机械振动台无强迫导向双向振动机理

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摘 要：简要论述在机械振动台上如何应用无强迫导向技术，实现机械振动台由强迫导向到无强迫导向的技术发展，在同一工作台面上实现垂直振动和水平振动的基本原理。通过与采用强迫导向机械振动台特性的比较，使机械振动台应用无强迫导向双向振动技术的特点和优越性更清晰地展现出来。

关键词：机械振动台；强迫导向；无强迫导向；垂直振动；水平振动

中图分类号：TN05文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)22-070-04

Vibration Principle of Nonforced Guiding in Two Directions of Mechanical Vibrator

AN Zhengxin

(Shaanxi Electronics Research Institute,Xi′an,710004,China)

Abstract： This article mainly describes the technology development of mechanical vibrator from forced guiding to nonforced guiding by means of nonforced guiding technology on mechanical vibrator and the basic principle of performing vertical and horizontal vibrations on the same table.As compared to the mechanical vibrator with forced guiding the two direction vibration characteristics and advantages of the vibrator with nonforced guiding are clearly revealed.

Keywords：mechanical vibrator;forced guiding;nonforced guiding;vertical vibration;horizontal vibration

1 引 言

机械振动台在力学环境实验中的重要作用促使了各有关技术部门对其持续的关注和研究，从而使机械振动台得到了很好的发展。在机械振动台的发展中经历了几个重要的阶段：在调幅方式上由单向停机调幅，单向不停机机调幅，到双向定位移幅值自动扫频；在导向方式上由强迫导向到无强迫导向；在振动方式上由单向振动到双向振动。在机械振动台的发展过程中实现无强迫导向和双向振动是研究的主要问题和关键。

机械振动台为实现振动方向上的振动，限制工作台面在非振动方向上的不需要的自由度，一般多采用增加约束的方法，也就是强迫导向的方法。具体有铜套导向、滚轮导向、棒弹簧、板弹簧导向等。这种导向的方式存在几个极难解决的问题：即在振动台的工作频率范围内存在一个或几个不同于主振方向的共振点；台面运动波形非线性失真增大；使用者需要为设备准备很牢固的专用基础。上述问题的存在使机械振动试验受到了很大的影响和制约。

无强迫导向的成功应用使机械振动台的运动特性获得了突破性的提高，使其成为了多年来一种较为理想的振动试验设备。下面着重就机械振动台的无强迫导向双向振动做论述。

2 机械振动台振动源（激振器）的力学特性和运动特性

机械振动台主要由机座、台体、液压、电器控制等部分组成。激振器、台体均为对称结构。激振器置于台体内，台体用弹簧与基座相连，组成一典型的质量弹簧系统。激振器是利用一不平衡质量体以一定的速度作定轴旋转从而向振动台供了振动源。故激振器也叫不平衡器或转子。

一台机械振动台可由1～4组转子组合成一个激振系统。

设激振器不平衡质量为m,在某一时刻t的偏心距为e,旋转频率为ω，则激振器所产生的离心力为：P=meω2， 该力在x,y坐标上的分量就是该力为振动台在水平、垂直振动方向提供的激振力：

Rx=meω2sin（ωt+φ）=Psin(ωt+φ)

Ry=meω2*con（ωt+φ)=P*con(ωt+φ)

式中φ是激振器在运动时的初相位。 显然，Rx,Ry是在+P~-P之间按正余弦规律周期性变化的简谐干扰力。

机械振动台是一典型的单自由度受迫机械振动。系统对间歇干扰力的稳态响应为：

X=Bsin(pt－φ)

3 强迫导向的双向振动

机械振动台采用强迫导向的方法实现双向振动一般有以下几种形式：

3.1 单轴式双向振动

振动台激振系统只有一组不平衡器，导向机构设置8组导向限位装置，分别固定在振动台的左右墙板上。当振动台需要垂直振动时，可分别调整各导向限位装置，使导向滚轮的一端与工作台的垂直导向板接触，此时，不平衡器旋转时在水平方向所产生的力及在该力作用下使工作台沿水平方向的运动均被由导向滚轮与工作台的垂直导向板所建立的约束所平衡和限制，振动台只能沿垂直方向振动。

同理，当振动台需要水平振动时，可分别调整各导向限位装置，使导向滚轮的另一端与工作台的水平导向板接触，此时，不平衡器旋转时在垂直方向所产生的力及在该力作用下使工作台沿垂直方向的运动均被由导向滚轮与工作台的水平导向板所建立的约束所平衡和限制，振动台只能沿水平方向振动。

3.2 三轴式双向振动

振动台激振系统由3组不平衡器组成，安装在工作台台体内，工作台由可调式板弹簧和棒弹簧支承并导向。

为实现垂直和水平方向的振动，这三组不平衡器必须满足下列条件：

(1) 3个转子旋转频率ω相同;

(2) P1=P3;

(3) P2=P1+P3=2P1;

(4)轴Ⅰ,轴Ⅱ与轴Ⅲ的旋向相反。

垂直振动的实现：

首先将3组不平衡器的初相位按其旋转方向与振动方向的夹角α调整为一致。三组不平衡器按规定方向同步旋转。依前述关系和条件，三组不平衡器所产生的离心力为:

