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激振設備

常用的激振器有電動(dòng)式、電磁式和電液式三種，此外還有用于小型、薄壁結構的壓電晶體激振器、高頻激振的磁致伸縮激振器和高聲強激振器等。

激振設備的分類(lèi)

按使用方式：

振動(dòng)臺：機械式、電動(dòng)式、液壓式→分布力

激振器：機械式、電動(dòng)式、液壓式→集中力

按工作原理：

機械式、電動(dòng)式、液壓式、壓電式、磁吸式

按振動(dòng)方向：

單方向：垂直、水平、扭轉→ 一維振動(dòng)

多方向：垂直、水平→二維平面或三維空間振動(dòng)

按振動(dòng)波形：

簡(jiǎn)諧振動(dòng)、沖擊振動(dòng)、隨機振動(dòng)、任意波形振動(dòng)

激振設備的基本特性參數

• 最大激振力

• 最大負荷

• 最大空載和滿(mǎn)載加速度

• 最大位移和最大速度

• 使用頻率范圍

• 失真度

• 臺面的均勻度

• 臺面的橫向運動(dòng)

1. 機械式振動(dòng)臺與激振器

(1) 直接驅動(dòng)式

當它們的主軸由電機帶動(dòng)旋轉時(shí)，臺面即產(chǎn)生確定的振動(dòng)→臺面是由主軸經(jīng)過(guò)一個(gè)機構直接驅動(dòng)的。臺面的位移如下式：

直接驅動(dòng)式振動(dòng)臺的特點(diǎn)：

• 振幅的大小由偏心距確定

• 振動(dòng)頻率由偏心輪回轉速度確定

• 轉速是可調的

• 頻率范圍窄，下限頻率決定于調速機構在低速時(shí)穩定程度，上限頻率受軸承磨損等因素的影響，不會(huì )太高，一般在50-60赫茲。

• 輸出波形較差

(2) 離心式振動(dòng)臺

工作原理：兩個(gè)轉軸通過(guò)一對齒輪齒和，并由電機帶動(dòng)以相等的角速度、相反的轉向轉動(dòng)，每一軸上有一質(zhì)量為m、偏心距為e的偏心塊，每一偏心塊就有一離心力作用在轉軸上，如果兩偏心塊的相對位置配置的好，則兩個(gè)力的水平分力相互平衡，而垂直分力合成為一合力，若轉軸以等角速度轉動(dòng)，則合力呈簡(jiǎn)諧變化，這個(gè)力通過(guò)激振器的外殼作用于被試驗的物體上。其激振力的大小：

2. 電動(dòng)式振動(dòng)臺與激振器

(1) 電動(dòng)式振動(dòng)臺

組成：運動(dòng)系統---線(xiàn)圈骨架、線(xiàn)圈、連桿、支撐彈簧和臺面；磁路系統---勵磁線(xiàn)圈(永久磁鐵)、環(huán)形空氣隙和外殼。

工作原理：利用帶電導體在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生運動(dòng)。當由勵磁電源供以直流電流后，就在磁路的環(huán)形氣隙中形成一個(gè)強大的恒定磁場(chǎng)，信號發(fā)生器產(chǎn)生交變信號，經(jīng)功率放大器放大后，輸入到動(dòng)圈，它與磁場(chǎng)作用即產(chǎn)生一個(gè)交變的力，推動(dòng)可動(dòng)系統運動(dòng)。若輸入電流呈簡(jiǎn)諧變化時(shí)，則力的大小為：

頻率特性

a. 力學(xué)模型

如圖所示，其中m1和m2分別為臺面和動(dòng)圈質(zhì)量ks和cs分別支撐彈簧的剛度和阻尼系數ke和ce分別為臺面相對動(dòng)圈的剛度和阻尼系數。

b. 運動(dòng)方程

當ω較低時(shí)，由于Ke≥Ks，m1和m2可看作是剛體連接，系統可簡(jiǎn)化為如圖a所示的單自由度系統，其運動(dòng)方程為：

令

則有：

其中：

當w較高時(shí)，由于Ks≤ Ke，可忽略，系統可簡(jiǎn)化為如圖b所示的兩自由度系統，其運動(dòng)方程為：

則有

將兩種情況結合起來(lái)得振動(dòng)臺頻率特性曲線(xiàn)為：

特點(diǎn)：

• 頻率范圍寬，下限1-10Hz，上限  上萬(wàn)Hz。

• 輸出加速度波形好

• 輸出推力大，易調節和控制

• 操作方便，可實(shí)現多種波形振動(dòng)

