有关随机振动试验夹具的问题

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一、随机振动控制的实时性

1、随机振动实时控制的必要性。随机振动试验是一种有潜在破坏性的试验，国家标准和国内有关随机振动试验的规范（标准）中，一般都规定功率谱允差范围为±3dB，这是控制试验精度的指标，是为了保证试验中施加于被试产品的随机振动量级不会过多偏离规范（标准）的要求，以确保试验的可信性和可比较性。这也是产品试验安全性的需要。从另一角度讲，上述试验过程中有了偏差时，显然希望控制系统能快速“均衡”，使控制谱迅速进入规定的允差范围之内。对于一些大型试件，一般是不允许有较长时间超差的，尤其是过试验。因此希望控制系统有很好的实时性，一旦因某种原因出现超差，控制系统能“及时”进行纠正。另一方面，在施加振动量级时，总是从低量级向高量级逐渐过渡，而由于试验系统及产品的非线性传递，在从低量级向高量级的逐渐过渡中，控制系统必须不断地进行快速“均衡”，努力做到在这个过渡过程中各个量级的功率谱均被控制在允差范围之内。第三，有一些随机振动试验总的试验时间很短，因此要求从起振到进入规定量级容差范围的过渡时间尽可能短，这也要求随机振动控制系统能具有快速“均衡”的能力。综上所述，在随机振动试验中，控制的实时性是我们必须重视的个问题。

2、衡量实时性的技术指标。衡量随机振动控制系统“实时性”的技术指标是完成一次闭环控制的循环时间。这是指从A／D采样开始，中间经过快速傅里叶变换、功率谱的比较、修正、逆傅里叶变换、相位随机、时域随机化、由D／A接口输出为止所需要的总时间。

早期的随机振动控制系统实现快速傅里叶变换及其逆变换，多采用软件完成。每一次运算耗时几百毫秒，故控制系统的循环时间主要取决于FFT的计算时间。随机振动控制的实时性基本受控于FFT的运算时间。

随着超大规模集成电路（SLSI）技术的高速发展，出现了专门用于数字信号处理的高速CPU芯片----高速数字信号处理器。这种CPU包含乘法器等专用硬件电路，并且具有一套适合于数字信号处理的指令系统。用它进行FFT运算可使运算时间从原来的秒级缩短到毫秒级，运算速度提高一两个数量级。为了适应更高实时速度的要求，现已生产出专用硬件FFT芯片，这种芯片从数据输入到得出FFT结果只需要几百微秒，影响实时性指标----循环时间的另一个因素是时域随机化。在本章前面已说明每采集一帧（如1024点）数据的同时，必须完成一次时域随机化并通过D／A口发出。为了减轻主控计算机的工作量，加快循环时间，目前绝大多数随机振动控制系统均单独设置CPU独立完成时域随机化及发送信号的工作。

实际上系统的循环时间是很难实测的一个指标，因为该时间受频带宽度、谱线数、平均方式、控制通道等因素的影响，往往由生产厂家根据其硬件的配置状况估算出一个时间。一般可以通过另一个衡量实时性的指标参数----“均衡时间”来测试和比较不同系统实时性的能力。由于均衡时间是指从试验开始直至控制点的测量谱进入规定容差范围内所需要的时间，而这个时间除与回路时间有关外还受参考谱形、随机信号方式等因素的影响，故这种比较必须具备相同的条件。

数字式随机振动控制系统的结构类型。近十几年来，数字式随机振动控制系统在国外得到了迅速的发展。根据其硬件的组成形式，大体上可分为插卡式、功能扩展箱式、仪器结构型、双机并行式、计算机工作站式等5种。

1）插卡式。插卡式为通用计算机插卡结构。这种结构是将除通用计算机以外的各种扩充硬件（如前置和后置放大器、抗混和平滑滤波器、A／D和D／A转换器、高速信号处理器、时域随机化等）按功能划分，制成具有通用计算机标准总线和尺寸的插卡板，可直接插入通用计算机现有的总线插槽内，就构成了插卡式数字振动控制系统的硬件部分。