∑p=(p1+p2+p3)sin(ωt+φ)

=4p1sin(ωt+φ)

在x,y坐标上的投影为：

∑Rx=∑Psin α=0

∑Ry=∑Pcos α

对C点取距,同时可知：∑Mc≠0

显见：当3组不平衡器按其规定旋转方向旋转，其合力在垂直方向上形成按正弦规律变化的简谐干扰力；而在水平方向上其合力始终为零；因力臂不等，合力距存在，不为零。合力距依靠可调式板弹簧和棒弹簧与以平衡，故垂直振动得以实现。水平振动的实现：

当需要进行水平振动时：在垂直振动的基础上将可调式板弹簧转90°； 将轴Ⅱ的初向位调整180°；水平振动即可实现。

与对垂直振动的分析方法相同，通过力的分析可知离心力∑P在x,y坐标上的投影为：

∑Rx=∑Psin α

∑Ry=∑Pcos α=0

∑Mc≠0

同样可知：当3组不平衡器按其规定旋转方向旋转，其合力在垂直方向上始终为零，而在水平方向上形成按正弦规律变化的简谐干扰力，合力距存在，不为零。合力距依靠可调式板弹簧和棒弹簧与以平衡，故水平振动得以实现。

3.3 四轴式双向振动

振动台激振系统由4组不平衡器组成，其余结构与三轴式双向振动台原理相同。为实现垂直和水平2个方向的振动，4组不平衡器必须满足下列条件：

(1) 4个转子的旋转频率ω相同，即：

ω1=ω2=ω3=ω4=ω

(2) 4个转子的干扰力相同，即：

P1=P2=P3=P4

(3) 旋转方向轴Ⅰ、轴Ⅳ与轴Ⅱ、轴Ⅲ旋向相反，在实际设计中是轴Ⅰ轴Ⅳ为逆时针旋转，轴Ⅱ轴Ⅲ为顺时针旋转；

(4) 4轴中心应在同一水平面和同一垂直平面内。

其垂直与水平振动的实现，原理与三轴式双向振动基本相同。垂直振动的实现：首先将4组不平衡器的初相位按其旋转方向与振动方向的夹角α调整为一致，当4组不平衡器按其规定旋转方向旋转，其合力在垂直方向上形成按正弦规律变化的简谐干扰力，而在水平方向上其合力始终为零，垂直振动得以实现。

水平振动的实现：在垂直振动的基础上， 将可调式板弹簧转90°； 将轴Ⅰ,轴Ⅳ的初相位调整180°;水平振动即可实现。

以上是几种强迫导向的双向机械振动台振动的基本原理。

4 强迫导向的双向振动存在的主要问题

由前面讨论的强迫导向的双向机械振动台的振动机理，可知在振动中有关系式∑M≠0，既有力矩存在。这个力矩就是不平衡器、工作台体和装载的试品存在一合重心C,合重心C随试品的不同而变化。由于结构所限，重心C与不平衡器中心O不在同一水平面内，存在一个距离h。在水平振动时，就使得激振系统产生的激振力对合重心形衬成-M=Fh的惯性力矩,使振动台产生一定程度的颠覆而无法实现正常的振动。采用强迫导向就是为平衡这一惯性力矩而使用的具体措施。但是强迫导向无论采用铜套、滚轮导向，还是采用可调式板弹簧、棒弹簧导向，给设备又带来前面已谈到的如下几个问题：

(1) 系统在M=Rh惯性力矩的作用下，导向板弹簧有一扭转钢度Kφ=Gjp/L在系统中必有一固有频率ω0存在，即：ω0=Kφ/（I+Is/3） ，当系统工作频率ω与该固有频率ω0接近时，系统就会产生扭转方向的共振。因此，在振动台不很宽的频带范围内，出现扭转共振是经常发生的。对于棒弹簧来讲，由于支撑方式的限制，其纵向钢度引起的系统纵向共振也可能会出现，这样在振动扫描过程中，伴有扭转共振和纵向共振是不可避免的。

(2) 强迫导向元件同时也是系统的支撑元件，这就使系统在主振方向上的固有频率也大大增高，使振动台的下限工作频率受到限制。目前一般在9~10 Hz，这样，振动台就无法满足电子仪器仪表5-55-5 Hz的扫频振动试验要求。

(3) 当需要改变振动方向时，起导向作用的板弹簧也必须相应的调整90°，为了保证主振方向的刚度不受板弹簧转动位置的影响，导向机构转位精度要求很高，这给设计和制造带来了较大的困难和很高的要求。

(4) 不平衡器旋转时的离心力在非振动方向的分力和力矩是通过滚轮、铜套、板弹簧、棒弹簧等强迫导向机构建立起来的约束来制约和平衡的，并通过导向机构、墙板、基座等传递、作用在机器的安装基础上。因此，这类振动台对设备安装基础都要求很高，对导向机构等承力构件的刚度要求也很高。