• 造價(jià)高

(2) 電動(dòng)式激振器

結構如圖所示，驅動(dòng)線(xiàn)圈7固裝在頂桿4上，并由支承彈簧1支承在殼體2中，線(xiàn)圈7正好位于磁極與鐵芯6的氣隙中。當線(xiàn)圈7通入交變電流i時(shí)，根據磁場(chǎng)中載流體受力的原理，線(xiàn)圈將受到與電流i成正比的電動(dòng)力的作用，此力通過(guò)頂桿傳到被測對象，即為激振力。

注意：由頂桿施加到被激對象上的激振力，不等于線(xiàn)圈受到的電動(dòng)力。傳動(dòng)比(電動(dòng)力與激振力之比)與激振器運動(dòng)部分和被測對象本身的質(zhì)量剛度、阻尼等因素有關(guān)，而且還是頻率的函數。只有當激振器可動(dòng)部分質(zhì)量與被測對象的質(zhì)量相比可略去不計，且激振器與被激對象的連接剛度好，頂桿系統剛性也很好的情況下才可以認為電動(dòng)力等于激振力

(3) 絕對式電動(dòng)激振器的安裝一

以下是幾種安裝方式：

a. 當要求作較高頻率的激振時(shí)，激振器用軟彈簧懸掛起來(lái)，并加上必要的配重，以盡量降低懸掛系統的固有頻率，使它低于激振頻率1/3以上。

b. 低頻激振時(shí)則將激振器剛性地安裝在地面或剛性很好的架子上。

c. 在很多無(wú)法找到安裝激振器的參考物場(chǎng)合，可將激振器用彈簧支撐在被激對象上。此方法僅適合用于被測對象的質(zhì)量遠遠超過(guò)激振器質(zhì)量，且激振頻率大于激振器安裝固有頻率的振動(dòng)試驗。

(4) 絕對式電動(dòng)激振器的安裝二

為了保證測試精度，做到正確施加激振力，必須在激振器與被激對象之間用一根在激勵力方向上剛度很大而橫向剛度很小的柔性桿連接，既保證激振力的傳遞又大大減小對被激對象的附加約束。此外，一般在柔性桿的一端串聯(lián)著(zhù)一力傳感器，以便能夠同時(shí)測量出激振力的幅值和相位角

3. 電磁式激振器

電磁式激振器直接利用電磁力作激振力，常用于非接觸激振場(chǎng)合。特別是對回轉件的激振，如圖所示。一定頻率的交變信號經(jīng)功率放大器放大后，通入繞在鐵芯上的線(xiàn)圈中，這時(shí)在磁極附近就形成一個(gè)交變磁場(chǎng)，處在磁場(chǎng)中的磁性試驗對象就受到交變的吸力，吸力的大小近似為：

其中：Ra為空氣隙磁阻；Rm為鐵芯磁路的磁阻；Sa，Sm為氣隙與鐵芯的截面積；μa，μm為氣隙與鐵芯材料導磁系數；la，lm為氣隙平均厚度與鐵芯磁路長(cháng)度；w為線(xiàn)圈匝數。

設通入線(xiàn)圈的電流i是簡(jiǎn)諧變化的(a)，即i=sinwt。不論磁鐵極性怎樣，對磁鐵材料均有吸引力，故激振力是脈動(dòng)力(圖b)，因此時(shí)氣隙中的磁感應強度Bi，亦呈簡(jiǎn)諧變化。Bi=Bsinwt，得吸力為：

這種脈動(dòng)的激振力除了包含有恒力F0以外，主要的諧波頻率是電流頻率的兩倍，這對激振試驗有時(shí)會(huì )帶來(lái)一些麻煩。若在鐵芯上另繞一個(gè)線(xiàn)圈，并通入直流電使鐵芯預磁化。此時(shí)吸力的簡(jiǎn)諧性大有改善，因為加上直流電后，氣隙的磁感應強度為Bi=B0+B1sinwt，吸力為：