这种型式的DRVCS系统的硬件构成比较简单，因而成本较低，便于推广使用。但由于在计算机内增加了相当数量的外插卡，在计算机的总线驱动能力、机箱内的散热、消除数模的相互干扰以及良好的接地等方面需要采取相应的技术措施。而且这种方式对计算机的依赖性很强，一般应选择具有高可靠性的工业控制机。

2）功能扩展箱式。该型式是将除计算机外的控制系统中各种扩充硬件，组装在一个专用硬件扩展箱中。专用硬件扩展箱与通用计算机之间用传输电缆相连。早期采用微机系统的数字式随机振动控制系统，多数是被动式扩展箱结构类型。该类型在制作工艺上要求比较简单，在处理接地、干扰、散热等方面相对比较容易。但它对计算机可靠性的依赖性仍然很强，而且扩展箱和计算机之间的通讯传输电缆不能太长，以免杂散电磁波及地线的干扰给控制过程带来不利的影响。

针对被动式扩展箱结构的缺陷，近年来出现了主动式扩展箱结构。它是在扩展箱内增加了专用计算机单元，使扩展箱在试验控制过程中不依赖外部计算机而独立完成控制任务。它与外部计算机采用智能性接口连接，其使用性能和可靠性明显优于被动式结构。

3）仪器结构型。仪器结构型是将整个系统制作成一台仪器，没有通用性计算机，采用功能操作键进行操作。仪器型克服了功能扩展箱式的一些缺点，且操作方便，体积小，重量轻，移动方便。但这种结构型式的人机界面不直观，谱型设置不方便，功能扩展也受到一定的限制。

4）双机并行式。这是用一台仪器型扩展箱配一台上位机（主计算机）组成一个双机并行式系统。仪器扩展箱可以脱离上位机独立进行随机振动控制，也可以和上位机相连接，受上位机的遥控进行工作。这样既可以降低随机振动控制系统对计算机的依赖，也可以在实时控制的过程中通过上位机随时显示、打印出各种中间的试验数据，在人机界面上也有很大的灵活性。这种结构型式待别适用于多台并激振动试验、多环境因素综合试验、远距离遥控试验等场合。但是这种结构类型的硬件构成比较复杂，成本也较高。

5）计算机工作站型式。近几年国外厂商纷纷开发计算机工作站型式的DRVCS系统，这种型式往往是为多功能、多任务的需要而开发的。不仅满足随机振动控制的需要，也满足模态分析等结构动力学及其他分析和试验的需要，这种系统可开发的功能多，扩展性强，但价格也昂贵，对使用维修者的要求也较高。

二、振动试验的控制

随着科学技术的发展，对振动试验要求越来越高，为了满足不同的要求，对振动试验有不同的控制方式。

1、单点控制与多点控制。振动控制仪是通过振动台上加速度计的反馈信号来调整给功率放大器的输人以达到控制的目的，按照控制点的数量可以分为单点控制和多点控制。

1）单点控制。当振动台台面较小，试件也比较小时，一般都采用单点控制，即只安装一个控制加速度计，控制仪根据该加速度计反馈信号与参照信号比较、调整输出达到控制振动台台面的目的。严格地讲，台面上各点的振动不会完全一样，由于台面小，试件小，误差不会太大。因此，单点控制就可以满足试验要求。

