如何解決電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)低頻振動(dòng)問(wèn)題

李 威

（北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司，北京 102205）

如何解決電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)低頻振動(dòng)問(wèn)題

李 威

（北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司，北京 102205）

振動(dòng)臺(tái)是力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展檢測(cè)任務(wù)的核心設(shè)備，按照其獲得能量的形式分為電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、機(jī)械振動(dòng)臺(tái)和液壓振動(dòng)臺(tái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已研制出激光振動(dòng)臺(tái)。目前用得較多的是電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，原因是它的頻率高、波形好、控制方便。主要針對(duì)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)低頻振動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

振動(dòng)；低頻；噪聲；相對(duì)位移

引言

產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到很低的振動(dòng)頻率，例如車(chē)輛上使用的設(shè)備，車(chē)輛主要基波頻率可能低到1.5Hz～4Hz；又比如在海運(yùn)、風(fēng)力發(fā)電、艦船等環(huán)境中，起點(diǎn)頻率甚至達(dá)到1Hz；再如地震試驗(yàn)拍波頻率為1Hz～35Hz等等。然而電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)低頻端一般從5Hz～10Hz開(kāi)始，雖然隨著技術(shù)的發(fā)展使其低頻端可達(dá)到2Hz～10Hz，可是加速度失真超差很大，達(dá)不到試驗(yàn)要求，此外電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在低頻還會(huì)受到噪聲干擾導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法起振或者起振后諧振峰值較多、振動(dòng)臺(tái)出現(xiàn)相對(duì)位移、臺(tái)體產(chǎn)生共振等多方面的問(wèn)題，所以如何解決低頻振動(dòng)問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員必須要重視的。

1 正弦振動(dòng)在低頻階段的問(wèn)題

在正弦振動(dòng)中，產(chǎn)品安裝在平臺(tái)實(shí)際振動(dòng)的特點(diǎn)是頻率愈高，加速度愈大，頻率愈低，位移幅值愈大，就對(duì)產(chǎn)品的影響而言，低頻主要受位移破壞，高頻主要受加速度破壞。

1.1 噪聲干擾

根據(jù)正弦振動(dòng)公式：

式中：A-加速度（g），s-位移（單振幅mm），f-頻率（Hz）。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)低頻受位移限制，高頻受加速度（推力）限制，水平臺(tái)空載調(diào)試曲線見(jiàn)圖1。

一般來(lái)說(shuō)，在低頻階段，由于位移的限制，振動(dòng)量級(jí)有時(shí)候會(huì)非常小，比如1Hz，振幅為10mm的時(shí)候，量級(jí)為0.04g，這種情況在海運(yùn)、艦船環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)，例如GJB 4.7-83中掃頻條件為1Hz～10Hz，位移幅值為0.25mm，此時(shí)起點(diǎn)1Hz的加速度為0.001g；GJB 150.16中規(guī)定安裝在艦船上設(shè)備的振動(dòng)量值如表1。

可以計(jì)算出起點(diǎn)量級(jí)基本上都低于0.05g；IEC 60086-2-6掃頻條件為2Hz～13.2Hz，位移幅值為1mm，此時(shí)起點(diǎn)2Hz加速度為0.016g；IEC 61800-5-1中規(guī)定的掃頻條件為10Hz～57Hz：0.057mm（0-p），此時(shí)10Hz時(shí)的量級(jí)為0.0228g。以上掃頻條件的共同點(diǎn)都是起點(diǎn)頻率低、量級(jí)小，甚至低于試驗(yàn)環(huán)境的噪聲量級(jí)（0.05g～0.1g），往往造成無(wú)法起振。對(duì)于初次接觸力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的人員來(lái)說(shuō)，會(huì)從傳感器、線路連接、參數(shù)設(shè)置等多方面進(jìn)行排故，比如將臺(tái)面增加控制點(diǎn)，可以適當(dāng)降低控制帶寬或者調(diào)大初始電壓等。這樣有時(shí)候能解決問(wèn)題，但是大多時(shí)候，給試驗(yàn)工作帶來(lái)了極大的不便。

解決噪聲干擾問(wèn)題可以從以下幾個(gè)方面考慮：

1）利用電荷放大器

如果振動(dòng)量級(jí)低于0.1g，傳感器采集到的信號(hào)就會(huì)受到噪聲的干擾而感應(yīng)不到振動(dòng)量級(jí)，噪聲無(wú)法起振，此時(shí)可以利用電荷放大器調(diào)大傳感器的靈敏度，直到能采集到振動(dòng)為止（一般至少應(yīng)調(diào)到500pC/g）。

