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一、隨機振動控制的實時性

1、隨機振動實時控制的必要性。隨機振動試驗是一種有潛在破壞性的試驗，國家標準和國內(nèi)有關隨機振動試驗的規(guī)范（標準）中，一般都規(guī)定功率譜允差范圍為±3dB，這是控制試驗精度的指標，是為了保證試驗中施加于被試產(chǎn)品的隨機振動量級不會過多偏離規(guī)范（標準）的要求，以確保試驗的可信性和可比較性。這也是產(chǎn)品試驗安全性的需要。從另一角度講，上述試驗過程中有了偏差時，顯然希望控制系統(tǒng)能快速“均衡”，使控制譜迅速進入規(guī)定的允差范圍之內(nèi)。對于一些大型試件，一般是不允許有較長時間超差的，尤其是過試驗。因此希望控制系統(tǒng)有很好的實時性，一旦因某種原因出現(xiàn)超差，控制系統(tǒng)能“及時”進行糾正。另一方面，在施加振動量級時，總是從低量級向高量級逐漸過渡，而由于試驗系統(tǒng)及產(chǎn)品的非線性傳遞，在從低量級向高量級的逐漸過渡中，控制系統(tǒng)必須不斷地進行快速“均衡”，努力做到在這個過渡過程中各個量級的功率譜均被控制在允差范圍之內(nèi)。第三，有一些隨機振動試驗總的試驗時間很短，因此要求從起振到進入規(guī)定量級容差范圍的過渡時間盡可能短，這也要求隨機振動控制系統(tǒng)能具有快速“均衡”的能力。綜上所述，在隨機振動試驗中，控制的實時性是我們必須重視的個問題。

2、衡量實時性的技術指標。衡量隨機振動控制系統(tǒng)“實時性”的技術指標是完成一次閉環(huán)控制的循環(huán)時間。這是指從A／D采樣開始，中間經(jīng)過快速傅里葉變換、功率譜的比較、修正、逆傅里葉變換、相位隨機、時域隨機化、由D／A接口輸出為止所需要的總時間。

早期的隨機振動控制系統(tǒng)實現(xiàn)快速傅里葉變換及其逆變換，多采用軟件完成。每一次運算耗時幾百毫秒，故控制系統(tǒng)的循環(huán)時間主要取決于FFT的計算時間。隨機振動控制的實時性基本受控于FFT的運算時間。

隨著超大規(guī)模集成電路（SLSI）技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了專門用于數(shù)字信號處理的高速CPU芯片----高速數(shù)字信號處理器。這種CPU包含乘法器等專用硬件電路，并且具有一套適合于數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng)。用它進行FFT運算可使運算時間從原來的秒級縮短到毫秒級，運算速度提高一兩個數(shù)量級。為了適應更高實時速度的要求，現(xiàn)已生產(chǎn)出專用硬件FFT芯片，這種芯片從數(shù)據(jù)輸入到得出FFT結(jié)果只需要幾百微秒，影響實時性指標----循環(huán)時間的另一個因素是時域隨機化。在本章前面已說明每采集一幀（如1024點）數(shù)據(jù)的同時，必須完成一次時域隨機化并通過D／A口發(fā)出。為了減輕主控計算機的工作量，加快循環(huán)時間，目前絕大多數(shù)隨機振動控制系統(tǒng)均單獨設置CPU獨立完成時域隨機化及發(fā)送信號的工作。

實際上系統(tǒng)的循環(huán)時間是很難實測的一個指標，因為該時間受頻帶寬度、譜線數(shù)、平均方式、控制通道等因素的影響，往往由生產(chǎn)廠家根據(jù)其硬件的配置狀況估算出一個時間。一般可以通過另一個衡量實時性的指標參數(shù)----“均衡時間”來測試和比較不同系統(tǒng)實時性的能力。由于均衡時間是指從試驗開始直至控制點的測量譜進入規(guī)定容差范圍內(nèi)所需要的時間，而這個時間除與回路時間有關外還受參考譜形、隨機信號方式等因素的影響，故這種比較必須具備相同的條件。

