第3章机械装备动态性能4-5节

第4节激振设备振动激振设备主要是振动台和激振器。通常，激振器是安装在被测物体上直接激振，从而产生一个干扰力并作用于被测结构物上；而振动台是把被测物体装在振动平台上，振动台产生一个变化的振动位移，从而在被测物体上产生一个与振动台的振动位移相对应的牵连惯性力而激振。激振设备产生干扰力使被测物体发生强迫振动，可以方便地实现在测试实验时被测物体所要求的强迫振动形式。激振设备种类很多，根据结构原理可分为机械式、电磁式、液压式和压电式等多种形式。一、激振器1、机械惯性式激振器这种激振器是利用偏心质量的旋转，使之产生周期变化的离心力，以起激振作用。由两个带偏心质量而反向等速旋转的齿轮结构组成的机械惯性式激振器如图惯性式激振器示意图偏心质量齿轮旋转时，两质量的惯性力的合力在铅区直方向以简谐规律变化，在水平方向合力为零，则激振力的大小使用时，将激振器固定在被测物体上，激振力带动物体一起振动。此类激振器一般都用直流电动机带动，改变直流电动机的转速可调节干扰力的频率。这种激振器的优点是，制造简单，能获得从较小到很大的激振力（0至几千公斤）；缺点是工作频率范围很窄，一般为0至100Hz。由于受转速的影响，激振力大小无法单独控制，另外，机械惯性式激振器本身质量较大，对被激振系统的固有频率有一定影响，且安装使用很不方便。2、电磁式激振器电磁式激振器是将电能转换成机械能，并将其传递给试验结构的一种仪器。其结构原理示意图如图电磁式激振器由磁路系统（包括励磁线圈、中心磁级、磁极板）与动圈、弹簧、顶杆、外壳等组成。动圈固定在顶杆上，处在中心磁极与磁极板之间的空气气隙中；顶杆由弹簧支撑，工作时顶杆处于限幅器的中间，弹簧与壳体相连接。在励磁线圈中输人直流电流，使中心磁极在磁极板的空气气隙中形成一个强大的磁场；同时再给动圈输人一个交变电流Ie，电流在磁场的作用下产生的电磁感应力力F使顶杆作上下运动，由顶杆传给试件的激振力是电磁感应力F和可动部分的惯性力、弹性力、阻尼力等的合力。但由于激振器的可动部分质量很小，弹簧较软（激振器弹簧通常做成失稳状态，即在一定范围内，弹簧力不随弹簧变形而改变），所以在一般情况下，其惯性力、弹性力和阻尼力可以忽略。当输人动圈内的电流Ie。以简谐规律变化时，则通过顶杆作用在物体上的激振力也以简谐规律变化。使用这种激振器时，是将它放置在相对于被测试物体静止的地面上，并将顶杆顶在被测试物体的激振处，顶杆端部与被测试物体之间要有一定的预压力，使顶杆处于限幅器中间，且要注意满足相应的跟随条件式。激振前顶杆应处于振动的平衡位置，这样激振器的可动部分和固定部分才不发生相应的碰撞。与电磁式激振器配套使用的仪器有信号发生器、功率放大器和直流稳压电源。连接方框图如图所示。（磁场采用永久磁铁产生时，激振器不需要直流电源。）电磁式激振器系统连接示意方框图信号发生器是产生一定形式、一定频率范围和一定大小振动信号的设备，并向多功能形式发展，即同一信号发生器可产生多种振动信号，正弦、脉冲（分波、三角波）随机和瞬态随机等多种激振信号。功率放大器是将信号发生器输出的电压信号进行放大，给激振器提供与电压信号成正比的电流，以使电磁式激振器产生符合要求的激振力。电磁式激振器的优点是能获得较宽频带（从零赫兹到1万赫兹）的激振力，即产生激振力的频率范围较宽。而可动部分质量较小，从而对被测物体的附加质量和附加刚度较小，使用也方便。因此，应用比较广泛，但这种激振器的缺点是不能产生太大的激振力。电磁式激振器的安装方式有许多种，一般以下面三种安装方式为主。1．激振器固定安装方式如图所示，这种固定方式要求安装后，激振系统的共振频率要高于激振器工作频率的3-4倍以上。为此，应尽可能采用刚性较好的支架。在这种情况下，传递给试件的激振力就等于驱动线圈产生的电磁感应力F。激振器固定安装方式2．弹性悬挂安装方式用弹簧或橡皮绳将激振器悬挂在支架上，如图所示。它要求安装频率要远低于激振器的工作频率。此时施加于试件的激振力近似地等于驱动线圈产生的电磁感应力F。用手握激振器对试件做激振试验就属于这种安装方式，一般手握激振器的固有频率大约为2Hz一3Hz。