2）選用大靈敏度傳感器

目前，很多控制儀在設(shè)計(jì)方面已經(jīng)脫離了電荷放大器，傳感器的靈敏度無(wú)法改變，這時(shí)候應(yīng)選用大靈敏度的傳感器來(lái)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室至少應(yīng)配備一些靈敏度為1000 pC/g左右的傳感器專(zhuān)門(mén)用來(lái)開(kāi)展低頻、小量級(jí)振動(dòng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 DC-20000-200水平滑臺(tái)空載特性曲線

表1 安裝在艦船上設(shè)備的振動(dòng)量值

3）減小噪聲量級(jí)

在整個(gè)電動(dòng)振動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)中，噪聲來(lái)源主要除了實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境噪聲，其次就是率放大器加上增益以后產(chǎn)生的噪聲；所以在進(jìn)行低頻、小量級(jí)掃頻時(shí)最好應(yīng)保證臨近該振動(dòng)臺(tái)的其他設(shè)備別進(jìn)行大量級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，以免噪聲干擾更大；在功放輸出電壓滿足試驗(yàn)條件的要求下，盡量將增益加到最小，減小噪聲的分貝（有些振動(dòng)臺(tái)增益越大噪聲愈小）；此外還可以在功率放大器和控制儀之間連接一個(gè)隔離變壓器，用來(lái)消除功放的噪聲。

4）改變初始頻率

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在低頻階段波形失真度大，很難滿足試驗(yàn)要求，所以有些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范就明確說(shuō)明如果振動(dòng)臺(tái)下限頻率到達(dá)不了1Hz，只要樣品的固有頻率不低于該振動(dòng)臺(tái)的最低頻率，可以適當(dāng)提高試驗(yàn)下限頻率，但下限頻率不能低于5Hz。因此如果以上方法均不能解決噪聲干擾問(wèn)題，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的情況下，可以跟委托方協(xié)商將起點(diǎn)頻率提高至3Hz～4Hz，保證試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。除此之外，還可以把上限頻率作為掃頻的起點(diǎn)頻率，逆方向掃頻，雖然上掃和下掃得出的共振頻率有區(qū)別，不過(guò)在誤差范圍內(nèi)都是有效的。

1.2 出現(xiàn)相對(duì)位移

低頻起振除了噪聲干擾外，另外一大難題就是振動(dòng)臺(tái)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。量級(jí)愈大相對(duì)位移愈大；樣品愈重，相對(duì)位移亦愈大。比如利用正弦拍波模擬地震試驗(yàn)的時(shí)候，起點(diǎn)頻率1Hz時(shí)加速度有時(shí)會(huì)達(dá)到0.1g～0.3g，此時(shí)位移幅值達(dá)到25mm～75mm，加上相對(duì)位移的存在，要求振動(dòng)臺(tái)的位移幅值必須達(dá)到80mm以上才能滿足試驗(yàn)要求；又比如某運(yùn)輸條件：2Hz～5.5Hz，位移幅值12.3mm；5.5Hz～200Hz，加速度值1.5g，雖然試驗(yàn)嚴(yán)酷條件在振動(dòng)臺(tái)額定范圍內(nèi)，但在低頻階段振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的相對(duì)位移就非常明顯，因?yàn)橄鄬?duì)位移的存在也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。尤其在進(jìn)行重負(fù)載大位移試驗(yàn)時(shí)，由于隔振系統(tǒng)的作用，動(dòng)圈和負(fù)載相對(duì)于臺(tái)體會(huì)出現(xiàn)明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)最大位移受下式限制：

位移 = 最大位移×(1-運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量/振動(dòng)臺(tái)重量)×安全系數(shù)

比如相對(duì)于DC-20000-200振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體：

最大位移：51mm

安全系數(shù)：0.9

運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量（動(dòng)圈+臺(tái)面+樣品）：2000kg

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體重量：10000kg

此時(shí)位移=51×(1-2000/10000)×0.9=36.7mm

因?yàn)橄鄬?duì)位移的存在，所以在低頻階段，振動(dòng)臺(tái)的額定位移會(huì)大打折扣，而且對(duì)設(shè)備的損傷也比較大。因此在大型軍工項(xiàng)目試驗(yàn)前，首先要估算設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)（頻率范圍、額定承載、額定位移、加速度等等）是否滿足試驗(yàn)條件的要求，選擇合適的設(shè)備。其次試驗(yàn)時(shí)控制方式宜采用最大值控制。另外在進(jìn)行10Hz以下的振動(dòng)試驗(yàn)而且負(fù)載很大時(shí)，造成最大位移發(fā)生困難時(shí)，必須將減震氣囊的氣充足，必要時(shí)可鎖緊隔振機(jī)構(gòu)，使臺(tái)體和地基連接起來(lái)，防止臺(tái)體產(chǎn)生過(guò)大位移；還必須要注意的是每隔10～30分鐘要檢查一次臺(tái)面中心位置，調(diào)節(jié)空氣閥的空氣量，使臺(tái)面始終處于恰當(dāng)位置。