數(shù)字式隨機振動控制系統(tǒng)的結(jié)構類型。近十幾年來，數(shù)字式隨機振動控制系統(tǒng)在國外得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)其硬件的組成形式，大體上可分為插卡式、功能擴展箱式、儀器結(jié)構型、雙機并行式、計算機工作站式等5種。

1）插卡式。插卡式為通用計算機插卡結(jié)構。這種結(jié)構是將除通用計算機以外的各種擴充硬件（如前置和后置放大器、抗混和平滑濾波器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、高速信號處理器、時域隨機化等）按功能劃分，制成具有通用計算機標準總線和尺寸的插卡板，可直接插入通用計算機現(xiàn)有的總線插槽內(nèi)，就構成了插卡式數(shù)字振動控制系統(tǒng)的硬件部分。

這種型式的DRVCS系統(tǒng)的硬件構成比較簡單，因而成本較低，便于推廣使用。但由于在計算機內(nèi)增加了相當數(shù)量的外插卡，在計算機的總線驅(qū)動能力、機箱內(nèi)的散熱、消除數(shù)模的相互干擾以及良好的接地等方面需要采取相應的技術措施。而且這種方式對計算機的依賴性很強，一般應選擇具有高可靠性的工業(yè)控制機。

2）功能擴展箱式。該型式是將除計算機外的控制系統(tǒng)中各種擴充硬件，組裝在一個專用硬件擴展箱中。專用硬件擴展箱與通用計算機之間用傳輸電纜相連。早期采用微機系統(tǒng)的數(shù)字式隨機振動控制系統(tǒng)，多數(shù)是被動式擴展箱結(jié)構類型。該類型在制作工藝上要求比較簡單，在處理接地、干擾、散熱等方面相對比較容易。但它對計算機可靠性的依賴性仍然很強，而且擴展箱和計算機之間的通訊傳輸電纜不能太長，以免雜散電磁波及地線的干擾給控制過程帶來不利的影響。

針對被動式擴展箱結(jié)構的缺陷，近年來出現(xiàn)了主動式擴展箱結(jié)構。它是在擴展箱內(nèi)增加了專用計算機單元，使擴展箱在試驗控制過程中不依賴外部計算機而獨立完成控制任務。它與外部計算機采用智能性接口連接，其使用性能和可靠性明顯優(yōu)于被動式結(jié)構。

3）儀器結(jié)構型。儀器結(jié)構型是將整個系統(tǒng)制作成一臺儀器，沒有通用性計算機，采用功能操作鍵進行操作。儀器型克服了功能擴展箱式的一些缺點，且操作方便，體積小，重量輕，移動方便。但這種結(jié)構型式的人機界面不直觀，譜型設置不方便，功能擴展也受到一定的限制。

4）雙機并行式。這是用一臺儀器型擴展箱配一臺上位機（主計算機）組成一個雙機并行式系統(tǒng)。儀器擴展箱可以脫離上位機獨立進行隨機振動控制，也可以和上位機相連接，受上位機的遙控進行工作。這樣既可以降低隨機振動控制系統(tǒng)對計算機的依賴，也可以在實時控制的過程中通過上位機隨時顯示、打印出各種中間的試驗數(shù)據(jù)，在人機界面上也有很大的靈活性。這種結(jié)構型式待別適用于多臺并激振動試驗、多環(huán)境因素綜合試驗、遠距離遙控試驗等場合。但是這種結(jié)構類型的硬件構成比較復雜，成本也較高。

5）計算機工作站型式。近幾年國外廠商紛紛開發(fā)計算機工作站型式的DRVCS系統(tǒng)，這種型式往往是為多功能、多任務的需要而開發(fā)的。不僅滿足隨機振動控制的需要，也滿足模態(tài)分析等結(jié)構動力學及其他分析和試驗的需要，這種系統(tǒng)可開發(fā)的功能多，擴展性強，但價格也昂貴，對使用維修者的要求也較高。

二、振動試驗的控制

隨著科學技術的發(fā)展，對振動試驗要求越來越高，為了滿足不同的要求，對振動試驗有不同的控制方式。

1、單點控制與多點控制。振動控制儀是通過振動臺上加速度計的反饋信號來調(diào)整給功率放大器的輸人以達到控制的目的，按照控制點的數(shù)量可以分為單點控制和多點控制。

