CN104764575A - 一种联合振动试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动试验领域，具体是一种联合振动试验装置及方法。所述装置包括液压油源（1）、伺服阀（2）、液压作动器（3）、扩展台（4）、平台传感器（5）、试件传感器（8）、连接块（9）、导杆（10）、高频激振器（11）、弹性单元（12）、磁流变液阻尼器（13）和功放组（15）；液压油源（1）、伺服阀（2）、液压作动器（3）、扩展台（4）和平台传感器（5）组成低频振动系统；连接块（9）、导杆（10）、高频激振器（11）、功放组（15）及试件传感器（8）构成高频振动系统；弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）设置于扩展台（4）台面和高频激振器（11）之间。本发明将低频、高频振动设备有效结合，远优于分别进行低频和高频试验。

Description

一种联合振动试验装置及方法

技术领域

本发明涉及振动试验领域，该装置及方法将低频振动设备与高频振动设备有效结合，用于振动环境模拟试验。

背景技术

振动试验的目的是在实验室条件下对产品或设备在运输、使用等过程中所处的振动环境进行模拟，以检验其可靠性、稳定性等指标。目前振动试验被广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、核工业等国防领域以及汽车、建筑等民用工业部门。振动试验在国防领域不仅为新型武器系统和装备提供重要的设计依据，而且作为武器装备的主要测试手段，常用于装备性能、可靠性、临战状态的考核与验收：如判断各部件及整机的动力强度，模拟导弹、火箭、卫星的环境试验，测试飞机飞行的振动特性等。作为现代工程技术领域的一项基本试验，振动试验也是工业产品研发的重要手段，广泛应用于许多重要的工程领域：如工业生产中的各种材料、零部件、构件乃至整机或建筑物的力学性能试验，工程材料高频疲劳试验，汽车、行走机械的道路模拟试验，水坝、高层建筑等大型工程的抗震试验等。通过振动试验可以使设计更加合理，使用更加可靠。

振动台是一个集激振系统、测试系统和软件分析系统于一体的完整的现代振动测试系统，是振动环境模拟的物理基础和实现载体。按照驱动方式的不同，可以分为机械振动台、电动振动台、液压振动台、电磁式振动台、压电式振动台和磁致伸缩振动台。相对而言，机械式振动台具有结构简单、安装方便、成本低等优点，但也存在出力小、结构复杂、可控性差等缺点。电动振动台由恒定磁场和位于磁场中的通电线圈的相互作用产生电动力来驱动。具有频率范围宽、系统线性好、容易控制、波形失真小等优点，但一般而言电动台台面负载小、位移小、系统庞大及造价较高。液压振动试验系统具有功率重量比和力质量比大，响应快速，刚度大，抗干扰能力强，误差小，精度高等优点。同样，电液振动系统也存在如下缺点：工作频率范围小于电动振动台，在高频率范围内工作相对困难，多数情况下适用于在低频区及中频区振动试验。另外由于采用的是液压系统，受工作环境、油液温度、液压密封件的摩擦的影响较大，容易产生压力脉动和产生共振等。压电式振动台驱动频率更高，但激励较小，适用于小型零件试验。可见，目前一般根据试验条件选择不同类型的振动台，可以由单台及多台同种类型振动台组成试验系统。

然而，对船舶、航空航天飞行器等复杂结构，外形复杂，内部机械设备较多，种类各不相同，且往往同时运行工作，常导致其结构的振动响应实际是多个机械设备振源共同作用的结果。此外，在设备运行阶段，还受扰动气流、附面层脉动气流产生的启动噪声等多种分布振动激励。

现有的振动试验系统因设备特性的区别往往只能实现设备允许的振动量级，如宽频小振幅，低频大振幅等，而对于低频高窄带加随机、宽频较大量级、非高斯等特殊振动环境存在局限性。

目前，对于需要同时进行高频和低频振动试验的试件来说，还没有一种完全适用的振动试验系统。

发明内容

本发明目的是提供一种联合振动试验装置及方法，该装置将低频振动设备与高频振动设备有效结合，用于振动环境模拟试验。

本发明是如此实现的：

一种联合振动试验装置，用于对包含试件低频段和试件高频段的试件进行振动实验，对试件低频段进行低频振动，对于试件高频段进行高频振动；其中：包括液压油源、伺服阀、液压作动器、扩展台、平台传感器、试件传感器、连接块、导杆、高频激振器、弹性单元、磁流变液阻尼器和功放组；

液压油源、伺服阀、液压作动器、扩展台和平台传感器组成低频振动系统；液压油源是动力源，为液压作动器提供液压；伺服阀联接液压油源和液压作动器，将小功率的输入电信号精确而快速地转变为大功率的液压信号，输出的液压信号去驱动液压作动器，带动扩展台运动；

