三軸六自由度液壓振動臺性能分析

蔡佳敏， 張 兵， 黃 華， 湯少東， 朱方正， 韓俊偉

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

液壓振動臺是一種振動環(huán)境模擬的重要設(shè)備，由于其承載能力大、頻帶寬和控制精度高而被廣泛應(yīng)用于武器、車輛和建筑等行業(yè)振動力學(xué)環(huán)境的模擬實(shí)驗(yàn)[1]。液壓振動臺涉及機(jī)械、液壓、基建、檢測控制和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程。機(jī)械部分主要包括臺體、鉸連接和導(dǎo)向等部分，臺體的結(jié)構(gòu)直接影響到系統(tǒng)的帶寬和加速度的均勻度，當(dāng)前普遍采用鋼焊結(jié)構(gòu)；機(jī)械結(jié)構(gòu)中的鉸接剛度和縫隙對加速度均勻度影響也較大[2]。液壓系統(tǒng)包括液壓動力源和液壓動力機(jī)構(gòu)，一般動力源采用恒壓變量泵；液壓動力機(jī)構(gòu)中伺服閥的性能直接限制了系統(tǒng)的阻尼和帶寬，各向動力機(jī)構(gòu)的一致性對臺面加速度均勻度有較大影響[3]。基建主要涉及振動臺的底座，根據(jù)振動試驗(yàn)的量級對其質(zhì)量和剛度有較高的要求，在振動臺的使用過程中不將系統(tǒng)的振動傳遞到環(huán)境中去對環(huán)境造成污染，同時(shí)要避免外界對振動系統(tǒng)的干擾。另外，基座剛度較低，帶來振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔度，會在工作頻帶內(nèi)引入反諧振峰大大降低了系統(tǒng)的帶寬。液壓振動臺的測控系統(tǒng)由模擬控制向數(shù)字控制發(fā)展，已有眾多產(chǎn)品面世，如SD控制器和MTS振動控制器等。

目前液壓振動臺多為多軸多自由度振動控制系統(tǒng)，可以充分模擬空間多自由度力學(xué)環(huán)境。多自由度振動控制基本上采用自由度控制策略，工程上應(yīng)用較多的控制算法為三狀態(tài)控制策略[4]。利用液壓振動臺可以做定頻和掃頻正弦實(shí)驗(yàn)、隨機(jī)波形和功率譜實(shí)驗(yàn)以及沖擊實(shí)驗(yàn)等[5]。眾多學(xué)者針對波形復(fù)現(xiàn)精度和功率譜復(fù)現(xiàn)精度展開了廣泛深入的研究，取得了一大批的研究成果：波形復(fù)現(xiàn)的自適應(yīng)逆控制[6]；功率譜密度復(fù)現(xiàn)的分段變增益法[7]；振動控制的模態(tài)解耦[8]；考慮振動臺基礎(chǔ)柔度的振動臺控制[9]；振動臺加速度諧波抑制等等[10]。數(shù)字控制器的研制也在展開，出現(xiàn)了多種基于DSP的數(shù)字振動控制器，振動臺控制系統(tǒng)的帶寬也越來越高[11]。但是，總體來講國內(nèi)振動控制技術(shù)與國外差距較大，軟件開發(fā)和使用上也多不如國外控制器方便和可靠。因此，國內(nèi)液壓振動系統(tǒng)的發(fā)展還有一定的空間。