激振器悬挂安装方式3．弹性安装方式弹性安装方式如图示，它适用于试验物体的质量远大于激振器的质量，激振器的工作频率远远高于安装共振频率的情况。激振器弹性安装方式从以上三种安装方式可以看出，激振器都通过激振顶杆和试件刚性地连接在一起，或者通过预压力和试件连接起来。这样，试件就等于在激振点处附加了一定的质量、刚度和阻尼，它对试件的动态参数会产生一定的影响。因此激振器的选择原则是以能激起试件振动为前提，尽量选用功率小、质量小、刚度小的激振器。对于轻型结构、刚度很弱（如薄板）的试件，则要采用非接触式激振器激振为好。二、振动台机械式振动台有连杆偏心式和惯性离心式两种。它们的工作原理如图所示。惯性离心式振动台是基于旋转体偏心质量的惯性力而引起振动平台的振动来工作的，其工作原理与离心式激振器的工作原理相同。连杆偏心式振动台是基于偏心轮转动时，通过连杆机构而使工作台作交变正弦运动来工作的。振幅大小可用改变偏心距的大小来调节，频率可用改变电动机转速来调节。1、机械式振动台机械式振动台的工作原理由于机械摩擦和轴承损耗的影响，这种振动台频率一般不能超过50Hz。连杆偏心式振动台的主要优点是能够得到很低的频率，且振幅与频率的变化无关；主要缺点是不能进行高频激振，小振幅时失真度较大。一般来说，连杆偏心式振动台的有效频率范围为0.5Hz-20Hz；惯性离心式振动台的有效频率范围为10Hz--70Hz，且振幅在大于0.1mm以上时效果较好。机械式振动台的优点是结构简单，容易产生比较大的振幅和激振力；缺点是频率范围小，振幅调节比较困难，机械摩擦易影响波形，使波形失真度较大。2、电磁式振动台电磁式振动台的结构原理与电磁式激振器极为相似，如图示。它的驱动线圈绕在线圈骨架上，通过连杆与台面刚性连接，并由上下支撑弹簧悬挂在振动台的外壳上。振动台的固定部分是由高导磁材料制成的，上面绕有励磁线圈，当励磁线圈通以直流电流时，磁缸的气隙间就形成强大的恒定磁场，而驱动线圈就悬挂在恒定磁场中。电磁式振动台结构原理图电磁式振式台的优点是，噪音比机械式振动台小，频率范围宽，振动稳定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。缺点是有漏磁场的影响，有些振动台低频特性较差。电磁式振动台的外形如图所示。振动台的外形如图控制系统分为三路，一路是励磁部分，它主要给励磁线圈提供励磁电流而产生恒定的磁场；另一路是激励部分，它主要由信号发生器和功率放大器等组成，其输出信号接到振动台的驱动线圈上，以使其产生频率和幅值均为可调的振动信号；第三路是测量部分，其传感器装在台体内，测量放大器的输出可接各种显示和记录设备。该部分用来测量台面的位移、速度和加速度值。整个控制系统组装在控制柜中。3、液压式振动台液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动的一种机械，其原理如图所示。台体由电动力式驱动装置、控制阀、功率阀、液压缸、高压油路（供油管路）和低压油路（回油管路）等主要部件组成。电动力式驱动装置由信号发生器、功率放大器供给驱动线圈驱动电信号，从而驱动控制阀工作。由于液压缸中的活塞同台面相连接，控制阀与功率阀有多个进出油孔，分别通过管路与液压缸、液压泵和油箱相连，这样在控制阀的控制下，通过不断改变油路就可使台面按控制系统的要求进行工作。实际的液压振动台工作在闭环控制状态，它的控制系统方框图如图所示。信号发生器产生的振动信号与各反馈回路传感器测量得到的阀位移、液压脉动及台面位移信号一起在控制部分进行处理，最后产生误差信号送到电动驱动装置的驱动线圈中，然后经控制阀和功率阀使振动台产生稳定的振动。液压振动台控制系统方框图由于液压振动台可比较方便地提供大的激振力，台面能承受大的负载，因此一般都做成大型设备，以适应大型结构的模型试验。它的工作频率段下限可低至零赫，上限可达几百赫。由于台面由高压油推动，因而避免了漏磁对台面的影响。但是，台面的振动波形直接受油压及油的性能的影响。因此，压力的脉动、油液受温度的影响等都将直接影响台面的振动波形。