提高感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)經(jīng)典沖擊能力的方法

秦亞明，鮑俊宇，孫險(xiǎn)峰

(1.北京航天希爾測(cè)試技術(shù)有限公司，北京 100075；2.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

近年來(lái)，隨著航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的快速發(fā)展，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品沖擊環(huán)境試驗(yàn)的需求逐步增加。對(duì)于此類試驗(yàn)，多采用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)完成，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生規(guī)定的沖擊脈沖波形或沖擊響應(yīng)譜，以滿足不同沖擊試驗(yàn)的需求。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與沖擊試驗(yàn)機(jī)相比，其振動(dòng)設(shè)備、試驗(yàn)夾具均可重復(fù)使用，能極大縮短試驗(yàn)的周期與成本，不同批次沖擊脈沖試驗(yàn)更易于復(fù)現(xiàn)。但是，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)也存在一定的不足，即沖擊脈沖試驗(yàn)會(huì)受振動(dòng)臺(tái)沖擊能力(如振動(dòng)臺(tái)最大位移、最大沖擊速度、最大加速度以及最大推力等)的限制。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)是電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，其長(zhǎng)期工作于疲勞、沖擊載荷工況下，容易造成驅(qū)動(dòng)線圈與高溫膠的脫落而產(chǎn)生失效，從而降低振動(dòng)設(shè)備的可靠性。

為了解決電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)沖擊能力與可靠性的問(wèn)題，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)相比，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)具有高量值(最大正弦加速度、隨機(jī)加速度均大于100g)、高可靠性、低故障率等優(yōu)點(diǎn)，能有效地解決電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈失效問(wèn)題。本文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)比分析感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力，從而找到提高感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)沖擊能力的解決方案。

2 感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的原理

勵(lì)磁線圈為順序繞制的銅制線圈，當(dāng)通過(guò)直流電流時(shí)，由極板、磁鋼、底板與鐵芯等所圍成的環(huán)形磁鐵內(nèi)部形成靜磁場(chǎng)，磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到或接近飽和，從而建立靜磁場(chǎng)。極板與鐵芯分別繞制內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈，與感應(yīng)環(huán)之間形成筒形變壓器結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)交變電流后，將電流映射到工作臺(tái)面下部的感應(yīng)環(huán)內(nèi)、外表面，形成一匝單圈感生電流，從而帶動(dòng)工作臺(tái)面產(chǎn)生激振力。

工作臺(tái)面與驅(qū)動(dòng)線圈為感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵部件。工作臺(tái)面由上部的骨架與下部的感應(yīng)環(huán)兩部分組成，可在系統(tǒng)特定自由度下運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)線圈(交流線圈)由內(nèi)、外感應(yīng)線圈組成，通過(guò)高溫膠將其固定于鐵芯與極板，工作狀態(tài)下是完全固定的。感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的工作臺(tái)面由兩部分組成，上部一般為鎂或鋁合金，下部是鎂或鋁制實(shí)體圓環(huán)，整體鋁件強(qiáng)度與連接剛度遠(yuǎn)高于高溫固化后的強(qiáng)度與剛度。通過(guò)高溫粘接等方式將這兩部分實(shí)體連接為一個(gè)整體，通過(guò)降低工作臺(tái)面的質(zhì)量、提高一階諧振頻率等，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)最大加速度、最大沖擊速度均超過(guò)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的相關(guān)指標(biāo)，可滿足高強(qiáng)度、高量值、長(zhǎng)時(shí)間的沖擊試驗(yàn)要求。感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)性能對(duì)比

3 半正弦脈沖波形

振動(dòng)臺(tái)沖擊控制試驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)臺(tái)、功率放大器、加速度傳感器、數(shù)字沖擊控制儀及輔助測(cè)量、采集設(shè)備等，組成正反饋控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)面的沖擊響應(yīng)。振動(dòng)沖擊控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)沖擊控制系統(tǒng)[2]

經(jīng)典的沖擊波形主要包括半正弦波、三角波、矩形波、前峰鋸齒波、后峰鋸齒波及梯形波等，可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求選擇不同的沖擊波形。半正弦波是最常用的脈沖波形，適用于模擬線性系統(tǒng)的撞擊或道路運(yùn)輸環(huán)境下引起的對(duì)試驗(yàn)件的沖擊載荷，故一般將半正弦波作為衡量振動(dòng)設(shè)備沖擊能力的主要性能指標(biāo)。根據(jù)GB/T 2423.5—2019，半正弦波基本脈沖波形如圖3所示。

