無(wú)法做隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，工作噪聲較大。
電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)
電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)的工作原理與電動(dòng)式激振器相同，只是振動(dòng)臺(tái)上有一個(gè)安裝被激振物體的工作平臺(tái)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量較大。電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)的特點(diǎn)是頻率范圍寬，運(yùn)動(dòng)精度高，以輸出的激振力為主參數(shù)。但臺(tái)面尺寸小，改變振動(dòng)方向不方便?？梢耘浯怪陛o助臺(tái)面以擴(kuò)大臺(tái)面和加大承載能力；可以配水平滑臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)水平振動(dòng)；也可以配隨機(jī)振動(dòng)控制儀，以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)。電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)適合在頻率5～4500Hz的范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)最大位移振幅士25mm，最大加速度120g的正弦或隨機(jī)振動(dòng)。電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)主要用于10Hz以上的振動(dòng)測(cè)量，最大可激發(fā)200N的壓力。
電磁式振動(dòng)臺(tái)
電磁式振動(dòng)臺(tái)的工作原理與電磁式激振器類(lèi)似，其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。振動(dòng)臺(tái)上有一個(gè)安裝被激振物體的工作平臺(tái)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量較大。控制部分由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器等組成。電磁式振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈繞在線圈BOBBIN上，通過(guò)連桿與臺(tái)面剛性連接，并由上下支撐彈簧懸掛在振動(dòng)臺(tái)的外殼上。振動(dòng)臺(tái)的固定部分是由高導(dǎo)磁材料制成的，上面繞有勵(lì)磁線圈，當(dāng)勵(lì)磁線圈通以直流電時(shí)，磁缸的氣隙間就形成強(qiáng)大的恒定磁場(chǎng)，而驅(qū)動(dòng)線圈就懸掛在恒定磁場(chǎng)中。
電磁式振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍很寬，可從從零赫茲到幾千赫茲，最高可達(dá)幾十千赫茲。電磁式振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是，噪音比機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)小，頻率范圍寬，振動(dòng)穩(wěn)定，波形失真度小，振幅和頻率的調(diào)節(jié)都比較方便。
液壓式振動(dòng)臺(tái)
液壓式振動(dòng)臺(tái)是將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械裝置，其原理如下圖所示。其中臺(tái)體由電動(dòng)力式驅(qū)動(dòng)裝置、控制閥、功率閥、液壓缸、高壓油路（供油管路）和低壓油路（回油管路）等主要部件組成。而電動(dòng)力式驅(qū)動(dòng)裝置和電磁式振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器供給驅(qū)動(dòng)電感線圈驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)控制閥工作。由于液壓缸中的活塞同臺(tái)面相連接，控制臺(tái)與功率閥有多個(gè)進(jìn)出油孔，分別通過(guò)管路與液壓缸、液壓泵和油箱相連，這樣在控制閥的控制下，通過(guò)不斷改變油路就可使臺(tái)面按控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行工作。液壓振動(dòng)臺(tái)利用控制閥和功率閥控制高壓油流人液壓缸的流量和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)面的振動(dòng)，臺(tái)面振動(dòng)的頻率和電驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)線圈的振動(dòng)頻率相同。
由于液壓振動(dòng)臺(tái)可比較方便地提供大的激振力，臺(tái)面能承受較大的負(fù)載，因此一般都做成大型設(shè)備，以適應(yīng)大型結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)。它的工作頻率段是零至幾百赫茲。由于臺(tái)面由高壓油推動(dòng)，因而避免了漏磁對(duì)臺(tái)面的影響。但是，臺(tái)面的振動(dòng)波形直接受油壓及油的性能的影響。因此，壓力的脈動(dòng)、油液受溫度的影響等都將直接影響臺(tái)面的振動(dòng)波形。所以，與電磁式振動(dòng)臺(tái)相比，它的波形失真度相對(duì)來(lái)說(shuō)要大一些。
性能指標(biāo)
主要性能范圍
主要性能范圍是指振動(dòng)臺(tái)使用的頻率范圍、能到達(dá)的最大振幅或最大加速度值、振動(dòng)臺(tái)面的最大負(fù)荷等。機(jī)械式、液壓式和電磁式振動(dòng)臺(tái)的典型性能范圍如下圖所示。
振動(dòng)臺(tái)波形的失真度
振動(dòng)臺(tái)波形的失真度是衡量振動(dòng)臺(tái)輸出波形偏離簡(jiǎn)諧波的程度。失真度γ的定義是：
式中E1—輸出波形中基波的有效值；
E2，E3，直到En—波形中各高階諧波分量的有效值。
式中所取的波形是位移(速度或加速度),γ相應(yīng)稱(chēng)為位移失真度(速度或加速度失度)。
振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)或驅(qū)動(dòng)力的質(zhì)量直接決定了振動(dòng)臺(tái)的失真度。此外,機(jī)電部件設(shè)計(jì)不當(dāng)、機(jī)械與電氣的干擾等都或大或小地影響著失真度。對(duì)于一般用途的振動(dòng)臺(tái)，加速度失真度通常不大于10%，最高應(yīng)不大于25%，對(duì)于校準(zhǔn)傳感器用的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)加速度失真度應(yīng)小于5%。
