高频率振动试验机

※频率（f）单位时间内（通常为1秒）振动的往返次数。单位：Hz5Hz即表示振动在1秒内往返5次。※振幅（D）振动位移的最大距离。单位：mm。单振幅（日语：片振幅）：Do-p双振幅（日语：两振幅）：Dp-p　※速度（V）　单位时间内振幅的变化率。单位：m/s。※加速度（A）单位时间内速度的变化率。单位：m/s2旧单位：G、gal1G = 9.80665m/s2 = 980gal1gal = 0.01m/s2 = 1cm/s2 (此单位在地震模拟试验中，经常出现。)1Gn = 10 m/s2（用于粗略计算中。）四者之间的关系式X = D0-psin(ωt+φ) φ：初始相位、 ω=2πf 角速度V0-p = dX/dt = ωD0-pcos(ωt+φ) = ωD0-psin(ωt+φ+π/2)A0-p = d²X/dt = dV/dt = -ω²D0-psin(ωt+φ) = ω²D0-psin(ωt+φ+π)相位关系速度超前位移90度，加速度超前速度90度（即超前位移180度）。这句话在理解冲击试验的加速度、速度、位移图中帮助很大，以后再述。※加速度（A）、速度（V）、振幅（D）、频率（f）的最大值关系式A0-p[m/s2] = 0.0394 D0-pf2 = 6.28 f VV0-p[m/s] = 0.00628 f D0-p= 0.159 A/fD0-p[mm] = 25.5 A/f2 = 159.2 V/f或者A0-p[m/s2] = (2πf)² × D0-p[m]V0-p [m/s] = ( 2πf ) × D0-p[m]四个量中，已知两个量，便知其他两个量。一般在振动控制仪中输入两个量，就会自动计算出其他两个量，所以，记不住这些公式关系也不大。但是，如果你在和客户商谈的时候，按照客户的要求，直接计算出来，按照这些参数，当场帮客户选定出能对应的振动试验机，相信客户一定对你另眼相看吧。这两套公式其实是同样的，下一套公式中的π=3.1416代入并将位移单位换成mm即可得到上一套公式。本人比较喜欢下一套公式，那么多数字记起来还是有点困难。另外，计算时，一定要注意单位。在振动控制仪的输入中，一定要注意振幅（位移）是全振幅还是单振幅。Dp-p = 2 D0-p。一般振动控制仪默认速度和加速度是单峰值，振幅（位移）是双振幅。如果搞错的话，那很有可能导致试验白做，试验体损坏等，造成经济损失，特别是长时间三综合试验（汽车零件的振动试验，一个方向300小时的三综合试验很多很多。）通过这些公式也可以推导出振动试验机的无负载或有负载最大能力特性曲线图，以后再述。※加振力（F）试验时，振动台需要加振的力，也称推力。单位：N、kN、kgf、tonf加振力的计算：单位N的场合：F[N] = m [kg] × A [m/s2]单位kgf的场合：F[kgf] = m [kg] × A [G]1kN = 1000N1kgf = 9.8N1tonf = 1000kgf ≑ 10kN公式中的m一般都是质量之和，即动圈质量、夹具质量（含垂直扩展台或水平滑台）、试验体质量之和。单位tonf就是我们行业常说的几吨推力中的吨，有人喜欢简写成t或ton，本人不是很喜欢这种不严谨的简写，t和ton是质量的单位，切不可混为一谈。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。