圖3 半正弦脈沖波形

半正弦脈沖波形由沖擊加速度、脈沖寬度和間隔時(shí)間三部分組成，不能僅用振動(dòng)臺(tái)的最大沖擊加速度作為衡量振動(dòng)臺(tái)沖擊能力的指標(biāo)，而應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)的最大沖擊速度、最大位移以及脈沖寬度等指標(biāo)綜合、統(tǒng)一考慮。通用方法一般采用振動(dòng)臺(tái)沖擊包絡(luò)圖方式表示振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力，橫坐標(biāo)為脈沖寬度，縱坐標(biāo)表示沖擊速度。空臺(tái)面下，根據(jù)不同的沖擊加速值或沖擊位移劃出不同的沖擊能力曲線，每條曲線之間基本為雙曲線形式，脈沖寬度小，沖擊加速度較大，但不超過(guò)最大沖擊加速度值。對(duì)于脈沖寬度較大的情況，更應(yīng)注意不要超過(guò)振動(dòng)臺(tái)的最大位移。這4個(gè)指標(biāo)綜合后，圍成一個(gè)包絡(luò)的區(qū)域，這就是振動(dòng)臺(tái)空臺(tái)沖擊試驗(yàn)?zāi)芰Ψ秶蛑笜?biāo)[2](如圖4所示)。

圖4 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)沖擊包絡(luò)區(qū)域

4 感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)半正弦脈沖波形測(cè)試

需判斷沖擊脈沖的窄帶沖擊脈沖應(yīng)校核振動(dòng)臺(tái)最大沖擊速度，寬帶沖擊脈沖應(yīng)校核沖擊最大位移未超出振動(dòng)臺(tái)的極限能力。振動(dòng)臺(tái)的最大正弦加速度越大，實(shí)際推力越大，其沖擊加速度也會(huì)相應(yīng)增大，沖擊能力越強(qiáng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)的最大沖擊加速度一般不超過(guò)正弦最大加速度峰值的2～3倍，最大沖擊速度不應(yīng)超過(guò)振動(dòng)臺(tái)最大正弦掃頻速度的1.5倍。

感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)不同，其具有高量值、高加速度以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，其正弦最大加速度一般大于100g，最大沖擊速度達(dá)到4m/s以上，故其經(jīng)典沖擊能力應(yīng)優(yōu)于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。以航天希爾I1045MX型感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)(主要性能見(jiàn)表1)為例，對(duì)半正弦波沖擊能力進(jìn)行測(cè)試：以窄帶經(jīng)典沖擊脈沖(≤5ms)與寬帶經(jīng)典沖擊脈沖(≥10ms)兩種方式進(jìn)行測(cè)試，并與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力進(jìn)行比較。

窄帶沖擊脈沖(≤5ms)空臺(tái)振動(dòng)臺(tái)的半正弦波沖擊加速度值最大，沖擊位移較小(一般不超過(guò)最大位移的30%～50%)，測(cè)試窄帶沖擊脈沖的意義在于了解振動(dòng)臺(tái)空臺(tái)最大沖擊加速度(即沖擊能力)與最大沖擊速度。寬帶沖擊脈沖(≥10ms)振動(dòng)臺(tái)半正弦的位移隨脈沖寬度增加而變大，此時(shí)主要考慮不能超過(guò)振動(dòng)臺(tái)的最大位移，驗(yàn)證振動(dòng)臺(tái)寬帶脈沖半正弦波的沖擊能力，帶負(fù)載后對(duì)振動(dòng)臺(tái)沖擊能力的影響，從而發(fā)揮感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力。

4.1 窄帶半正弦波沖擊脈沖空臺(tái)測(cè)試

對(duì)I1045MX振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行半正弦波沖擊測(cè)試，通過(guò)改變勵(lì)磁大小，可以方便而高效地解決感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊性能。

(1)正常勵(lì)磁(380A)條件下，半正弦波沖擊脈沖空臺(tái)測(cè)試。經(jīng)過(guò)對(duì)I1045MX振動(dòng)臺(tái)反復(fù)測(cè)試，脈沖寬度3ms實(shí)現(xiàn)空臺(tái)400g經(jīng)典沖擊譜線，脈沖寬度4ms實(shí)現(xiàn)空臺(tái)300g經(jīng)典沖擊譜線(如圖5所示)，最大沖擊加速度值均超過(guò)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的相關(guān)指標(biāo)，說(shuō)明其沖擊能力較強(qiáng)，但其沖擊能力僅為正弦最大加速度的1.8倍。由于感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的正弦加速度值遠(yuǎn)大于100g，基數(shù)較大，盡管其沖擊能力有大幅度的提高，但未能像普通電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)那樣達(dá)到?jīng)_擊能力是正弦最大加速度峰值的2～3倍。

(a)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：3ms 400g

(b)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：4ms 300g圖5 正常勵(lì)磁，窄帶半正弦波脈沖感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)沖擊極限