振動臺的諸多性能指標(biāo)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；僅在一些振動臺制造商的合同里面涉及如MTS、SCHNCK和日立重工等，但其描述也不盡一致，有必要進(jìn)行歸納和總結(jié)或出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)生加速度不均勻的原因除了臺面剛性不足外，主要是由于側(cè)向?qū)蜓b置剛度不足和激振方向的多個(gè)激振器不同步，或單激振器推動時(shí)力作用線不在重心線上造成臺面轉(zhuǎn)動之故[12-13]。液壓振動臺中的波形失真度來源有：激振器與臺面間的連接部分的剛度不足；連接部件的摩擦和間隙；臺面的局部振動造成的高次諧波；側(cè)向?qū)к壍哪Σ?；激振器部分的滑動磨擦；伺服閥的非線性，包括閥芯摩擦，閥開口的覆蓋量影響等。確定一個(gè)振動臺能達(dá)到多大失真度時(shí)，必須注意臺面上有無荷載，是什么性質(zhì)的荷載，以及載荷與臺面的連接剛度。一般說，均是取額定慣性荷載，且剛性與臺面連接，如用彈性荷載、小荷載來考核則失真度必然會增大。另外，激勵加速度值，一般是在最大加速度值的20%～80%下來測量。低量級加速度激勵時(shí)，可能接近臺面的背景噪聲，或由于伺服閥的開口遮蓋量影響，摩擦影響，失真度會增加。而在滿加速度值時(shí)，可能由于油源供應(yīng)不足，伺服閥流量供應(yīng)不足，線路上的非線性飽和失真等因素而使失真度增加。造成臺面加速度橫向比的原因有：同方向多個(gè)激振器不同步造成臺面轉(zhuǎn)動；荷載偏心下由于偏心力矩在控制中未被消除；存在傾復(fù)力矩，在垂直激振器中耦聯(lián)而未被消除；采用鉸接連接而產(chǎn)生幾何耦聯(lián)；臺面的局部振動。

本研究是針對振動臺加速度不均勻度、加速度波形失真度、臺面背景噪聲、加速度橫向比和位移波形失真度等指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程案例給予說明，以期對振動臺工程實(shí)踐起到借鑒作用。

1 液壓振動臺工作原理及測試方法

振動試驗(yàn)的目的是在振動臺面或試驗(yàn)產(chǎn)品上復(fù)現(xiàn)規(guī)定的時(shí)域波形或頻譜。三軸六自由度振動臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個(gè)水平伺服作動器組件、4個(gè)垂向伺服作動器組件、振動平臺和連接鉸鏈等組成，在控制系統(tǒng)和液壓源系統(tǒng)的驅(qū)動作用下，完成規(guī)定的運(yùn)動規(guī)律，并保證波形或頻譜的復(fù)現(xiàn)精度。

圖1 三軸六自由度振動臺結(jié)構(gòu)圖

本研究的六自由度振動試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)為：工作頻率范圍，滿能力輸出0.5～100 Hz；臺面尺寸3500 mm×3500 mm；臺面承載能力20000 kg；最大位移(X,Y,Z三軸向)200 mm(波谷-波峰)；最大速度0.7 m/s；最大加速度，垂向3g，橫向和縱向1g。

振動試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。伺服控制系統(tǒng)的主要作用是將對臺面的自由度驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為對各單系統(tǒng)(激振器)的驅(qū)動信號， 通過控制激振器的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)平臺的運(yùn)動。為了實(shí)現(xiàn)加速度控制，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量并拓展系統(tǒng)頻寬，還要采用三狀態(tài)控制和極點(diǎn)配置等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度的目的。

圖2 振動試驗(yàn)控制系統(tǒng)

為了提高控制精度，在伺服控制系統(tǒng)的外環(huán)加入振動控制系統(tǒng)，通過迭代運(yùn)算對驅(qū)動信號進(jìn)行修正，進(jìn)一步減小系統(tǒng)響應(yīng)信號與期望信號的差別，形成一種真正意義上的振動閉環(huán)控制。

圖3 臺面布點(diǎn)情況

數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)采用SCADAS316多通道采集存儲，實(shí)現(xiàn)32通道的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲。在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，用戶可以用Test.Lab信號分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)域、頻域分析。

2 加速度性能測試

本節(jié)主要對加速度性能進(jìn)行測試和分析，主要包括加速度不均勻度、加速度信噪比、加速度波形失真度和加速度橫向比等。

2.1 加速度不均勻度測量

主振方向臺面不均勻度是指在振動方向上臺面上各點(diǎn)振動幅值不相等，用于表征幅值不相等的程度的一個(gè)指標(biāo)。利用正弦信號，X向和Y向幅值為0.4g，Z向幅值為0.5g，空載條件下單自由度運(yùn)動，測試振動臺臺面上各測點(diǎn)3個(gè)方向加速度輸出的均勻程度。加速度不均勻度評價(jià)指標(biāo)為不大于15%，且允許個(gè)別頻率點(diǎn)不均勻度不超過30%。在振動臺使用頻率范圍0.5～100 Hz范圍內(nèi)選取6個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測量，加速度不均勻度的計(jì)算式為：