(5) 采用滚轮导向，除了存在上述问题外，而且调整复杂，特别是各组导向滚轮与各导向板间的接触压力很难保证一致，或松或紧不可避免，结果非常影响设备的各项工作精度指标。如加速度波形失真加大，横向振动加大等，甚至有时使设备不能正常未定工作。

强迫导向双向振动存在的以上问题极大地限制和影响了这类振动台的使用范围和性能。

5 无强迫导向的双向振动

强迫导向双向振动存在的严重限制和影响机械振动台使用范围和性能的缺陷，使研制和使用无强迫导向双向振动台成为必然。无强迫导向双向振动台相对于强迫导向双向振动台主要有3点突破：

(1)进一步应用力学的基本理论，从理论上实现了:

① 在要求实现振动的方向上激振系统合成简谐干扰力;该力的作用点始终在激振系统振动台体与试品刚性构成的合重心C处；

② 在非振动方向上其合力始终为零；

③ 合力矩始终为零。

这样，仅依靠激振系统的力的合成就很好地实现了要求的振动与导向。既无强迫导向振动，彻底甩掉了繁琐的强迫导向机构，这在振动台的设计中是一个重要突破。

(2) 成功地设计激振系统相位调整机构，能够使各不平衡器的相位按需要得以方便、可靠、准确的调整，从而保证对理论应用的有效实现。

(3) 成功的应用了空气弹簧支撑系统，使系统刚度大幅度降低，从而使系统的固有平率大大降低，约为1.5 Hz甚至更低，而扫频振动试验要求下限频率5 Hz，系统在超共振状态下工作，从而很好地满足了扫频振动试验的要求。

无强迫导向双向振动台的良好性能受到了行业的一致认可，得到了较为广的应用。下面以使用较为普遍的四轴式为例，分析无强迫导向双向振动的情况。垂直振动的分析与四轴式强迫导向的双向振动完全相同，这里不再赘述。着重讨论水平振动的情况。

前面已述四轴式强迫导向双向振动台的水平振动是在垂直振动的基础上将轴Ⅰ、轴Ⅳ或轴Ⅱ、轴Ⅲ旋转180°。因激振系统产生的激振力R的作用点与由激振系统、台体与试品构成的参振部分的合重心C不重合，存在有一个距离h,有力距M=Rh,故需加以强迫导向予以平衡。只要设法使激振系统产生的激振力的作用点与参振部分质量的重心重合，力臂不存在，力矩也不存在，即M=Rh=0。强迫导向自然就不再需要。具体做法是：，将其中两个不同旋向的转子逆其旋向旋转2α角度即可。而α角求得的方法是：分别过轴Ⅰ、轴Ⅱ的中点A和轴Ⅲ、轴Ⅳ的中点B与合重心点C做连线CA，CB，有关系式∠CAP=∠CBP=α =arctg OC/OA； 按求得的α值将轴Ⅱ、轴Ⅳ分别逆其转向旋转2α角；将轴Ⅰ、轴Ⅱ产生的离心力P1,P2在A点合成RⅠ 将轴Ⅲ、轴Ⅳ产生的离心力P3,P4在B点合成RⅡ；由已知条件知：4个转子产生的离心力大小完全相等，即；有P1与P2,P3与P4分别以夹角α对称于OA,OB；RⅠ=RⅡ;∑M=0;且可知：在振动过程中P1与P2,P3与P4始终以ωt+α角度分别对称于CA,CB；据力的平行四边形法则，P1与P2,P3与P4的合力RⅠ,RⅡ的作用线始终分别与CA,CB重合。又据力的可传递性原理将RⅠ,RⅡ移至C点,有二者合力R必平行于台面既水平方向。振动台的由激振系统、台体与试品构成的参振部分仅在过其重心C的水平激振力的作用下振动,故无强迫导向的水平振动得以实现。

以上就是机械振动台无强迫导向双向振动的基本原理。

6 无强迫导向双向振动的特点

综上所诉，采用无强迫导向双向振动的机械振动台，克服了采用强迫导向时存在的诸多重大缺陷，从而显示了其优越的性能和特点。

(1) 应用力学平衡原理实现振动和导向，取消了繁琐的强迫导向机构；采用简便的不平衡器相位调整机构，较为简便并准确地在同一台面上实现了垂直和水平2个方向的振动要求；振动特性极大提高；试验载荷范围也大大加宽；

(2) 采用空气弹簧支撑，不但简化了设备的支撑结构，并且大大降低了系统的固有频统率，设备的下限工作频率可以5 Hz及一下，不但可以很好满足电子电工产品在10~55 Hz低频段的扫描振动试验，还可以良好地满足了电子仪器、仪表及家用电器5～55 Hz的振动试验要求；

(3) 设备的系统固有频率1.5 Hz，远低于设备的最低工作频率5 Hz，设备在超共振状态下工作，使设备在工作频率范围内无共振点存在，没有交越频率，使扫频能正常连续进行；

(4) 振动中没有力和力矩的向外传递，不再需要专用基础设施。无论楼上楼下，只需一块儿能放置设备的平整地面即可保证正常工作；

(5) 结构简化，调整维修方便，便于使用掌握。

参考文献

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