1）單點控制。當振動臺臺面較小，試件也比較小時，一般都采用單點控制，即只安裝一個控制加速度計，控制儀根據(jù)該加速度計反饋信號與參照信號比較、調(diào)整輸出達到控制振動臺臺面的目的。嚴格地講，臺面上各點的振動不會完全一樣，由于臺面小，試件小，誤差不會太大。因此，單點控制就可以滿足試驗要求。

2）多點控制。當振動臺臺面尺寸較大或者試件尺寸較大使振動臺面各點加速度差別較大時，試件與夾具、夾具與振動臺面之間不同螺栓連接點差別也較大。為了解決這一問題，一般采用多點平均控制。通常在螺栓連接處附近布置四個、六個或八個控制點。多點控制可以采用平均控制、最大控制和最小控制。對正弦振動試驗而言，控制儀從多個控制點取得反饋信號，然后對這些信號進行選擇（選最大或最小）或者平均作為最終反饋信號，對振動臺進行控制。所以多點控制實質(zhì)上是人工或自動方法處理各控制點上的信號而建立起來的一個假設點，用做真正的控制點。對隨機振動而言，是先把多個控制點的反饋信號作頻城轉(zhuǎn)換，對各控制譜的譜線進行選擇（選取最大或最小），或者平均之后再與參考譜相比較進行修正，然后轉(zhuǎn)換成時域信號控制振動臺。多點控制采用最大、最小和平均方式對試驗件的效果是不同的。取最小值控制時。振動量級最大（在同一試驗條件下）：取平均控制時，振動量級次之；取最大控制時振動量級最小。這就給試驗條件制定者有更多的選擇余地，究竟采用哪種形式，要由振動試九個驗條件制定者根據(jù)遙測結(jié)果及各部分響應決定。多點控制已是當前大型試件試驗經(jīng)常采用的控制方法之一。

還有一種叫極限控制。它與多點控制不同，極限控制點一般裝在試件的重要部件附近，防止振動試驗過程中某些重要部件振動太大造成損壞。極限控制也叫帶谷控制，當極限控制點的振動超過給定值時，原來的控制值自動下降，保持極限控制點的振動值不超過給定值，當該點振動小于給定值時，控制值恢復正常。這樣振動臺面控制曲線在極限通道起作用時，自動形成一個谷，形似漏斗。這種控制在大型的試驗中應用越來越普遍。極限控制又稱響應控制。

2、運動控制和力控制。目前大多數(shù)振動試驗是用運動控制振動臺，即讓振動臺的運動參數(shù)（位移、速度或加速度）滿足試驗要求的運動。認為只要振動運動能模擬真實環(huán)境，那么試驗的效果應該是與真實情況接近。運動模擬的優(yōu)點是參數(shù)易于測量，便于控制。近年來，有些專家提出，由于在試驗室內(nèi)進行試驗時，試件的機械阻抗與真實情況有差別，再加上試驗條件不可避免地要進行簡化，如果僅僅是運動模擬會造成試件的過試驗或者欠試驗，影響其試驗的合理性。建議應模擬傳給試件的力，這樣會更合理。這種說法有一定的道理，但實現(xiàn)起來比較麻煩，首先，力的測量遠比運動的測量復雜，力傳感器必須裝在傳力路線上，有些情況下幾乎是很難實現(xiàn)的。雖然，控制力的振動試驗我們也做過（除把加速度計改用力傳感器以外，其他儀器設備都一樣），但力傳感器的安裝受很大限制。例如力傳感器受壓不能受拉，必須估計拉力后，預先壓縮才能使用。另外力傳感器必須安裝在傳力路線上，如果有四個連接螺栓，就必須裝四個力傳感器，否則就無法使用。所以，時至今日，大部分振動試驗還是采用運動控制，某些缺陷可以采用其他方法彌補，如極限控制就是防止過試驗的一種方法。而力控制只在特殊情況下使用，如模態(tài)試驗等。

