振動試驗中多點控制方法的分析與應用*

陳 寧， 魏永勝

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030000; 2.中國神華神東煤炭集團，陜西 神木 719300)

振動試驗中多點控制方法的分析與應用*

陳 寧1， 魏永勝2

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030000; 2.中國神華神東煤炭集團，陜西 神木 719300)

振動試驗作為檢驗產品可靠性及模擬產品真實使用環(huán)境的一種有效手段，已被廣泛應用于礦用電氣產品的性能考核試驗中。首先簡單介紹了正弦掃頻振動試驗，然后就工作中遇到的幾個試驗，說明在振動試驗中，多點式傳感器控制方法相對于單點控制，可以較好地保證試驗的準確性，從而避免"過試驗"或"欠試驗"情況的發(fā)生。

正弦振動；控制方法；傳感器

Abstract: As an effective means of simulation reliability in the real environment, vibration test has been widely used in the performance test of mine electrical products. In this paper， the sinusoidal vibration test is introduced, and then through several tests from usually work, it is illustrated that the multi control points method in vibration test can be used to ensure the accuracy of the test, compared with a single point of control, it can avoid overtesting or undertesting situation.

Key words: sinusoidal vibration；control method；sensor

0 引 言

礦用采、掘、運等機械用電氣設備從井上到井下各場所的運輸及設備運行過程中，要承受振動、沖擊、搖擺、離心加速度、顛振等多種形式不同程度的機械力作用[1]。其中振動對設備結構危害最大，長期振動能使設備因振動應力而產生疲勞破壞，影響機電設備的正常工作。為了全面提高礦用電氣設備的可靠性，降低電氣設備的故障率，利用振動試驗來模擬礦用電氣設備在井下的實際運行情況，從而考核其抗振動能力十分必要。

目前在國家標準和礦用設備標準都規(guī)定了利用正弦振動對礦用電氣設備進行試驗的方法以及嚴酷等級。但是針對各類樣品及其不同的使用環(huán)境，應該選擇相應的試驗方法。如果試驗設計中控制方式或夾具使用不當，將對試驗嚴酷等級產生較大的影響，往往會出現“欠試驗”或“過試驗”的情況，不僅無法達到標準規(guī)定的實驗要求，甚至會出現損壞樣品等情況[2]。為了避免這類情況發(fā)生，有必要對試驗中的具體的振動控制方式進行較詳細的討論。筆者首先簡單介紹了正弦掃頻振動試驗的相關基本概念，然后就某兩個樣品為例，著重討論了多點控制方法的選擇以對振動試驗響應結果的影響。

1 正弦掃頻振動試驗簡介

所謂正弦掃頻試驗就是在一定的頻率范圍內按照規(guī)定的振動量值，以某種規(guī)律連續(xù)改變振動頻率來激勵樣品[3]。在工程中應用最為廣泛的是對數掃描方式，表示振動頻率在對數頻率刻度上的變化是均勻的。這種掃頻方式可以保證振動過程中各個頻率點上的振動時間相同，較適用于按有限壽命設計的樣品的試驗方式，因此礦用電氣設備的正弦振動標準大都規(guī)定用對數掃頻方式進行試驗。

振動試驗的嚴酷等級由振動試驗的頻率范圍(f1～f2)、振動幅值(包括加速度幅值和位移幅值)以及振動持續(xù)時間t三個參數共同確定[4]。實驗前需根據標準和樣品的實際情況選擇合適的振動參數進行試驗，以保證樣品在整個試驗過程中能夠滿足相應的振動嚴酷等級。

在確定了振動控制參數后，需設計合理的安裝方式，并選擇合適的控制策略進行試驗。振動臺目標振動環(huán)境的產生和測量精度在很大程度上取決于夾具及試驗樣品的固定和控制策略的選擇。在實際工程中，輸入控制是振動試驗的傳統(tǒng)方法。即將加速度傳感器固定在試驗樣品上或試驗樣品內的特定的控制點上，振動臺的振動情況通過加速度傳感器的反饋來控制。但在試驗過程中，采用不同的振動控制策略所得到的結果是不同的，必須根據實際情況權衡分析，認真對待。下面將對工作過程中遇到的兩例試驗進行分析。