扩展台为平台结构，试件低频段直接安装于扩展台台面；平台传感器固定布置于扩展台台面；

连接块、导杆、高频激振器、功放组及试件传感器构成高频振动系统；功放组用于驱动高频激振器；高频激振器一端与弹性单元及磁流变液阻尼器固定连接，一端通过导杆与连接块固定连接；连接块连接导杆及试件高频段；

弹性单元及磁流变液阻尼器设置于扩展台台面和高频激振器之间，弹性单元及磁流变液阻尼器组成的结构传递特性与试件低频段到试件高频段的传递特性相同；

试件传感器安装于试件高频段。

如上所述的一种联合振动试验装置，其中，在所述弹性单元及磁流变液阻尼器与扩展台台面之间，设置转接板，转接板包括：柱体、连接螺栓和螺母；柱体下侧与扩展台台面固定连接，螺母上端与弹性单元及磁流变液阻尼器固定连接；柱体底部外侧为外螺纹结构，与螺母的内螺纹配合；连接螺栓固定柱体和螺母。

一种联合振动试验方法，其中，使用如上所述的联合振动试验装置，包括如下步骤：

步骤1、安装试件于扩展台，且断开试件高频段与连接块；

步骤2、发送预设定信号至伺服阀，并采集平台传感器及试件传感器响应信号；

步骤3、计算伺服阀至扩展台的传递特性，以及扩展台与试件低频段的连接界面至试件高频段的传递特性；

步骤4、根据扩展台与试件低频段的连接界面至试件高频段的传递特性，选择弹性单元及磁流变液阻尼器；

步骤5、连接试件高频段与连接块；

步骤6、发送预设定信号至高频激振器，并采集试件传感器响应信号，计算高频激振器至试件高频段的传递特性；

步骤7、对于指定的试件实验信号，根据伺服阀至扩展台的传递特性、扩展台与试件低频段的连接界面至试件高频段的传递特性、高频激振器至试件高频段的传递特性，计算得到伺服阀和高频激振器的输入信号，对于伺服阀和高频激振器进行控制，开展实验。

本发明的优点在于：根据上述结构和方法，本发明将低频振动设备与高频振动设备有效结合，综合设备的优势，扩展振动试验系统的使用范围，提高了试验效率，并且更好地模拟被试对象的使用环境，得到更可靠的试验数据；由于能够有针对性地同时提供低频和高频振动，获得最真实的数据，所以其试验效果远优于分别进行低频和高频试验，对被试对象的设计具有很高的参考性。

附图说明

图1为本发明一种联合振动试验装置；

图2为磁流变液阻尼器主视图；

图3为转接板主视图；

图4为转接板俯视图。

1液压油源；2伺服阀；3液压作动器；4扩展台；5平台传感器；6试件低频段；7试件高频段；8试件传感器；9连接块；10导杆；11高频激振器；12弹性单元；13磁流变液阻尼器；14转接板；15功放组；131线圈；132封闭壳体；133磁流变液；134阻尼器连接板；135阻尼杆；136线圈电极；141柱体；142连接螺栓；143螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

如图1所示，一种联合振动试验装置，包括液压油源1；伺服阀2；液压作动器3；扩展台4；平台传感器5；试件传感器8；连接块9；导杆10；高频激振器11；弹性单元12；磁流变液阻尼器13；转接板14；功放组15。

磁流变液阻尼器13包括：线圈131、封闭壳体132、磁流变液133、阻尼器连接板134、阻尼杆135、线圈电极136。转接板14包括：柱体141、连接螺栓142、螺母143。

所述联合振动试验装置对于试件进行试验，所述试件包括试件低频段6和试件高频段7。

液压油源1、伺服阀2、液压作动器3、扩展台4和平台传感器5共同组成低频振动系统。

在本申请中，是指一般200Hz以内为低频，200Hz以上为高频。当然，上述数据并没有限定本申请所述发明的应用范围。

其中，液压油源1是动力源，为液压作动器3提供具有恒定压力和流量的液压油，使液压作动器3给试件低频段6及转接板14加载，达到动态疲劳试验的目的。伺服阀2是液压油源1和液压作动器3的联接桥梁，其功能是将小功率的输入电信号精确而快速地转变为大功率的液压信号输出，输出的液压信号去驱动液压作动器3，而带动负载运动。液压作动器3是低频振动系统主要执行元件，一端与伺服阀2连接，接收伺服阀2的控制信号，并在液压油源1提供的高压油作用下推动另一端的扩展台4运动。扩展台4的作用主要包括：按照试验要求，可靠地装夹试件低频段6及转接板14；实现与液压作动器3的连接；将液压作动器3的运动和能量不失真地传递到试件低频段6上，避免出现共振和隔振现象。

