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激振設(shè)備

常用的激振器有電動式、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：

振動臺：機(jī)械式、電動式、液壓式→分布力

激振器：機(jī)械式、電動式、液壓式→集中力

按工作原理：

機(jī)械式、電動式、液壓式、壓電式、磁吸式

按振動方向：

單方向：垂直、水平、扭轉(zhuǎn)→ 一維振動

多方向：垂直、水平→二維平面或三維空間振動

按振動波形：

簡諧振動、沖擊振動、隨機(jī)振動、任意波形振動

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

• 臺面的均勻度

• 臺面的橫向運(yùn)動

1. 機(jī)械式振動臺與激振器

(1) 直接驅(qū)動式

當(dāng)它們的主軸由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)時，臺面即產(chǎn)生確定的振動→臺面是由主軸經(jīng)過一個機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動的。臺面的位移如下式：

直接驅(qū)動式振動臺的特點(diǎn)：

• 振幅的大小由偏心距確定

• 振動頻率由偏心輪回轉(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)在低速時穩(wěn)定程度，上限頻率受軸承磨損等因素的影響，不會太高，一般在50-60赫茲。

• 輸出波形較差

(2) 離心式振動臺

工作原理：兩個轉(zhuǎn)軸通過一對齒輪齒和，并由電機(jī)帶動以相等的角速度、相反的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動，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位置配置的好，則兩個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，則合力呈簡諧變化，這個力通過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. 電動式振動臺與激振器

(1) 電動式振動臺

組成：運(yùn)動系統(tǒng)---線圈骨架、線圈、連桿、支撐彈簧和臺面；磁路系統(tǒng)---勵磁線圈(永久磁鐵)、環(huán)形空氣隙和外殼。

工作原理：利用帶電導(dǎo)體在磁場中受到磁場力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動。當(dāng)由勵磁電源供以直流電流后，就在磁路的環(huán)形氣隙中形成一個強(qiáng)大的恒定磁場，信號發(fā)生器產(chǎn)生交變信號，經(jīng)功率放大器放大后，輸入到動圈，它與磁場作用即產(chǎn)生一個交變的力，推動可動系統(tǒng)運(yùn)動。若輸入電流呈簡諧變化時，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分別為臺面和動圈質(zhì)量ks和cs分別支撐彈簧的剛度和阻尼系數(shù)ke和ce分別為臺面相對動圈的剛度和阻尼系數(shù)。

b. 運(yùn)動方程

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

令

則有：

其中：

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

則有

將兩種情況結(jié)合起來得振動臺頻率特性曲線為：

特點(diǎn)：

• 頻率范圍寬，下限1-10Hz，上限  上萬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

• 造價高

(2) 電動式激振器

結(jié)構(gòu)如圖所示，驅(qū)動線圈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，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，線圈將受到與電流i成正比的電動力的作用，此力通過頂桿傳到被測對象，即為激振力。

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

(3) 絕對式電動激振器的安裝一

以下是幾種安裝方式：

a. 當(dāng)要求作較高頻率的激振時，激振器用軟彈簧懸掛起來，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. 在很多無法找到安裝激振器的參考物場合，可將激振器用彈簧支撐在被激對象上。此方法僅適合用于被測對象的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激振器質(zhì)量，且激振頻率大于激振器安裝固有頻率的振動試驗(yàn)。

(4) 絕對式電動激振器的安裝二

為了保證測試精度，做到正確施加激振力，必須在激振器與被激對象之間用一根在激勵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被激對象的附加約束。此外，一般在柔性桿的一端串聯(lián)著一力傳感器，以便能夠同時測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合。特別是對回轉(zhuǎn)件的激振，如圖所示。一定頻率的交變信號經(jīng)功率放大器放大后，通入繞在鐵芯上的線圈中，這時在磁極附近就形成一個交變磁場，處在磁場中的磁性試驗(yàn)對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度；w為線圈匝數(shù)。

設(shè)通入線圈的電流i是簡諧變化的(a)，即i=sinwt。不論磁鐵極性怎樣，對磁鐵材料均有吸引力，故激振力是脈動力(圖b)，因此時氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi，亦呈簡諧變化。Bi=Bsinwt，得吸力為：

這種脈動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，這對激振試驗(yàn)有時會帶來一些麻煩。若在鐵芯上另繞一個線圈，并通入直流電使鐵芯預(yù)磁化。此時吸力的簡諧性大有改善，因?yàn)榧由现绷麟姾?，氣隙的磁感?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。此外高頻時由于電磁鐵及被激對象的渦流效應(yīng)及線圈的集膚效應(yīng)，激振力會大幅下降，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恒定磁場，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，就有交變磁通穿過試件，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。

信號發(fā)生器的信號經(jīng)過放大后，經(jīng)由電動激振器，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，并以頂桿1去激勵被激對象?；钊瞬枯斎胍欢ㄓ蛪旱挠?，形成靜壓力p* ，對被激對象施加預(yù)載荷。用力傳感器測量交變激勵力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。

液壓振動臺

它的功能與特點(diǎn)：

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

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

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

d. 可實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量、大尺寸產(chǎn)品的長行程振動試驗(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極化面上加交變電流時，在它的某一方向就會發(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，在它的兩個極化面上加交變電壓，當(dāng)晶體片產(chǎn)生變形時，會帶動試件產(chǎn)生相應(yīng)的變形，這樣在試件的局部區(qū)域起激振作用，而引起整個試件的振動

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)生的波形的作用時間和主瓣頻率不同。

b. 垂體質(zhì)量主要影響沖擊力幅值，對持續(xù)時間也略有影響。

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。