臺(tái)面的橫向運(yùn)動(dòng)
這一指標(biāo)是用來(lái)衡量振動(dòng)臺(tái)在垂直于名義振動(dòng)方向的振動(dòng)的大小，用橫向加速度幅值與名義方向加速度幅值的比來(lái)表示。對(duì)于普通振動(dòng)臺(tái)，此值通常不大于15%，最高應(yīng)不大于25%，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)應(yīng)小于10%。
臺(tái)面各點(diǎn)振動(dòng)的不均勻度
臺(tái)面各點(diǎn)振動(dòng)的不均勻度是指臺(tái)面上各點(diǎn)振動(dòng)的不均勻程度，用臺(tái)面上加速度最大值(或最小值)與臺(tái)面中央點(diǎn)加速度幅值之差與后者的比來(lái)表示。對(duì)于一般用途的振動(dòng)臺(tái),此值通常不大于15%，最高應(yīng)不大于25%，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)通常不大于5%,最高應(yīng)不大于15%。為滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求，需要根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)選擇使用不同類(lèi)型的振動(dòng)臺(tái)。
應(yīng)用領(lǐng)域
振動(dòng)臺(tái)是指能夠在實(shí)驗(yàn)室中人為的產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，應(yīng)用廣泛，種類(lèi)繁多。振動(dòng)臺(tái)用途按其應(yīng)用領(lǐng)域主要分為以下四個(gè)方面；
1)耐疲勞試驗(yàn)：包括產(chǎn)品、構(gòu)件以及材料等。
2)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)：包括檢測(cè)產(chǎn)品或構(gòu)件的共振頻率，模擬產(chǎn)品或構(gòu)件在實(shí)際使用中遭受的振動(dòng)。
3)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)：對(duì)構(gòu)件或材料的物理效應(yīng)(如應(yīng)力變化等)進(jìn)行測(cè)試，為設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。
4)對(duì)各類(lèi)傳感器進(jìn)行標(biāo)定：如加速度計(jì)、速度計(jì)、位移計(jì)等。
發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前振動(dòng)臺(tái)技術(shù)研究難點(diǎn)
振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)發(fā)展至今雖然已相對(duì)成熟, 但當(dāng)中仍有一些基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用層面的問(wèn)題需要更進(jìn)一步的研究:
(1) 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中涉及的理論研究問(wèn)題, 其中包括解決動(dòng)力相似關(guān)系、不同介質(zhì)材料模型試驗(yàn)的相似要求以及重力效應(yīng)失真時(shí)重力加速度的相似要求, 模型尺寸擴(kuò)大或縮小效應(yīng)的影響及相關(guān)設(shè)計(jì)方法等等。
(2) 在制作原結(jié)構(gòu)的仿真模型時(shí), 如何更合理有效地考慮利用不同材料間某些性能的相似關(guān)系進(jìn)行相似合適的替換, 以實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的更優(yōu)的截面特性和材料特性要求等等。
(3) 在后期進(jìn)行模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理工作時(shí), 如何實(shí)現(xiàn)速度、加速度及位移幾個(gè)量綱的互換以及不同波形間關(guān)系的分析比較, 以達(dá)到數(shù)據(jù)更網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)等。
振動(dòng)臺(tái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
(1) 大型足尺試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是基于所建的仿真模型結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)達(dá)到越接近的程度所得模擬效果最精確的標(biāo)準(zhǔn)下, 而受限于振動(dòng)臺(tái)尺寸和載重大小的限制, 因而發(fā)展大型足尺試驗(yàn), 使得仿真結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)達(dá)到更高程度的相似度是提高結(jié)果準(zhǔn)確性的必然趨勢(shì)。
(2) 全數(shù)字控制技術(shù)。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的控制系統(tǒng)采用的是以模擬控制技術(shù)為基礎(chǔ), 輔以數(shù)字控制技術(shù)作補(bǔ)充的形式運(yùn)作。二者比較而言數(shù)字控住技術(shù)具有提升系統(tǒng)自動(dòng)化操作水平及提高計(jì)算結(jié)果精度等卓越的優(yōu)勢(shì), 因而發(fā)展全數(shù)字控制技術(shù)也將是振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)革新的一個(gè)熱點(diǎn)潮流。
(3) 地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣。地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣, 如圖7所示是多個(gè)振動(dòng)臺(tái)協(xié)同工作的組合型試驗(yàn)裝置, 在解決多維度廣地點(diǎn)地震場(chǎng)效應(yīng)問(wèn)題具有重大的應(yīng)用價(jià)值, 是一種創(chuàng)新性的具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)的新型動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備, 能夠解決大跨度、不規(guī)則等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究問(wèn)題。
參考資料 >