通过前文介绍，相信初入者对振动试验系统应该有一定了解。特别是电动式振动台推力有1～60tonf，针对试验条件和试验体，如何选择合适且经济的振动台进行试验？下面进行阐述。试验前，必须明确试验条件和要求。需要考虑的要素如下：※有没有试验规格※振动台式样规格※试验种类：正弦试验、随机试验、冲击试验、etc.※频率范围※加速度、速度大小※振幅（位移）大小※试验体的尺寸、质量、形状等※夹具的尺寸、质量、形状、共振点等※振动方向（垂直、水平、二轴同时振动、三轴同时振动）※是否和温度、湿度、高度（气压）、光照等条件复合试验※试验的控制点、检测点、控制误差范围等※其他特殊要求等试验规格介绍1.ISO（International Organization for Standard，国际标准化机构）2.CCC（China Compulsory Certificate System），GJB（国军标），GB（国标）3.MIL（Military Specifications and Standard,美军标）4.IEC（International Electro-technical Commission,国际电气标准会议）5.EN（European Norm）6.JIS（Japanese Industrial Standard,日本工业规格）7.各个公司内部规格BMW，TOYOTA, HONDA, SONY, SHARP, Panasonic。要读懂试验规格是一件很困难的事情，只能在实践中慢慢去理解，多请教，多学习。振动试验机的式样规格各个厂家的设备目录中记载有很多参数和规格，一般标准振动台以下几个参数比较重要，加振力：10kN、20kN、30kN、、、、、600kN最大正弦加速度：1000m/s2最大正弦速度：2m/s、2.5m/s最大位移：51mm、76mm、100mm使用频率范围：5Hz～3000Hz动圈质量：加振力不同，质量不同。这些规格参数代入前面的A、V、D、f四者之间的计算公式，即可以得到设备的交越频率和最大正弦能力特性曲线图（无负载）。再结合牛顿第二定律计算出各种负载下的最大加速度，继续使用上面的式子，可得到各种负载下的交越频率和能力特性曲线图。最大正弦能力特性曲线图（无负载情况）：图中可以看出，电动振动台有三个工作区域，低频段对应位移区域，低中频段对应速度区域，中高频段对应加速度区域。或者说低频段受最大位移限制，低中频段受最大速度限制，中高频段受最大加速度限制。每个物理量对应频率变换点就是交越频率。因此，如果说5Hz的时候需要满足加速度500m/s2，或者1000Hz的时候满足位移50mmp-p，那就是外行话了。例题：某电动振动台使用频率范围5～2000Hz，最大位移51mmp-p，最大速度2m/s，最大加速度1000m/s2，请计算位移到速度，速度到加速度的两个交越频率，并试着画出该设备无负载最大能力特性曲线图。图中可以看出，25kg负载情况下，蓝线以下（含蓝线）的试验条件该设备都可以对应。超出蓝线对应的话，导致设备故障损坏。个人经验，振动台的损坏，一半以上都是过负载原因造成的，切记。试验条件的确认试验的种类：正弦试验、随机试验、冲击试验、etc。试验频率范围f加速度大小A、加振力F=∑mA（下节重点叙述）振幅（位移大小）D速度大小V1. 正弦定频试验的场合试验条件：频率10Hz 加速度10G半位移峰值D0-p = A0-p/(2πf)2 = 10×9.8/62.82 = 24.85mm全位移峰峰值49.70mm　（注意半位移和全位移的倍数）一般振动台的全位移峰峰值有51mm、76mm、100mm，为了安全起见可以选76mm的设备。（请再计算一下速度的峰值。）注意：①控制仪输入f、A、D、V中的两个参数，会自动得出另外两个参数。4个量都不可以超过振动台式样规格。②扫频试验的时候取最大值。③正弦试验一般各个参数小于试验机的规格值即可，一般安全系数1.2~1.3。④以上计算都假定没有夹具和试验体的共振影响。2. 随机试验的场合加振力试验加振力rms≦随机额定rms（必要时需要试验PSD的等价频幅修正）速度3✖试验rms≦正弦波额定速度峰值位移3.5✖试验rms≦正弦波额定位移峰值☆☆☆加速度rms、速度rms、位移rms值的计算比较复杂，可以通过振动控制仪输入PSD值之后，自动得出数据。3. 冲击试验的场合加振力F= ∑mA∑m：总质量（动圈质量+夹具质量+ 试验体质量）速度≦正弦波额定速度峰值位移≦正弦波额定位移峰值☆☆☆速度、位移峰值的计算比较复杂，可以通过振动控制仪输入冲击脉宽和加速度之后，自动得出数据。