提高感应式振动台经典冲击能力的方法

2022-08-08秦亚明鲍俊宇孙险峰

工程与试验 2022年2期

秦亚明，鲍俊宇，孙险峰

(1.北京航天希尔测试技术有限公司，北京 100075；2.中机试验装备股份有限公司，吉林长春 130103)

1 引言

近年来，随着航空航天、交通运输等行业的快速发展，对相关产品冲击环境试验的需求逐步增加。对于此类试验，多采用电动振动台完成，电动振动台产生规定的冲击脉冲波形或冲击响应谱，以满足不同冲击试验的需求。

电动振动台与冲击试验机相比，其振动设备、试验夹具均可重复使用，能极大缩短试验的周期与成本，不同批次冲击脉冲试验更易于复现。但是，电动振动台也存在一定的不足，即冲击脉冲试验会受振动台冲击能力(如振动台最大位移、最大冲击速度、最大加速度以及最大推力等)的限制。电动振动台是电能与机械能转换装置，其长期工作于疲劳、冲击载荷工况下，容易造成驱动线圈与高温胶的脱落而产生失效，从而降低振动设备的可靠性。

为了解决电动振动台冲击能力与可靠性的问题，感应式振动台应运而生。与电动振动台相比，感应式振动台具有高量值(最大正弦加速度、随机加速度均大于100g)、高可靠性、低故障率等优点，能有效地解决电动振动台动圈失效问题。本文通过试验，对比分析感应式振动台与电动振动台的冲击能力，从而找到提高感应式振动台冲击能力的解决方案。

2 感应式振动台的原理

励磁线圈为顺序绕制的铜制线圈，当通过直流电流时，由极板、磁钢、底板与铁芯等所围成的环形磁铁内部形成静磁场，磁隙处磁感应强度达到或接近饱和，从而建立静磁场。极板与铁芯分别绕制内、外驱动线圈，与感应环之间形成筒形变压器结构，驱动线圈通过交变电流后，将电流映射到工作台面下部的感应环内、外表面，形成一匝单圈感生电流，从而带动工作台面产生激振力。

工作台面与驱动线圈为感应式振动台的关键部件。工作台面由上部的骨架与下部的感应环两部分组成，可在系统特定自由度下运动。驱动线圈(交流线圈)由内、外感应线圈组成，通过高温胶将其固定于铁芯与极板，工作状态下是完全固定的。感应式振动台结构原理图如图1所示。

图1 感应式振动台结构原理图

感应式振动台的工作台面由两部分组成，上部一般为镁或铝合金，下部是镁或铝制实体圆环，整体铝件强度与连接刚度远高于高温固化后的强度与刚度。通过高温粘接等方式将这两部分实体连接为一个整体，通过降低工作台面的质量、提高一阶谐振频率等，感应式振动台最大加速度、最大冲击速度均超过电动振动台的相关指标，可满足高强度、高量值、长时间的冲击试验要求。感应式振动台与电动振动台性能对比见表1。

表1 感应式振动台与电动振动台性能对比

3 半正弦脉冲波形

振动台冲击控制试验系统包括振动台、功率放大器、加速度传感器、数字冲击控制仪及辅助测量、采集设备等，组成正反馈控制系统，从而实现振动台面的冲击响应。振动冲击控制系统如图2所示。

图2 振动冲击控制系统[2]

经典的冲击波形主要包括半正弦波、三角波、矩形波、前峰锯齿波、后峰锯齿波及梯形波等，可根据不同的试验要求选择不同的冲击波形。半正弦波是最常用的脉冲波形，适用于模拟线性系统的撞击或道路运输环境下引起的对试验件的冲击载荷，故一般将半正弦波作为衡量振动设备冲击能力的主要性能指标。根据GB/T 2423.5—2019，半正弦波基本脉冲波形如图3所示。

图3 半正弦脉冲波形

半正弦脉冲波形由冲击加速度、脉冲宽度和间隔时间三部分组成，不能仅用振动台的最大冲击加速度作为衡量振动台冲击能力的指标，而应与振动台的最大冲击速度、最大位移以及脉冲宽度等指标综合、统一考虑。通用方法一般采用振动台冲击包络图方式表示振动台的冲击能力，横坐标为脉冲宽度，纵坐标表示冲击速度。空台面下，根据不同的冲击加速值或冲击位移划出不同的冲击能力曲线，每条曲线之间基本为双曲线形式，脉冲宽度小，冲击加速度较大，但不超过最大冲击加速度值。对于脉冲宽度较大的情况，更应注意不要超过振动台的最大位移。这4个指标综合后，围成一个包络的区域，这就是振动台空台冲击试验能力范围或指标[2](如图4所示)。

图4 电动振动台冲击包络区域

4 感应式振动台半正弦脉冲波形测试

需判断冲击脉冲的窄带冲击脉冲应校核振动台最大冲击速度，宽带冲击脉冲应校核冲击最大位移未超出振动台的极限能力。振动台的最大正弦加速度越大，实际推力越大，其冲击加速度也会相应增大，冲击能力越强。根据经验，振动台的最大冲击加速度一般不超过正弦最大加速度峰值的2～3倍，最大冲击速度不应超过振动台最大正弦扫频速度的1.5倍。