2）多点控制。当振动台台面尺寸较大或者试件尺寸较大使振动台面各点加速度差别较大时，试件与夹具、夹具与振动台面之间不同螺栓连接点差别也较大。为了解决这一问题，一般采用多点平均控制。通常在螺栓连接处附近布置四个、六个或八个控制点。多点控制可以采用平均控制、最大控制和最小控制。对正弦振动试验而言，控制仪从多个控制点取得反馈信号，然后对这些信号进行选择（选最大或最小）或者平均作为最终反馈信号，对振动台进行控制。所以多点控制实质上是人工或自动方法处理各控制点上的信号而建立起来的一个假设点，用做真正的控制点。对随机振动而言，是先把多个控制点的反馈信号作频城转换，对各控制谱的谱线进行选择（选取最大或最小），或者平均之后再与参考谱相比较进行修正，然后转换成时域信号控制振动台。多点控制采用最大、最小和平均方式对试验件的效果是不同的。取最小值控制时。振动量级最大（在同一试验条件下）：取平均控制时，振动量级次之；取最大控制时振动量级最小。这就给试验条件制定者有更多的选择余地，究竟采用哪种形式，要由振动试九个验条件制定者根据遥测结果及各部分响应决定。多点控制已是当前大型试件试验经常采用的控制方法之一。

还有一种叫极限控制。它与多点控制不同，极限控制点一般装在试件的重要部件附近，防止振动试验过程中某些重要部件振动太大造成损坏。极限控制也叫带谷控制，当极限控制点的振动超过给定值时，原来的控制值自动下降，保持极限控制点的振动值不超过给定值，当该点振动小于给定值时，控制值恢复正常。这样振动台面控制曲线在极限通道起作用时，自动形成一个谷，形似漏斗。这种控制在大型的试验中应用越来越普遍。极限控制又称响应控制。

2、运动控制和力控制。目前大多数振动试验是用运动控制振动台，即让振动台的运动参数（位移、速度或加速度）满足试验要求的运动。认为只要振动运动能模拟真实环境，那么试验的效果应该是与真实情况接近。运动模拟的优点是参数易于测量，便于控制。近年来，有些专家提出，由于在试验室内进行试验时，试件的机械阻抗与真实情况有差别，再加上试验条件不可避免地要进行简化，如果仅仅是运动模拟会造成试件的过试验或者欠试验，影响其试验的合理性。建议应模拟传给试件的力，这样会更合理。这种说法有一定的道理，但实现起来比较麻烦，首先，力的测量远比运动的测量复杂，力传感器必须装在传力路线上，有些情况下几乎是很难实现的。虽然，控制力的振动试验我们也做过（除把加速度计改用力传感器以外，其他仪器设备都一样），但力传感器的安装受很大限制。例如力传感器受压不能受拉，必须估计拉力后，预先压缩才能使用。另外力传感器必须安装在传力路线上，如果有四个连接螺栓，就必须装四个力传感器，否则就无法使用。所以，时至今日，大部分振动试验还是采用运动控制，某些缺陷可以采用其他方法弥补，如极限控制就是防止过试验的一种方法。而力控制只在特殊情况下使用，如模态试验等。

3、多台并激控制。由于振动试验件尺寸越来越大，试件质量的增加以及振动量级的提高，使得有些试验单个振动台推力不够，必须将几个台并联起来完成同一个试验。这种试验与以上的试验不同，上述试验中控制仪只有一个输出，这里使用的控制仪要有多个输出，而且这此输出必须相互协调才能完成同一个试验。

4、三轴联合振动控制。试件在实际使用过程中，在相互垂直的x．y．z三个方向同时承受振动环境。而现在通常的振动试验均是单方向的，只是依次进行x．y．z三轴向上的振动试验。这种试验是基于三轴振动没有相互影响的假设下进行的，如果相互影响很小也还可以应用，但近年已有例子证明有些试件x．y．z三向均经过振动考核合格，但在实际使用中还出现问题，其原因就在于三个方向依次试验不等效于三轴同时试验。为此，要有一个实现三轴联合振动的试验装置。这种装置叫做三向振动台或椭球振动台，它实质上是由三个相互垂直的激振器组合面成。其关键在于连接三个激振器的台面装置，这个装置在运动过程中保证激振器台面在三个方向均不受侧向力，并能承受试件重量。当然控制仪也必须能控制三个方向的参数，还要有三个功率输出分别驱动每个方向的振动台。