3、多臺并激控制。由于振動試驗件尺寸越來越大，試件質(zhì)量的增加以及振動量級的提高，使得有些試驗單個振動臺推力不夠，必須將幾個臺并聯(lián)起來完成同一個試驗。這種試驗與以上的試驗不同，上述試驗中控制儀只有一個輸出，這里使用的控制儀要有多個輸出，而且這此輸出必須相互協(xié)調(diào)才能完成同一個試驗。

4、三軸聯(lián)合振動控制。試件在實際使用過程中，在相互垂直的x．y．z三個方向同時承受振動環(huán)境。而現(xiàn)在通常的振動試驗均是單方向的，只是依次進行x．y．z三軸向上的振動試驗。這種試驗是基于三軸振動沒有相互影響的假設下進行的，如果相互影響很小也還可以應用，但近年已有例子證明有些試件x．y．z三向均經(jīng)過振動考核合格，但在實際使用中還出現(xiàn)問題，其原因就在于三個方向依次試驗不等效于三軸同時試驗。為此，要有一個實現(xiàn)三軸聯(lián)合振動的試驗裝置。這種裝置叫做三向振動臺或橢球振動臺，它實質(zhì)上是由三個相互垂直的激振器組合面成。其關鍵在于連接三個激振器的臺面裝置，這個裝置在運動過程中保證激振器臺面在三個方向均不受側(cè)向力，并能承受試件重量。當然控制儀也必須能控制三個方向的參數(shù)，還要有三個功率輸出分別驅(qū)動每個方向的振動臺。

三、振動試驗夾具的制作

振動試驗夾具的材料和制作方法也是影響夾具使用特性的重要因素。

1、制作振動試驗夾具的材料。制作夾具首先要選擇材料，材料的強度和疲勞特性在夾具研制中很少需要考慮。因為振動夾具高頻特性所要求的剛度使得夾具非常結(jié)實，很少因強度不足而損壞。

重量是夾具最關鍵的參數(shù)，對同一尺寸大小的金屬而言，鋁比鎂重1／3，而鋼比鎂重4倍。某些鋁鎂合金的阻尼特性比鋼好，加工也不貴。所以鋁和鎂及鋁鎂合金是最常用的材料。但控制固有頻率的因素是E／p，E是楊氏模量，p是材料密度。對大多數(shù)金屬來說E／p比值差別不太大，因此設計夾具僅靠精選材料并不會明顯地改變其頻率特性。

鎂合金在機械加工時要防止著火，必須加強廠房管理。

2、用整塊原材料機械加工制造夾具。用機械加工一塊整料來制作夾具，這是最快最省的方法。對于小試件尤為正確。鎂材的機械加工最快最容易。全部金屬切削工作都能以最高的機被加工速度進行，磨、鐘、鉆和插等都能以任何其他金屬加工難以達到的加工速度完成。鎂的切削速度比鋁約快20％，是鋼的3倍。

當夾具是用螺釘將各部分連接成一體時，會出現(xiàn)配合和預應力問題。整體機械加工就避免了上述問題。當然，試件裝到某一夾具上也還需要一些連接件。

3、螺接夾具。螺接夾具連接方便，并能有多種組合，而且通用性好。但螺接夾具要想獲得很好的性能，無論在設計方面還是在制造方面都需要做相當大的努力，應用螺接夾具必須注意兩點：

1）配合面要加工到較高的精度。

2）螺栓的預緊力比最大的分離力至少要大10％。如果沒有足夠的預緊力，部件將會脫開并相互撞擊，給正弦、隨機試驗帶來麻煩。

 當部件互相脫開又碰到一起時就引起撞擊。這種撞擊（在示波器上可以見到“毛刺”）常常會超過規(guī)定的試驗載荷和頻率范圍。這種超載試驗時常造成試件不應有的損壞，而且給振動臺的控制造成不穩(wěn)定。

為了使裝配好的零件總是結(jié)合在一起，必須使用大量的高強度螺釘，并擰緊。螺栓跨度要小，否則螺栓間跨度部分會發(fā)生共振。采用大夾具并要求試驗頻率到2000 Hz時，則要求螺栓間跨度不超過76mm，用螺栓壓住薄的聚脂條或表面涂有涂層的布條有助于防止局部運動。