(1)

式中， Δamax為同次測量中，臺面中心加速度幅值與臺面各安裝點(diǎn)加速度幅值最大偏差；a為臺面中心加速度。

液壓振動臺X,Y,Z三軸向加速度不均勻度測量結(jié)果如圖4所示，X,Y,Z三軸向加速度不均勻度均發(fā)生在95 Hz處，分別為5%, 8.89%和13.58%。

圖4 三軸向加速度不均勻度

從圖4可以得到，隨著頻率增大，加速度不均勻度也隨之增加；Z向加速度不均勻度最大。

2.2 加速度信噪比測量

在空載和額定負(fù)載條件下，各自由度控制指令為0，液壓源壓力額定壓力測量振動臺系統(tǒng)3個(gè)方向，即X,Y,Z向加速度信噪比，并且由臺面中心b0點(diǎn)3個(gè)方向加速度傳感器輸出來表達(dá)，加速度信噪比大于45 dB。加速度噪聲的分析帶寬為0～200 Hz，加速度信噪比的計(jì)算式為：

(2)

式中，a為系統(tǒng)額定加速度RMS； Δa為輸入信號為0時(shí)中心點(diǎn)處b0加速度RMS。加速度信噪比測試結(jié)果如表1所示。

表1 加速度信噪比測試結(jié)果

以X向?yàn)槔?，液壓振動臺空載和帶載本底噪聲如圖5所示。從表1可以看出，振動臺臺面噪聲信噪比均在53 dB以上；說明所研制的振動臺電氣干擾較小，各種傳感器的信號屏蔽以及信號調(diào)理箱電磁干擾相對較弱。

圖5 液壓振動臺X向加速度本底噪聲

2.3 加速度波形失真度測量

在空載和額定負(fù)載情況下，以單自由度正弦波信號激勵振動臺，加速度幅值水平向輸出為0.4g和垂直向輸出為0.5g。測量臺面中心處3個(gè)方向加速度波形失真度，信號頻率點(diǎn)不少于5個(gè)，加速度波形失真度要求優(yōu)于15%，允許個(gè)別點(diǎn)小于50%。加速度波形失真度計(jì)算公式為：

加速度波形失真度測量結(jié)果空載和額定負(fù)載條件下分別如圖6和圖7所示。空載時(shí)，X向、Y向和Z向的最大加速度波形失真度分別為14.38%,13.33%和12.28%；額定負(fù)載時(shí)三軸向的最大加速度波形失真度分別為12.61%,12.22%和14.72%。從圖6和圖7可以看出，加速度波形失真度在低頻和高頻較高，中頻相對較低；推其原因，低頻摩擦較大，另外位移大各軸影響較大；高頻閥開口較大遠(yuǎn)離線性區(qū)，導(dǎo)致各個(gè)激振器的不一致性增加，另外鉸接的間隙高頻作用下影響加劇，這些因素都會導(dǎo)致加速度失真度變大；而中頻較為適中。

圖6 空載時(shí)三軸向加速度波形失真度

圖7 額定負(fù)載時(shí)三軸向加速度波形失真度

2.4 加速度橫向比測量

(4)