规格标准不同，数值结果不同。IEC标准：MIL标准：试验体的尺寸、质量、形状、固定方式① 试验体直接固定动圈或垂直扩张台（垂直方向），水平滑台（水平方向），还是先固定在夹具上再固定在台面上？② 试验体尺寸有没有超出台面，有没有碰到其他地方（三综合恒温恒湿箱内壁等）？③ 各重心是否都在一直线上，重心是不是偏高？振动台台面的抗倾覆力矩是否在允许条件下？④ 固定螺栓全部固定好了？固定后是否会在振动时候倒下来？⑤ 夹具是不是要提前准备？⑥ 夹具共振点是多少？是不是在试验频率范围内？⑦ etc.。各种夹具的确认试验体固定在夹具上的位置和尺寸、夹具的共振点、夹具固定在振动台面上的间隔（ □100mm,φ50mm,φ100mm ），螺钉大小（ M6,M8,M10,M12等）,公制（mm）还是英制（in.）？下面介绍一些常见的试验夹具。垂直扩张台面（Vertical Table）：水平滑台（Slip Table）： 其他夹具：总结一次振动试验的顺利完成需要考虑的要素很多，以上只是列举了一些基本要素。此外还涉及到振动控制仪的设置、控制点的位置、避免夹具的共振点、加速度传感器的固定方式、试验体的m（质量）k（弹性系数）c（阻尼）、振动台的能力（动圈特性、功放性能等）等等要素。总之，记住一句话“振动的水很深！”。只能在不断地工作和学习中慢慢积累。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。

※振动试验机的种类① 机械式低频率、单纯振动，现在基本上已淘汰，没有发展性。② 液压式50kN以上的加振力、便宜、运行成本和修理费用高、上限频率和电动型振动台相比比较低、控制难。低频大位移运输试验和大质量试验体低频小速度试验还有点市场。③ 电动型（现在的主流）可以简单的对应任意波形的振动、频率范围广、加速度大。50kN以上设备比液压式贵。※系统构成实物图（带水平滑台的时候还需要油压控制单元）（振动控制仪和前置功放一体化）※振动台体(空冷式)内部简单示意图※动作原理弗莱明左手定则上图，将动圈插入磁束回路的圆形空隙中，下面用空气弹簧固定保持。励磁线圈内通入直流电，在空隙中形成箭头所示的磁场（右手法则），驱动线圈与磁场方向直交。如果在驱动线圈内通入交流电源，动圈就会发生上下振动（弗莱明左手定则）。此时，发生的力和动圈通过的电流成正比。即 F=IBL实际在振动试验机的制作过程中，为了增加磁场效率以及持续稳定振动，各个厂家花费心思，内藏各种部品，并对励磁线圈和动圈的形状等进行各种各样的复杂设计。※振动控制仪振动试验机系统的大脑，振动试验条件输入后，转换成电压电流信号驱动功放，使振动台进行各种振动动作，并对反馈回来的加速度信号进行分析，有效控制振动台的动作。可进行随机振动控制、正弦振动控制、冲击波控制、拍波控制、实测波再现控制、SOS、SOR、ROR控制、多通道多自由度控制、etc.。 ※动圈、励磁线圈※功放（电力增幅器）目的：给振动台提供电力。振动控制仪过来的小信号(±3V)，变成大电压大电流信号（几百伏几百安培），驱动振动台运动。功放趋势：开关式、小型化、高功率、模块化、组合兼容性、省空间、省电等。最近，SiC技术的发展，相信不久的将来功放模块会越来越小。工作原理和音响的功放一样。总结：以上简单介绍了振动试验机系统各个部分的组成，看似简单其实一套好的振动试验系统，涉及到各种技术领域，各厂家都花费大量时间、金钱、精力在设备的研发和制作上。在欧美主要厂家有LDS、UD，日本主要有IMV、EMIC、振研，国内主要有东菱、苏试、希尔等。比较可喜的是，国内厂家现在振动台单台最大推力可以生产到60tonf，已经赶超国外厂家。个人认为20年后，随着国内基础工业和材料的发展，国内生产的振动台在故障性和耐久性上面将有质的飞跃。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。