2 隨機(jī)振動(dòng)在低頻階段的問(wèn)題

隨機(jī)振動(dòng)頻率域?qū)挘且粋€(gè)連續(xù)的頻譜，同時(shí)在所有頻率上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行激勵(lì)。產(chǎn)品安裝在平臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)的頻率范圍，典型的低頻通常是取產(chǎn)品最低共振頻率的一半或其安裝平臺(tái)產(chǎn)生明顯振動(dòng)的最低頻率，產(chǎn)品在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)常常會(huì)經(jīng)受很低的振動(dòng)頻率，比如在GJB 4857.23中規(guī)定的振動(dòng)起點(diǎn)頻率為1Hz，而且總均方根加速度非常小；GJB 150.16、GJB 150.16A中輪式車(chē)輛組合起點(diǎn)頻率為5Hz，但是功率譜密度大，一般的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)很難滿足試驗(yàn)條件的要求。因此隨機(jī)振動(dòng)在低頻的振動(dòng)問(wèn)題也是我們不能忽視的。

隨機(jī)振動(dòng)與正弦振動(dòng)一樣，在低頻受噪聲干擾和位移限制，位移計(jì)算公式如下：

式中：s-位移（雙振幅mm），W1-功率譜密度（g2/ Hz），f-頻率（Hz）。

由此可以看出起點(diǎn)在5Hz以下的，出現(xiàn)超位移的情況居多，比如GJB 150.16A組合輪式車(chē)振動(dòng)環(huán)境5Hz時(shí)功率譜密度0.2366g2/Hz，此時(shí)振幅為23.2mm，但由于臺(tái)體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此一般振幅為25.5mm的振動(dòng)臺(tái)滿足不了該試驗(yàn)條件的要求，只有選擇大位移（一般振幅為40mm以上）設(shè)備，如蘇試生產(chǎn)的DL-4000-50電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)位移幅值為50mm就能解決以上問(wèn)題。

另外雖然隨機(jī)振動(dòng)本身產(chǎn)生噪聲，但也存在噪聲干擾問(wèn)題，尤其是起點(diǎn)頻率低或者總均方根加速度小到0.5g以下的情況下，如果試驗(yàn)環(huán)境噪聲過(guò)大，振動(dòng)就容易受到干擾而無(wú)法起振，檢測(cè)員在排除故障的時(shí)候要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，避免給試驗(yàn)帶來(lái)不必要的麻煩。此時(shí)必須要更換大靈敏的傳感器作為控制亦或者停止產(chǎn)生噪聲的試驗(yàn)項(xiàng)目，保證試驗(yàn)室環(huán)境滿足試驗(yàn)的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定一般從5Hz開(kāi)始，但是實(shí)際過(guò)程中常常會(huì)遇到低于5Hz以下的振動(dòng)，頻率低、位移大的實(shí)際例子就好像坐電梯一樣，其實(shí)受到的應(yīng)力損傷是非常小的，往往可以忽略不記，但是很多時(shí)候?yàn)榱藵M足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，低頻必須參與振動(dòng)。然而本文提到的低頻干擾問(wèn)題卻會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)的順利，所以本文主要通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析和判斷并提出解決問(wèn)題的方法（僅供參考），以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的科學(xué)公正，在此基礎(chǔ)上不斷提高控制技術(shù)能力。

[1]GJB 150A-2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

[2]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)[S].

[3] 季馨,王樹(shù)榮.電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[4]盧兆明.道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)方法和要求[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

李威（1988.6-），男，漢族，湖北荊州，本科，檢測(cè)員，質(zhì)量控制，環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)。

How to Solve the Low-frequency Vibration Problem of the Electric Vibration Table

LI Wei
（Beijing Sushi Chuangbo Environment Reliability Technical Co., Ltd., Beijing 102205）

Vibration table is the key equipment of mechanical environmental laboratory to carry out the test work. According to gaining energy, the vibration tables are divided into electric vibration table, mechanical vibration table and hydraulic vibration table. With the development of science and technology, the laser vibration table has been developed. At present, the electric vibration table is used most, because of their high frequency, good waveform and easy to control. This paper mainly analyzes and discusses the low-frequency vibration problem of the electric vibration table.

vibration; low-frequency; noise; relative displacement

V19

B

1004-7204（2015）01-0015-03