三、振动试验夹具的制作

振动试验夹具的材料和制作方法也是影响夹具使用特性的重要因素。

1、制作振动试验夹具的材料。制作夹具首先要选择材料，材料的强度和疲劳特性在夹具研制中很少需要考虑。因为振动夹具高频特性所要求的刚度使得夹具非常结实，很少因强度不足而损坏。

重量是夹具最关键的参数，对同一尺寸大小的金属而言，铝比镁重1／3，而钢比镁重4倍。某些铝镁合金的阻尼特性比钢好，加工也不贵。所以铝和镁及铝镁合金是最常用的材料。但控制固有频率的因素是E／p，E是杨氏模量，p是材料密度。对大多数金属来说E／p比值差别不太大，因此设计夹具仅靠精选材料并不会明显地改变其频率特性。

镁合金在机械加工时要防止着火，必须加强厂房管理。

2、用整块原材料机械加工制造夹具。用机械加工一块整料来制作夹具，这是最快最省的方法。对于小试件尤为正确。镁材的机械加工最快最容易。全部金属切削工作都能以最高的机被加工速度进行，磨、鐘、钻和插等都能以任何其他金属加工难以达到的加工速度完成。镁的切削速度比铝约快20％，是钢的3倍。

当夹具是用螺钉将各部分连接成一体时，会出现配合和预应力问题。整体机械加工就避免了上述问题。当然，试件装到某一夹具上也还需要一些连接件。

3、螺接夹具。螺接夹具连接方便，并能有多种组合，而且通用性好。但螺接夹具要想获得很好的性能，无论在设计方面还是在制造方面都需要做相当大的努力，应用螺接夹具必须注意两点：

1）配合面要加工到较高的精度。

2）螺栓的预紧力比最大的分离力至少要大10％。如果没有足够的预紧力，部件将会脱开并相互撞击，给正弦、随机试验带来麻烦。

当部件互相脱开又碰到一起时就引起撞击。这种撞击（在示波器上可以见到“毛刺”）常常会超过规定的试验载荷和频率范围。这种超载试验时常造成试件不应有的损坏，而且给振动台的控制造成不稳定。

为了使装配好的零件总是结合在一起，必须使用大量的高强度螺钉，并拧紧。螺栓跨度要小，否则螺栓间跨度部分会发生共振。采用大夹具并要求试验频率到2000 Hz时，则要求螺栓间跨度不超过76mm，用螺栓压住薄的聚脂条或表面涂有涂层的布条有助于防止局部运动。

由于铝材和镁材柔软，连接螺栓应用粗制螺纹而不是精制螺纹。如果夹具要多次拆卸，螺丝应拧进钢制硬螺纹衬套里。螺栓头应紧压在淬过火的钢制平垫圈上，以保护螺栓头下面的肩部。

依靠螺栓受剪传递振动力是危险的，除小部件或在低加速度情况下，一般不要单独依靠螺栓传递剪切力，如果可能的话，用某些方法增加各部件间的摩擦力。

4、铸造夹具。在要求有曲面的地方应考虑用铸造夹具。任何奇形怪状的试件它都能适应，能满足多方面设计要求，如要求一定厚度的截面、变剖面、很多角撑板、复杂截面等，可以达到频率重量之比最大。

采用铸造夹具的最大理由是铸造合金阻尼相当高。阻尼能降低输出输人比，减少共振幅度。但是这种合金的加工性能或焊接性能都不好。具有高阻尼的合金都具有下列共同因素：

1）合金含量低（纯镁比合金要好，但其他性能不好）。

2）相当粗糙的粒度（砂铸比压铸好）。

3）屈服强度相当低。

4）在铸造状态性能最好（一经加工，阻尼要损失）。

镁合金在浇注和熔化的状态，始终要使用情性气体保护，否则容易出现空隙和气孔，所以铸件在机械加工前要用X射线检查。

5、焊接夹具。在振动试验的早期（20世纪50年代）曾广泛使用螺接夹具。其最明显的缺点是不能防止夹具各部分的相对运动，造成波形有“毛刺”畸变。这样，铸造夹具就被普遍采用了，但由于铸造夹具成本高，生产周期长，目前又普遍使用焊接夹具。焊接夹具比铸造夹具省时间（是铸造时间的1／7）．节省费用（是铸造的1／3）。但由于过去有些焊接件在振动载荷下断裂，使大家不愿使用焊接夹具。随着焊接技术的提高，逐渐增加了使用焊接夹具的可能性。