液压油源1与伺服阀2通过液压管路连接；伺服阀2与液压作动器3固定连接并保证密封性；液压作动器3与扩展台4螺纹固定连接保证不失真传递并易于拆卸；扩展台4与试件低频段6及转接板14固定连接。

平台传感器5固定布置于扩展台4台面，连接方式可以为螺纹连接、粘结等。平台传感器5采集平台表面的加速度、速度、位移等信号并传输至计算机，伺服阀2的指令信号同样发送至计算机，将二者进行时域或频域分析，即可得到伺服阀2至扩展台4的传递特性。

试件由试件低频段6及试件高频段7共同组成，实现联合振动的主要任务之一即要计算试件低频段6至试件高频段7的连接特性，并据此选择弹性单元12及磁流变液阻尼器13的量级。从而使用弹性单元12及磁流变液阻尼器13来模拟试件低频段6至试件高频段7的结构，保证从试件自身传递的信号和从弹性单元12及磁流变液阻尼器13传递的信号一致，从而保证试件高频部分7的安全性和实验可靠性。

计算连接特性时，对平台传感器5及试件传感器8共同采集信号并输入至计算机。平台传感器5与扩展台4及试件传感器8与试件高频段7之间固定连接，为了不破坏试件及台面表面，一般使用胶剂粘结。

试件传感器8、连接块9、导杆10、高频激振器11及功放组15构成高频振动系统，功放组15用于放大计算机信号并驱动高频激振器11运动。采集试件传感器8数据并与高频激振器11的驱动信号对比，即可得到高频激振器11至试件高频段7的传递特性，并参考试验条件，调整高频激振器11的驱动信号至功放组15从而实现预设试验条件。

高频激振器11可实现高频信号的输出，可以为电动激振器、电磁激振器、压电激振器等。高频激振器11一端与弹性单元12及磁流变液阻尼器13固定连接，一端通过导杆10与连接块9固定连接，该固定方式可以为螺纹连接、焊接、胶剂粘结等。弹性单元12及磁流变液阻尼器13固定连接于转接板14上端。

导杆10的作用是将高频激振器11的输出传递至试件高频段7，然而试件高频段7与试件低频段6之间进行不同频度的振动实验、产生不同振动模式，两部分之间强度较低，因此试件高频段7振动过程中同时存在横向的运动。两部分之间强度较低也正是在实际使用过程中会产生不同频度振动的原因。为消除导杆10对试件高频段7横向运动的影响，导杆10可以为细长杆或薄壁梁。连接块9连接导杆10及试件高频段7，连接块9与导杆10固定连接的形式可以为螺纹连接、焊接、粘结等，连接块9与试件高频段7之间使用胶剂粘结。

弹性单元12及磁流变液阻尼器13的作用是模拟试件低频段6至试件高频段7的传递特性，弹性单元12可以为油气弹簧、圆柱螺旋弹簧、板簧、碟簧等，其刚度根据低频段6至试件高频段7的传递特性选取。

磁流变液阻尼器13包括：线圈131、封闭壳体132、磁流变液133、阻尼器连接板134、阻尼杆135、线圈电极136。磁流变液阻尼器13的目的是为了提供与上述传递特性一致的阻尼。磁流变液133是当前智能材料研究领域中的一个重要分支，在无外磁场作用下，具有良好的流动性；而在磁场作用下，可在毫秒级时间内从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的粘塑性体，其表观粘度可增大两个数量级以上，呈现类似固体的力学性质，且这种转变是可控、连续和可逆。封闭壳体132填充磁流变液133，阻尼杆135在磁流变液133内运动，封闭壳体132外部绕线圈131，线圈的首尾端为线圈电极136，线圈电极136与功放组15连接。当线圈131内供电时，形成磁场，改变磁流变液133的特性，从而改变阻尼。阻尼器连接板134与高频激振器11固定连接。

转接板14包括：柱体141、连接螺栓142、螺母143。螺母143与扩展台4固定连接，可以为焊接，螺纹连接，粘结等。柱体141为外螺纹结构，以便与螺母143连接。当旋进距离调整时，可以调整螺母143顶面的高度。当高度调整至要求高度时，将连接螺栓142与柱体141连接以防止螺母143转动，提高传递特性。因为柱体141上设置的螺纹孔数目有限，故螺母143上设置长圆弧形孔，方便连接螺栓142在螺母143任意位置进行连接。

该联合振动试验装置的试验方法如下：

1）连接液压油源1、伺服阀2、液压作动器3、扩展台4、平台传感器5、试件低频段6、试件高频段7及试件传感器8；

2）在未连接试件高频段7与连接块9的情况下，由计算机发送白噪声信号或根据试验谱型要求计算的低平量级信号至伺服阀2，伺服阀2接收指令，并驱动阀芯运动以控制液压作动器3及扩展台4运动，同时扩展台4上的平台传感器5及试件传感器8采集响应信号并输送至计算机。