式中，a0i為2個(gè)非主振方向的加速度輸出；a0d為主振方向的加速度輸出。加速度橫向比測量結(jié)果如圖8～圖10所示。

X軸向加速度輸出，空載時(shí)Y向和Z向引起最大橫向比為10%和7.5%；額定負(fù)載時(shí)橫向比都是4.69%。Y軸向加速度輸出，空載時(shí)X向和Z向引起最大橫向比為6.45%和11.11%；額定負(fù)載時(shí)X向和Z向引起的最大橫向比為5.88%和6.15%。Z軸向加速度輸出，空載時(shí)X向和Y向引起最大橫向比為6.17%和3.70%；額定負(fù)載時(shí)X向和Y向引起的最大橫向比為5.49%和4.40%。從加速度橫向比結(jié)果圖可以得知，水平向X向和Y向的振動Z向影響較大，隨著頻率的增加，Z向引起水平向的加速度橫向比也隨著增加。而Z向加速度輸出，X向和Y向引起的橫向比變化趨勢相似。

圖8 X向加速度橫向比空載和滿載結(jié)果

圖9 Y向加速度橫向比空載和滿載結(jié)果

圖10 Z向加速度橫向比空載和滿載結(jié)果

3 位移失真度分析

測試振動臺系統(tǒng)3個(gè)方向，即X,Y,Z位移波形失真度。在空載和額定負(fù)載條件下，使用正弦信號激勵振動臺單自由度運(yùn)動，頻率范圍：0.5～5 Hz范圍選取不少于3個(gè)頻率點(diǎn)，位移波形失真度要求不大于5%。位移波形失真度計(jì)算公式為：

圖11 空載X向位移測量值

X向空載位移波形失真度計(jì)算結(jié)果如表2所示；X向滿載位移波形失真度計(jì)算結(jié)果如表3所示；在相同的測試方法下，Y向和Z向位移波形失真度在空載和滿載情況下歸結(jié)為表4和表5所示。從表2～表5可以得到，三軸六自由度液壓振動臺的位移波形失真度和加速度波形失真度有類似的變化趨勢，產(chǎn)生的原因也可以類似解釋。X向滿載位移波形失真度測試時(shí)域波形如圖12所示。

圖12 滿載X向位移波形測量值

表2 空載X向位移波形失真度

表3 滿載X向位移波形失真度

表4 Y向和Z向空載位移波形失真度

表5 Y向和Z向滿載位移波形失真度

4 結(jié)論

文章針對所研制的三軸六自由度液壓振動臺的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，加速度不均勻度、背景噪聲、加速度波形失真度、加速度橫向比和位移波形失真度測試結(jié)果如下：

(1) 加速度不均勻度最大值為Z向13.58%，小于15%的評價(jià)指標(biāo)；滿足振動臺研制的預(yù)期目標(biāo)；

(2) 振動臺的臺面噪聲，用信噪比來表示，最小值為Y向額定負(fù)載時(shí)信噪比為53.15 dB，大于45 dB的指標(biāo)要求;

(3) 加速度波形失真度，空載時(shí)X向加速度波形失真度最大為14.38%；額定負(fù)載時(shí)Z向加速度波形失真度最大為14.72%，在指標(biāo)15%以內(nèi);

(4) 加速度橫向比，空載和額定負(fù)載最大值均出現(xiàn)在Y向加速度輸出；空載時(shí)由Z向引起11.11%和額定負(fù)載由Z向引起6.15%的橫向比；優(yōu)于15%，滿足振動臺研制的預(yù)期;

(5) 位移波形失真度最大值發(fā)生在滿載Y向3 Hz時(shí)，值為4.34%，小于評價(jià)指標(biāo)5%。

針對液壓振動臺某項(xiàng)性能指標(biāo)不滿足要求，建議采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)：

(1) 改善波形失真度的舉措有：減小連接部件如鉸接處的間隙；增加各連接件的剛度；選擇小遮蓋量的伺服閥，確保其工作于線性區(qū)域;

(2) 改善加速度不均勻度，可以從加強(qiáng)臺面剛度、臺面板局部剛度、臺體導(dǎo)向裝置剛度和多激振器一致性等方面著手;

(3) 改善加速度橫向比的措施：提高多激振器的同步性；補(bǔ)償負(fù)載傾覆力矩和偏心力矩等干擾因素；控制臺面的局部振動，降低鉸接的幾何耦合程度;

(4) 針對背景噪聲，要增強(qiáng)基座剛度，另外對各種電氣線路做好屏蔽工作，以防信號的互相干擾，增加噪聲。