6、粘接夹具。粘接夹具比焊接夹具加工周期短而且便宜得多。这个工艺过程通常在试验室本身的能力范围就能完成，只要粗略的草图作指导，试验室技术人员就能完成整个任务。但粘接夹具只适用于小型夹具。

用金属胶代替紧固件必须加高温，用某些环氧树脂就能完成紧固工作。在环氧树脂固化过程中，有时用螺栓而不用卡具来固定试验夹具各部分的相对位置。

粘接的工艺过程是严格的，经过脱脂、碱洗、热水漂洗和空气干燥，接着锯割和粗砂打磨，再在配合面涂上约1.6mm厚的环氧树脂，并用几个螺栓把配合件连在一起（或用外夹板，或用卡具，根据需要而定），挤出的环氧树脂要抹光滑，在25℃室温下固化4h：若用加热灯或烘箱加热，时间可更短。然后拆除螺栓。

7、螺纹衬套。虽然钢制螺钉可以随时拧进铝或镁一类的软金属中去，但螺纹可能遭到损坏，这种隐患在振动载荷作用下有所增加。而且当螺钉反复拧人和拆卸时，由于磨损使这个隐患更进一步增长。在这种情况下，典型的振动台面、振动夹具和中间装置或转接件等，都应该加螺纹衬套，这些衬套通常是用硬钢制成（为了避免衬套和本体产生电解现象，最好选用不锈钢），并同软金属螺接，这样就适应了机制螺钉。

还有一种叫钢丝螺套，用不锈钢丝绕制而成，里外均是螺纹，将其嵌入铝或镁中便于机制螺钉拧紧。

当使用水平滑台时，则应注意剪切力，为此一方面应注意使夹具各部件间紧密连接，另一方面螺孔要尽量使用胀销将螺孔“填满”或用环氧树脂填充。剪切时的“毛刺”同样会造成波形失真，在水平滑台位移振幅和螺栓与孔之间的间隙同数量级时，这种横向撞击形成的剪切危害远大于垂直振动。

形状比较复杂的曲面形或变厚度、变截面夹具，一般用铸造的方法制作。铸造合金的阻尼较大，因而有利于减小共振幅度。对铸造好的夹具，一经加工、打磨，阻尼会减小，对减振不利。铸造时，砂铸比压铸好，粗的粒度有利于减振，但铸造周期长。

焊接夹具制作比较方便，成本低，但焊接质量一定要好，否则焊接件在振动时会断裂。焊接夹具比螺接夹具好在无“毛刺”，比铸造省时，但关键是焊接的质量要有保证。

对小型的夹具粘接比焊接快而且节省费用，最常用的是用环氧树脂粘接，国外有资料表明,螺接、焊接、环氧树脂粘接三者制造同样的夹具时，焊接的共振谐频稍稍高一点，环氧树脂的共振放大倍数“Q”稍稍低一些，焊接和环氧树脂粘接的共振频率和“Q”值均大干螺接。

小型夹具也有用环氧树脂浇铸的，浇铸时要注意固化、脱模等技术的应用，以免胶和试件粘连在一起。

对于更小的零件有时可用蜡封固，这种办法在振动、冲击、离心试验中均可采用。

对于大型而又需重量轻的夹具，有时可用胶接木板、环氧树脂板、酚醛乙脂布板或纸板以蜂窝状或塑料泡沫喷注成形等。

来源于：《力学环境试验技术》