2 試驗實例

2.1 某型號掘進機電控箱振動試驗

重量為930 kg，尺寸約為1500 mm×600 mm×750 mm，根據電控箱實際安裝方式，需加裝減震墊4支。按照振動試驗標準要求，需對電控箱進行加速度為50 m/s2，振幅為0.35 mm，頻率為10～150 Hz的正弦掃頻試驗。在實際工況中，電控箱底部有四塊減振器直接固定在采掘裝備上。為了盡可能模擬電控箱的工作狀態(tài)，試驗中使用鋼制轉接板與振動臺面連接，采用螺栓固定。為了監(jiān)測電控箱各個部位振動情況，在試驗中分別在振動臺面，電控箱底部和電控箱頂部固定加速度傳感器，測量該部位的振動情況。振動控制傳感器安裝在振動臺面，采用單點控制方式。

產品于振動臺上夾固后，進行三個軸向的正弦掃頻試驗，在豎直z軸向上觀察，發(fā)現在20～35 Hz頻段內振動噪音明顯變大，有共振現象，電控箱外觀振動明顯劇烈。在水平x軸向上觀察，掃頻時在45～55 Hz頻段發(fā)生共振現象，噪音顯著增加，外部零件發(fā)生脫落的現象。從外觀看整機擺幅較大，從箱體側面觀察振動狀態(tài)呈“X”形如搖擺狀，見圖1所示。

當掃頻頻率高于共振頻段后，樣品的振動逐漸趨于平穩(wěn)，箱底和上端振幅均勻?，F以水平x軸向為例，利用傳感器監(jiān)測該軸向振動加速度變化曲線如圖2所示。

圖1 某型號掘進機電控箱 圖2 某型號掘進機電控箱振 試驗安裝圖 動試驗曲線圖

圖2中輸入1～3曲線分別為振動臺、電控箱底部及電控箱頂部傳感器數據。如圖可以看出，雖然越過共振頻率區(qū)間后，樣品的加速度明顯低于振動臺加速度，說明減振器承載吸收了大部分能量，改善了產品試驗條件。但當振動頻率在45～55 Hz的共振頻率區(qū)間，產品加速度遠大于目標加速度，不僅過振動情況嚴重，產生了較嚴重的“過實驗”現象。

2.2 某型號本安型操作箱振動試驗

重量為8.12 kg，尺寸約為300 mm×100 mm×150 mm，根據標準要求，需對樣品進行加速度為50 m/s2，振幅為0.35 mm，頻率為10～150 Hz的正弦掃頻試驗，試驗過程中通電觀察顯示屏顯示數據，監(jiān)測樣品工作情況。由于操作箱底部有引線裝置，設計了拱形的鋼制夾具。為了監(jiān)測電控箱各部位振動情況，分別在振動臺面、夾具上及操作箱頂部固定加速度傳感器，測量該部位的振動情況，樣品固定方式如圖3所示，振動控制傳感器安裝在振動臺面，采用單點控制方式。

產品于振動臺上夾固后，進行三個軸向的正弦掃頻試驗。豎直z軸方向上，未發(fā)現共振現象，水平x軸及y軸向發(fā)生共振現象，其中x軸向(垂直于操作箱面板方向)共振現象顯著。現著重描述x軸向振動情況：振動在135～145 Hz頻段發(fā)生共振現象，從外觀觀察發(fā)現整機擺幅較大，噪音顯著增加，復位按鈕失效，屏幕顯示“急?！毙畔?、出現花屏藍屏現象。利用傳感器監(jiān)測的水平x軸向振動加速度變化曲線如圖4所示。

其中輸入1～3分別為振動臺面、夾具上及操作箱頂所放置的傳感器監(jiān)測曲線。如圖4所示，在大部分的頻率區(qū)間，樣品的振動情況達到了試驗條件規(guī)定的值。從頻率90 Hz左右起，樣品振動加速度開始超過試驗條件規(guī)定的值，頻率在135～145 Hz區(qū)間時發(fā)生共振，樣品振動加速度甚至達到了430 m/s2,產生嚴重的“過實驗”。

圖3 某型號本安型操作箱振動試驗安裝圖 圖4 單點控制方法振動曲線圖

2.3 試驗分析

樣品的夾具設計或控制方式不當，通常會引起夾具和樣品在試驗范圍內的共振。這些共振對于試驗樣品的特定頻率或特定位置，會導致嚴重的過試驗。分析上述兩例試驗，都是針對樣品進行單點控制。試驗1中樣品尺寸和質量較大，結構剛性削弱，且樣品重心較高，造成水平方向的嚴重的過實驗。試驗2中，由于重心較高，并且振動夾具在水平振動方向上剛性較差，造成振動夾具上各點的振動量值相差很大，均勻度很差，存在著很大的傳遞失真。針對上述情況，單點控制振動試驗已不能達到特定的運動水平來較真實地模擬產品實際工作環(huán)境，無法達到規(guī)定的試驗要求。因此需考慮其他振動方式來解決。