(2)改變勵(lì)磁條件，半正弦波沖擊脈沖空臺(tái)測(cè)試。改變勵(lì)磁條件，脈沖寬度4ms完成空臺(tái)500g經(jīng)典沖擊譜線(如圖6所示)，但在高勵(lì)磁條件下，脈沖寬度4ms未完成空臺(tái)500g經(jīng)典沖擊譜線。由圖6可以看出，低勵(lì)磁條件下的沖擊譜線與控制譜線均比對(duì)應(yīng)的中勵(lì)磁條件下的沖擊譜線與控制譜線更光滑，對(duì)振動(dòng)臺(tái)面的控制能力更好，沖擊效果更佳，即通過(guò)勵(lì)磁減小的方式，盡管降低了振動(dòng)臺(tái)的推力，卻可以有效地提高感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力。半正弦波脈沖沖擊試驗(yàn)由脈沖寬度4ms完成空臺(tái)300g提高到經(jīng)典沖擊試驗(yàn)的脈沖寬度4ms完成空臺(tái)500g，其沖擊能力增加了33%，沖擊能力達(dá)到了正弦最大加速度的2.3倍，也能達(dá)到正弦最大加速度峰值的2～3倍。

(a)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：4ms 500g 中勵(lì)磁(260A)

(b)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：4ms 500g 低勵(lì)磁(180A)圖6 中、低勵(lì)磁，窄帶半正弦波脈沖感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)沖擊極限

(3)窄帶半正弦波沖擊速度測(cè)試。在低勵(lì)磁條件下，測(cè)試I1045MX感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)脈沖寬度5ms實(shí)現(xiàn)400g的沖擊速度達(dá)到6.3m/s，脈沖寬度5ms實(shí)現(xiàn)450g的沖擊速度達(dá)到7.1m/s(注：根據(jù)控制儀與設(shè)置的不同，沖擊加速度值有所不同)，如圖7所示。

(a)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：5ms 400g沖擊速度6.3m/s

(b)經(jīng)典沖擊試驗(yàn)：5ms 450g沖擊速度7.1m/s圖7 低勵(lì)磁，窄帶半正弦波脈沖感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)最大沖擊速度

(4)帶負(fù)載窄帶半正弦波沖擊測(cè)試。加負(fù)載(50kg，即與運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量一致)窄帶半正弦波沖擊速度為最大沖擊速度的一半(如圖8所示)，驗(yàn)證了振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力。

圖8 低勵(lì)磁，50kg負(fù)載窄帶半正弦波脈沖感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)沖擊極限

4.2 寬帶半正弦波沖擊脈沖帶負(fù)載測(cè)試

寬帶半正弦波脈沖寬度15ms，準(zhǔn)備較重負(fù)載約800kg，以降低沖擊最大位移，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量50kg。通過(guò)反復(fù)測(cè)試，勵(lì)磁大小對(duì)沖擊能力的影響不大，故寬帶沖擊脈沖基本不考慮通過(guò)改變勵(lì)磁大小的方式增加其沖擊能力。

通過(guò)提高功率放大器的功率輸出可以起到增加沖擊推力的作用。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，功率放大器約300kVA最大可實(shí)現(xiàn)15ms 26g的沖擊(約215kN的推力，為最大正弦加速度的1.8倍)；將功率放大器的功率提高到480kVA，最大可實(shí)現(xiàn)15ms 28g的沖擊(約240kN的推力，為最大正弦加速度的2.2倍)，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力有較大提升(如圖9所示)。

(a)帶負(fù)載約800kg 300kVA功放：15ms 26g

(b)帶負(fù)載約800kg 480kVA功放：15ms 28g圖9 800kg負(fù)載寬帶半正弦波脈沖感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)不同功放輸出沖擊極限比較

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)I1045MX半正弦波脈沖波形的試驗(yàn)分析，可得到如下結(jié)論：

(1)在經(jīng)典沖擊脈沖下，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的最大沖擊能力受振動(dòng)臺(tái)最大正弦加速度、最大速度和最大位移的限制，最大正弦加速度>>100g，最大沖擊推力能達(dá)到正弦加速度峰值的2～2.5倍，感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)可將電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)沖擊能力提高近70%。

(2)對(duì)于窄帶半正弦波沖擊，通過(guò)改變勵(lì)磁即將高勵(lì)磁轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛣?lì)磁后，可在相同條件下有效提高感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力，最大沖擊加速度可由4ms 300g提高到4ms 500g。

(3)對(duì)于寬帶半正弦沖擊，不能通過(guò)改變勵(lì)磁方式提高感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的沖擊能力，最有效或直接的方式是通過(guò)增加功率放大器的輸出功率以達(dá)到提高其沖擊能力的作用，帶負(fù)載后感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的最大沖擊推力也能達(dá)到正弦加速度峰值的2～2.5倍。