若預磁化有適當大小，使B0≥B1，則有F1≥F2，即除了恒力F0以外，吸力中主要成分的頻率是w(圖c)，預磁化也不宜過(guò)大而導致鐵芯飽和。

由于鐵磁材料的磁通-電流特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，激振力一般失真度較大。此外高頻時(shí)由于電磁鐵及被激對象的渦流效應及線(xiàn)圈的集膚效應，激振力會(huì )大幅下降，這種激振器常用的頻率范圍為20至數百Hz，力幅為數N至數百N。

4. 渦流式不接觸激振器

渦流式激振器是一種新興的不接觸激振器，除了有磁吸式激振器類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)外，試驗對象不限于鐵磁材料，只要是導體即能適用。

渦流式激振器的工作原理

渦流式激振器有兩個(gè)磁路(圖a)。高磁能的永久磁鐵置于試件的側面。它在試件周?chē)纬梢粋€(gè)恒定磁場(chǎng)，繞有線(xiàn)圈的鐵芯置于試件下方，與試件保持一定間隙，當交變電流通入線(xiàn)圈時(shí)，就有交變磁通穿過(guò)試件，在試件上感應出與輸入電流同頻率的交變渦流，渦流與恒磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生如圖b所示鉛垂方向的交變激振力F。激振力的頻率與電流頻率相同，其幅值大小正比于恒磁場(chǎng)強度和輸入電流的強度，并與試件的材質(zhì)以及試件與激振器安裝的相對位置有關(guān)，定量確定比較困難。

5. 電液式激振器

電液式激振器結構原理如圖所示。

信號發(fā)生器的信號經(jīng)過(guò)放大后，經(jīng)由電動(dòng)激振器，操縱閥和功率閥所組成的電液伺服閥2，控制油路使活塞3作往復運動(dòng)，并以頂桿1去激勵被激對象。活塞端部輸入一定油壓的油，形成靜壓力p* ，對被激對象施加預載荷。用力傳感器測量交變激勵力p1和靜壓力p*。

電液式激振器的優(yōu)點(diǎn)：激振力大，行程大。但由于油液的可壓縮性和調整流動(dòng)壓力油的摩擦，使電液式激振器的高頻特性變差，一般只適用于較低的頻率范圍，通常為零點(diǎn)幾Hz到數百Hz，其波形也比電動(dòng)式激振器差。此外，它的結構復雜，制造精度要求也高，并需一套液壓系統，成本較高。

液壓振動(dòng)臺

它的功能與特點(diǎn)：

a. 實(shí)現正弦振動(dòng)、隨機振動(dòng)、多點(diǎn)激振及沖擊碰撞；

b. 可實(shí)現低頻振動(dòng)，并且推力大、防爆，因此可以應用于模擬地震激勵、彈藥裝填等；

c. 高強度的鑄鋁或鑄鎂臺面，保證了振動(dòng)的均勻和一致性，重現性高，避免臺面產(chǎn)生變形；

d. 可實(shí)現大質(zhì)量、大尺寸產(chǎn)品的長(cháng)行程振動(dòng)試驗。

6. 壓電晶體激振器

工作原理：利用壓電晶體的逆壓電效應，即在壓電晶體的兩個(gè)極化面上加交變電流時(shí)，在它的某一方向就會(huì )發(fā)生伸縮或剪切變形

使用方法：用膠將壓電晶體粘帖在試驗物體表面，在它的兩個(gè)極化面上加交變電壓，當晶體片產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì )帶動(dòng)試件產(chǎn)生相應的變形，這樣在試件的局部區域起激振作用，而引起整個(gè)試件的振動(dòng)

特點(diǎn)：

a. 激振力很小，大小與晶體片的大小及所施加的交變電壓有關(guān)。

b. 僅適用于輕薄結構

c. 有附加質(zhì)量和附加剛度

7. 沖擊力錘

組成：由壓電力傳感器配以錘體、錘頭蓋和錘把等零件構成

產(chǎn)生的波形：半正弦波

特點(diǎn)：

a. 錘頭蓋材料不同，產(chǎn)生的波形的作用時(shí)間和主瓣頻率不同。

b. 垂體質(zhì)量主要影響沖擊力幅值，對持續時(shí)間也略有影響。

c. 沖擊能量主要集中在 0-1/τ，主瓣頻率大約為3/2τ

d. 沖擊力大小一般與錘體質(zhì)量有關(guān)，錘體大，沖擊力也約大。