3 多點控制振動策略

所謂多點控制是指在振動臺臺面、夾具或試品上安裝多個控制傳感器或振動控制儀，試驗中根據這些傳感器取特定的信號作為控制信號對振動臺進行控制。多點控制方法有三種：最大值控制、最小值控制和權重控制。其中多點平均控制是權重控制的特例，該方法取各控制傳感器信號的平均值作為控制信號，對振動臺進行控制[5-6]。多點平均控制方法在大型構件的振動試驗中使用比較普遍。恰當的應用多點平均控制方法，不僅可以抑制大型樣品的強烈響應，將試件整體平均振動盡量控制在標準規(guī)定值附近，在一定程度上還能改善夾具動態(tài)特性對試驗的影響。

由于試驗條件有限，現以上述試驗2的本安型操作箱為例，對正弦掃頻振動試驗進行重新設計。根據多點控制的方法，分別在振動夾具上、樣品底部和樣品頂部安裝加速度傳感器。以3個傳感器的平均值作為控制信號，重新進行掃頻試驗。振動過程中，可以明顯觀察到樣品在原共振頻率區(qū)間內共振能量減弱，表現為噪音降低，顯示屏受振動的影響變小，花屏藍屏現象程度減弱。取樣品中央位置作為監(jiān)測點獲得x軸向的振動曲線如圖5所示。

圖5 多點控制振動方法曲線

由圖中可以看出，在原共振區(qū)間，最高加速度由原來的300 m/s2降為140 m/s2左右，降幅超過

50%，且共振頻段變窄，加速度均勻性明顯變好。雖然試驗仍存在一定的超差，但可以看出，利用多傳感器對樣品的振動進行控制，可以較好地保證振動試驗的準確性和安全性。試驗仍存在超差，其原因為夾具相對樣品質量較低，造成整體重心過高，且在設計過程中未考慮夾具水平軸向的結構剛性。這說明多點控制策略的設計只能在一定程度上改善夾具動態(tài)特性對試驗的影響，而不能完全解決由夾具和樣品固有響應造成的一切實驗誤差。

4 總 結

振動試驗控制方法的選擇與試驗的準確性直接相關，現在有的振動試驗，往往把單一的控制傳感器安裝在水平滑臺的遠端，由此帶來的加速度的不均勻會使試驗準確性受到不同程度的影響，從而導致試驗結果不理想。控制方式以及控制點的選擇是振動試驗的一項關鍵技術，筆者僅就工作中遇到的幾個試驗，說明控制方式選擇對結構的響應將產生較大的差異，多點式傳感器控制方法相對于單點控制，可以較好地保證試驗對被試樣品考核的強度及試驗結果的準確性。尤其是針對許多礦用大型試件，在具體試驗時，應該根據被試樣品真實服役環(huán)境，合理的選擇多點控制方式，盡量避免“過試驗”或“欠試驗”的發(fā)生。

[1] 呼怡玫.對艦船設備沖擊振動試驗的分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

[2] 胡 遠，李建剛.大型電控機柜振動試驗失效分析[J].艦船電子工程，2008(2)：150-152.

[3] 張阿舟，諸德超，姚起杭.實用振動工程(3)振動測量與試驗[M].北京：科學出版社,1997.

[4] 閆 凱，宋慶軍，孫秋香，等.正弦振動試驗及其相關參數的計算[J].實驗室科學，2013(6)：43-47.

[5] 查建新.大型裝備振動試驗系統(tǒng)分析[D].南京：南京理工大學，2006.

[6] 孫 哲.傳感器的安裝位置對水平滑臺隨機振動系統(tǒng)試驗結果影響的探討[J].現代測量與實驗室管理，2010(3)：20-21.

Analysis and Application of Multi Control Points Method in Vibration Test

CHEN Ning1， WEI Yong-sheng2

(1.TaiyuanInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCo.，Ltd，LabofCoalMineMiningFacilities，TaiyuanShaanxi030000,China; 2.ShenhuaShendongCoalGroup，ShenmuShaanxi719300,China)

2014-07-03

陳 寧(1987-)，男，河南洛陽人，助理工程師，主要從事礦用電氣設備安全性能方面的科研工作。

TB535

A

1007-4414(2014)04-0074-03