3）计算机内，通过数据分析，根据计算机发送的信号及平台传感器5的采集信号可以获得伺服阀2至扩展台4的传递特性，根据平台传感器5及试件传感器8的采集信号可以获得扩展台4与试件低频段6的连接界面至试件高频段7的传递特性。

4）根据伺服阀2至扩展台4的传递特性，并结合试验条件可以计算输入数据，以在扩展台4表面生成满足试验要求的信号；根据扩展台4与试件低频段6的连接界面至试件高频段7的传递特性可以计算刚度和阻尼，并依据此计算结果选择弹性单元12及磁流变液阻尼器13。

5）因为不同弹簧及阻尼参数可能导致高度弹性单元12及磁流变液阻尼器13的高度变化，所以需要通过转接板14调整高度。固定连接柱体141及扩展台4，旋进螺母143以调整螺母143顶面至扩展台4的距离，满足要求后，将连接螺栓142与柱体141固定连接。

6）根据高频激振器11的输入信号及试件传感器8的采集信号，在计算机内可以计算高频激振器11至试件高频段7的传递特性。

7）依据试验条件，经过数据计算即可得到满足试验要求的伺服阀2和高频激振器11的输入信号。试验进行时，低频振动系统及高频振动系统产生的低频信号及高频信号在试件上叠加，根据叠加原理，试件低频段6实现满足试验要求的低频信号，而试验高频段7产生试验要求的高低频合成信号。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种联合振动试验装置，用于对包含试件低频段（6）和试件高频段（7）的试件进行振动实验，对试件低频段（6）进行低频振动，对于试件高频段（7）进行高频振动；其特征在于：包括液压油源（1）、伺服阀（2）、液压作动器（3）、扩展台（4）、平台传感器（5）、试件传感器（8）、连接块（9）、导杆（10）、高频激振器（11）、弹性单元（12）、磁流变液阻尼器（13）和功放组（15）；

液压油源（1）、伺服阀（2）、液压作动器（3）、扩展台（4）和平台传感器（5）组成低频振动系统；液压油源（1）是动力源，为液压作动器（3）提供液压；伺服阀（2）联接液压油源（1）和液压作动器（3），将小功率的输入电信号精确而快速地转变为大功率的液压信号，输出的液压信号去驱动液压作动器（3），带动扩展台（4）运动；

扩展台（4）为平台结构，试件低频段（6）直接安装于扩展台（4）台面；平台传感器（5）固定布置于扩展台（4）台面；

连接块（9）、导杆（10）、高频激振器（11）、功放组（15）及试件传感器（8）构成高频振动系统；功放组（15）用于驱动高频激振器（11）；高频激振器（11）一端与弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）固定连接，一端通过导杆（10）与连接块（9）固定连接；连接块（9）连接导杆（10）及试件高频段（7）；

弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）设置于扩展台（4）台面和高频激振器（11）之间，弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）组成的结构传递特性与试件低频段（6）到试件高频段（7）的传递特性相同；

试件传感器（8）安装于试件高频段（7）。

2.如权利要求1所述的一种联合振动试验装置，其特征在于，在所述弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）与扩展台（4）台面之间，设置转接板（14），转接板（14）包括：柱体（141）、连接螺栓（142）和螺母（143）；柱体（141）下侧与扩展台（4）台面固定连接，螺母（143）上端与弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）固定连接；柱体（141）底部外侧为外螺纹结构，与螺母（143）的内螺纹配合；连接螺栓（142）固定柱体（141）和螺母（143）。

3.一种联合振动试验方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的联合振动试验装置，包括如下步骤：

步骤1、安装试件于扩展台（4），且断开试件高频段（7）与连接块（9）；

步骤2、发送预设定信号至伺服阀（2），并采集平台传感器（5）及试件传感器（8）响应信号；

步骤3、计算伺服阀（2）至扩展台（4）的传递特性，以及扩展台（4）与试件低频段（6）的连接界面至试件高频段（7）的传递特性；

步骤4、根据扩展台（4）与试件低频段（6）的连接界面至试件高频段（7）的传递特性，选择弹性单元（12）及磁流变液阻尼器（13）；

步骤5、连接试件高频段（7）与连接块（9）；

步骤6、发送预设定信号至高频激振器（11），并采集试件传感器（8）响应信号，计算高频激振器（11）至试件高频段（7）的传递特性；

步骤7、对于指定的试件实验信号，根据伺服阀（2）至扩展台（4）的传递特性、扩展台（4）与试件低频段（6）的连接界面至试件高频段（7）的传递特性、高频激振器（11）至试件高频段（7）的传递特性，计算得到伺服阀（2）和高频激振器（11）的输入信号，对于伺服阀（2）和高频激振器（11）进行控制，开展实验。