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激振設(shè)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(jié)構(gòu)的壓電晶體激振器、高頻激振的磁致伸縮激振器和高聲強(qiáng)激振器等。

激振設(shè)備的分類

按使用方式：

振動(dòng)臺(tái)：機(jī)械式、電動(dòng)式、液壓式→分布力

激振器：機(jī)械式、電動(dòng)式、液壓式→集中力

按工作原理：

機(jī)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(zhuǎn)→ 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(jī)振動(dòng)、任意波形振動(dòng)

激振設(shè)備的基本特性參數(shù)

• 最大激振力

• 最大負(fù)荷

• 最大空載和滿載加速度

• 最大位移和最大速度

• 使用頻率范圍

• 失真度

• 臺(tái)面的均勻度

• 臺(tái)面的橫向運(yùn)動(dòng)

1. 機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)與激振器

(1) 直接驅(qū)動(dòng)式

當(dāng)它們的主軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，臺(tái)面即產(chǎn)生確定的振動(dòng)→臺(tái)面是由主軸經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)的。臺(tái)面的位移如下式：

直接驅(qū)動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)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(zhuǎn)速度確定

• 轉(zhuǎn)速是可調(diào)的

• 頻率范圍窄，下限頻率決定于調(diào)速機(jī)構(gòu)在低速時(shí)穩(wěn)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(tái)

工作原理：兩個(gè)轉(zhuǎn)軸通過(guò)一對(duì)齒輪齒和，并由電機(jī)帶動(dòng)以相等的角速度、相反的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上，如果兩偏心塊的相對(duì)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(zhuǎn)軸以等角速度轉(zhuǎn)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(yàn)的物體上。其激振力的大小：

2. 電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)與激振器

(1) 電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)

組成：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)---線圈骨架、線圈、連桿、支撐彈簧和臺(tái)面；磁路系統(tǒng)---勵(lì)磁線圈(永久磁鐵)、環(huán)形空氣隙和外殼。

工作原理：利用帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)由勵(lì)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(qiáng)大的恒定磁場(chǎng)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交變信號(hào)，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(tǒng)運(yùn)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(tái)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(shù)ke和ce分別為臺(tái)面相對(duì)動(dòng)圈的剛度和阻尼系數(shù)。

b. 運(yùn)動(dòng)方程

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

令

則有：

其中：

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

則有

將兩種情況結(jié)合起來(lái)得振動(dòng)臺(tái)頻率特性曲線為：

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(diào)節(jié)和控制

• 操作方便，可實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)

• 造價(jià)高

(2) 電動(dòng)式激振器

結(jié)構(gòu)如圖所示，驅(qū)動(dòng)線圈7固裝在頂桿4上，并由支承彈簧1支承在殼體2中，線圈7正好位于磁極與鐵芯6的氣隙中。當(dāng)線圈7通入交變電流i時(shí)，根據(jù)磁場(chǎng)中載流體受力的原理，線圈將受到與電流i成正比的電動(dòng)力的作用，此力通過(guò)頂桿傳到被測(cè)對(duì)象，即為激振力。

注意：由頂桿施加到被激對(duì)象上的激振力，不等于線圈受到的電動(dòng)力。傳動(dòng)比(電動(dòng)力與激振力之比)與激振器運(yùn)動(dòng)部分和被測(cè)對(duì)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(shù)。只有當(dāng)激振器可動(dòng)部分質(zhì)量與被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量相比可略去不計(jì)，且激振器與被激對(duì)象的連接剛度好，頂桿系統(tǒng)剛性也很好的情況下才可以認(rèn)為電動(dòng)力等于激振力

(3) 絕對(duì)式電動(dòng)激振器的安裝一

以下是幾種安裝方式：

a. 當(dāng)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(tǒng)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(duì)象上。此方法僅適合用于被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)。

(4) 絕對(duì)式電動(dòng)激振器的安裝二

為了保證測(cè)試精度，做到正確施加激振力，必須在激振器與被激對(duì)象之間用一根在激勵(lì)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(duì)被激對(duì)象的附加約束。此外，一般在柔性桿的一端串聯(lián)著一力傳感器，以便能夠同時(shí)測(cè)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(duì)回轉(zhuǎn)件的激振，如圖所示。一定頻率的交變信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，通入繞在鐵芯上的線圈中，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(yàn)對(duì)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(dǎo)磁系數(shù)；la，lm為氣隙平均厚度與鐵芯磁路長(zhǎng)度；w為線圈匝數(shù)。

設(shè)通入線圈的電流i是簡(jiǎn)諧變化的(a)，即i=sinwt。不論磁鐵極性怎樣，對(duì)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(yīng)強(qiáng)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(duì)激振試驗(yàn)有時(shí)會(huì)帶來(lái)一些麻煩。若在鐵芯上另繞一個(gè)線圈，并通入直流電使鐵芯預(yù)磁化。此時(shí)吸力的簡(jiǎn)諧性大有改善，因?yàn)榧由现绷麟姾螅瑲庀兜拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度為Bi=B0+B1sinwt，吸力為：

若預(yù)磁化有適當(dāng)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(yù)磁化也不宜過(guò)大而導(dǎo)致鐵芯飽和。

由于鐵磁材料的磁通-電流特性曲線的非線性，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(duì)象的渦流效應(yīng)及線圈的集膚效應(yīng)，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(shù)百Hz，力幅為數(shù)N至數(shù)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似的優(yōu)點(diǎn)外，試驗(yàn)對(duì)象不限于鐵磁材料，只要是導(dǎo)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(cè)面。它在試件周圍形成一個(gè)恒定磁場(chǎng)，繞有線圈的鐵芯置于試件下方，與試件保持一定間隙，當(dāng)交變電流通入線圈時(shí)，就有交變磁通穿過(guò)試件，在試件上感應(yīng)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(qiáng)度和輸入電流的強(qiáng)度，并與試件的材質(zhì)以及試件與激振器安裝的相對(duì)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(jié)構(gòu)原理如圖所示。

信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)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(fù)運(yùn)動(dòng)，并以頂桿1去激勵(lì)被激對(duì)象。活塞端部輸入一定油壓的油，形成靜壓力p* ，對(duì)被激對(duì)象施加預(yù)載荷。用力傳感器測(cè)量交變激勵(lì)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(diào)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(shù)百Hz，其波形也比電動(dòng)式激振器差。此外，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求也高，并需一套液壓系統(tǒng)，成本較高。

液壓振動(dòng)臺(tái)

它的功能與特點(diǎn)：

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

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

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

d. 可實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量、大尺寸產(chǎn)品的長(zhǎng)行程振動(dòng)試驗(yàn)。

6. 壓電晶體激振器

工作原理：利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，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(yàn)物體表面，在它的兩個(gè)極化面上加交變電壓，當(dāng)晶體片產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)帶動(dòng)試件產(chǎn)生相應(yīng)的變形，這樣在試件的局部區(qū)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(jié)構(gòu)

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(gòu)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(duì)持續(xù)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。