所以，与电磁式振动台相比，它的波形失真度相对来说要大一些。四、其它激振方法1、磁动式激振器磁动式激振器是一种非接触式激振器。一般轻型结构或质量小、刚度很弱的试件进行激振试验时常采用它，它对被激励的物体的动态特性没有什么影响。磁动式激振器原理图磁动式激振器激振力变化曲线2、压电晶体片激振把晶体片用502胶或914胶粘贴在试件上（一般粘贴在应变最大处），利用压电晶体的逆压电效应，在晶体片的两个极面上加一正弦的交变电压，晶体片就会产生正弦交变的伸缩，该伸缩力作用在被测部件上，就可激励它产生强迫振动。若保持晶体片两个极面上的电压幅值不变，逐步改变电压的频率，使被激励试件产生共振，从而就能找到共振频率，并可测出幅频曲线等振动参数。晶体片激振适用于比较小的轻型结构及刚度很弱的连续体的激振，由于晶体片比较小，对激振系统带来的附加质量和附加刚度也比较小。3、力锤及应用力锤又称手锤，是目前试验模态分析中经常采用的一种激励设备。它的结构有两种形式，如图所示。它由锤帽、锤体和力传感器等几个主要部件组合而成。当用力锤敲击试件时，冲击力的大小与波形由力传感器测得并通过放大记录设备记录下来。因此，力锤实际上是一种手握式冲击激励装置。使用不同的锤帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲，相应的力谱也不同。常用的锤帽材料有橡胶、尼龙、铝、钢等。使用不同的锤帽材料，力谱的带宽不同。一般橡胶锤帽的带宽窄，钢最宽。因此，使用力锤激励结构时，要根据不同的结构和分析频带选用不同的锤帽材料。第5节基本振动参数的测量及仪器设备本节将介绍振动系统振动参数的一般测量方法，包括：简谐振动的频率及振幅的测量、两个同频简谐振动相位差的测量、衰减系数的测量以及用光学原理对振幅的测量。同时还对振动测量中应该注意的问题及相应的仪器设备的工作原理加以说明。一、简谐振动频率的测量1、李萨如图形比较法利用示波器、信号发生器以及常用的振动信号测试设备所组成的测试系统，来测简谐振动的振动频率，称之为李萨如图形比较法。运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运动轨迹，称为李萨如图形。使用李萨如图形法测量振动频率的测量系统如图示，它是把被测振动信号送入示波器的垂直偏转轴Y，而把已知频率的比较电压信号（由信号发生器提供）送人水平偏转轴X，这时在电子示波器的显示屏上将形成李萨如图形。李萨如图形，可用数学方法加以说明。李萨如图形测频的实验框图此式是一个正椭圆方程，其李萨如图形为一个正椭圆图形。通过频谱分析仪对周期信号的频率成分（谐波）的分析，从而测量出信号所包含的各次谐波频率和幅值。这种方法是复杂周期信号频率测量的主要方法。根据仪器选择的不同，信号的分析频率可从5Hz到20000Hz；频率分辨能力可从若干赫提高到0．1Hz左右2、用频谱分析仪测量将信号输人仪器，可直接读出信号的频率值（和幅值）。这种方法使用方便，波形也不限于正弦波，但它要求被测信号基波频率比较稳定。频率计数器有指针式和数字式两种3、用频率计测量将振动信号与时标信号同时记录在纸带上，根据时标刻度即可计算出信号的频率（或周期）。大多数记录仪都有时标信号，使用十分方便。这种方法的测量误差比较大，但是它可以测定随时间变化的振动频率，也可测量两个以上随时间变化的振动频率之间的关系；特别适用于试件作自由衰减振动时固有频率的测量4、用记录信号波形与时标对比测量用闪光灯照射物体，由小到大地调节闪光频率，当第一次看到振动物体好象静止或缓慢移动时，则闪光频率就等于或近似等于物体的振动频率（或回转体的回转频率）。闪光测频适用于较大的、明显可见振动位移的振动物体的频率测定。常用于测量回转体的回转频率5、闪光测量频率1、用振动测量仪测量将信号输入仪器，根据仪器所指示的数值（或电压值），直接读出（或利用系统的电压灵敏度计算出）物体的振幅。大部分振动测量仪内设有积分、微分电路二、简谐振动幅值的测量2、用电压表测量将信号输入仪器，根据仪器所指示的电压值及