感应式振动台的结构与电动振动台不同，其具有高量值、高加速度以及高可靠性等优点，其正弦最大加速度一般大于100g，最大冲击速度达到4m/s以上，故其经典冲击能力应优于电动振动台。以航天希尔I1045MX型感应式振动台(主要性能见表1)为例，对半正弦波冲击能力进行测试：以窄带经典冲击脉冲(≤5ms)与宽带经典冲击脉冲(≥10ms)两种方式进行测试，并与电动振动台的冲击能力进行比较。

窄带冲击脉冲(≤5ms)空台振动台的半正弦波冲击加速度值最大，冲击位移较小(一般不超过最大位移的30%～50%)，测试窄带冲击脉冲的意义在于了解振动台空台最大冲击加速度(即冲击能力)与最大冲击速度。宽带冲击脉冲(≥10ms)振动台半正弦的位移随脉冲宽度增加而变大，此时主要考虑不能超过振动台的最大位移，验证振动台宽带脉冲半正弦波的冲击能力，带负载后对振动台冲击能力的影响，从而发挥感应式振动台的冲击能力。

4.1 窄带半正弦波冲击脉冲空台测试

对I1045MX振动台进行半正弦波冲击测试，通过改变励磁大小，可以方便而高效地解决感应式振动台的冲击性能。

(1)正常励磁(380A)条件下，半正弦波冲击脉冲空台测试。经过对I1045MX振动台反复测试，脉冲宽度3ms实现空台400g经典冲击谱线，脉冲宽度4ms实现空台300g经典冲击谱线(如图5所示)，最大冲击加速度值均超过电动振动台的相关指标，说明其冲击能力较强，但其冲击能力仅为正弦最大加速度的1.8倍。由于感应式振动台的正弦加速度值远大于100g，基数较大，尽管其冲击能力有大幅度的提高，但未能像普通电动振动台那样达到冲击能力是正弦最大加速度峰值的2～3倍。

(a)经典冲击试验：3ms 400g

(b)经典冲击试验：4ms 300g图5 正常励磁，窄带半正弦波脉冲感应式振动台冲击极限

(2)改变励磁条件，半正弦波冲击脉冲空台测试。改变励磁条件，脉冲宽度4ms完成空台500g经典冲击谱线(如图6所示)，但在高励磁条件下，脉冲宽度4ms未完成空台500g经典冲击谱线。由图6可以看出，低励磁条件下的冲击谱线与控制谱线均比对应的中励磁条件下的冲击谱线与控制谱线更光滑，对振动台面的控制能力更好，冲击效果更佳，即通过励磁减小的方式，尽管降低了振动台的推力，却可以有效地提高感应式振动台的冲击能力。半正弦波脉冲冲击试验由脉冲宽度4ms完成空台300g提高到经典冲击试验的脉冲宽度4ms完成空台500g，其冲击能力增加了33%，冲击能力达到了正弦最大加速度的2.3倍，也能达到正弦最大加速度峰值的2～3倍。

(a)经典冲击试验：4ms 500g 中励磁(260A)

(b)经典冲击试验：4ms 500g 低励磁(180A)图6 中、低励磁，窄带半正弦波脉冲感应式振动台冲击极限

(3)窄带半正弦波冲击速度测试。在低励磁条件下，测试I1045MX感应式振动台脉冲宽度5ms实现400g的冲击速度达到6.3m/s，脉冲宽度5ms实现450g的冲击速度达到7.1m/s(注：根据控制仪与设置的不同，冲击加速度值有所不同)，如图7所示。

(a)经典冲击试验：5ms 400g冲击速度6.3m/s

(b)经典冲击试验：5ms 450g冲击速度7.1m/s图7 低励磁，窄带半正弦波脉冲感应式振动台最大冲击速度

(4)带负载窄带半正弦波冲击测试。加负载(50kg，即与运动部件质量一致)窄带半正弦波冲击速度为最大冲击速度的一半(如图8所示)，验证了振动台的冲击能力。

图8 低励磁，50kg负载窄带半正弦波脉冲感应式振动台冲击极限

4.2 宽带半正弦波冲击脉冲带负载测试

宽带半正弦波脉冲宽度15ms，准备较重负载约800kg，以降低冲击最大位移，运动部件质量50kg。通过反复测试，励磁大小对冲击能力的影响不大，故宽带冲击脉冲基本不考虑通过改变励磁大小的方式增加其冲击能力。

通过提高功率放大器的功率输出可以起到增加冲击推力的作用。根据试验测试，功率放大器约300kVA最大可实现15ms 26g的冲击(约215kN的推力，为最大正弦加速度的1.8倍)；将功率放大器的功率提高到480kVA，最大可实现15ms 28g的冲击(约240kN的推力，为最大正弦加速度的2.2倍)，感应式振动台的冲击能力有较大提升(如图9所示)。