由于鋁材和鎂材柔軟，連接螺栓應用粗制螺紋而不是精制螺紋。如果夾具要多次拆卸，螺絲應擰進鋼制硬螺紋襯套里。螺栓頭應緊壓在淬過火的鋼制平墊圈上，以保護螺栓頭下面的肩部。

依靠螺栓受剪傳遞振動力是危險的，除小部件或在低加速度情況下，一般不要單獨依靠螺栓傳遞剪切力，如果可能的話，用某些方法增加各部件間的摩擦力。

4、鑄造夾具。在要求有曲面的地方應考慮用鑄造夾具。任何奇形怪狀的試件它都能適應，能滿足多方面設計要求，如要求一定厚度的截面、變剖面、很多角撐板、復雜截面等，可以達到頻率重量之比最大。

采用鑄造夾具的最大理由是鑄造合金阻尼相當高。阻尼能降低輸出輸人比，減少共振幅度。但是這種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（純鎂比合金要好，但其他性能不好）。

2）相當粗糙的粒度（砂鑄比壓鑄好）。

3）屈服強度相當?shù)汀?/span>

4）在鑄造狀態(tài)性能最好（一經(jīng)加工，阻尼要損失）。

鎂合金在澆注和熔化的狀態(tài)，始終要使用情性氣體保護，否則容易出現(xiàn)空隙和氣孔，所以鑄件在機械加工前要用X射線檢查。

5、焊接夾具。在振動試驗的早期（20世紀50年代）曾廣泛使用螺接夾具。其最明顯的缺點是不能防止夾具各部分的相對運動，造成波形有“毛刺”畸變。這樣，鑄造夾具就被普遍采用了，但由于鑄造夾具成本高，生產(chǎn)周期長，目前又普遍使用焊接夾具。焊接夾具比鑄造夾具省時間（是鑄造時間的1／7）．節(jié)省費用（是鑄造的1／3）。但由于過去有些焊接件在振動載荷下斷裂，使大家不愿使用焊接夾具。隨著焊接技術的提高，逐漸增加了使用焊接夾具的可能性。

6、粘接夾具。粘接夾具比焊接夾具加工周期短而且便宜得多。這個工藝過程通常在試驗室本身的能力范圍就能完成，只要粗略的草圖作指導，試驗室技術人員就能完成整個任務。但粘接夾具只適用于小型夾具。

用金屬膠代替緊固件必須加高溫，用某些環(huán)氧樹脂就能完成緊固工作。在環(huán)氧樹脂固化過程中，有時用螺栓而不用卡具來固定試驗夾具各部分的相對位置。

粘接的工藝過程是嚴格的，經(jīng)過脫脂、堿洗、熱水漂洗和空氣干燥，接著鋸割和粗砂打磨，再在配合面涂上約1.6mm厚的環(huán)氧樹脂，并用幾個螺栓把配合件連在一起（或用外夾板，或用卡具，根據(jù)需要而定），擠出的環(huán)氧樹脂要抹光滑，在25℃室溫下固化4h：若用加熱燈或烘箱加熱，時間可更短。然后拆除螺栓。

7、螺紋襯套。雖然鋼制螺釘可以隨時擰進鋁或鎂一類的軟金屬中去，但螺紋可能遭到損壞，這種隱患在振動載荷作用下有所增加。而且當螺釘反復擰人和拆卸時，由于磨損使這個隱患更進一步增長。在這種情況下，典型的振動臺面、振動夾具和中間裝置或轉(zhuǎn)接件等，都應該加螺紋襯套，這些襯套通常是用硬鋼制成（為了避免襯套和本體產(chǎn)生電解現(xiàn)象，最好選用不銹鋼），并同軟金屬螺接，這樣就適應了機制螺釘。

還有一種叫鋼絲螺套，用不銹鋼絲繞制而成，里外均是螺紋，將其嵌入鋁或鎂中便于機制螺釘擰緊。

當使用水平滑臺時，則應注意剪切力，為此一方面應注意使夾具各部件間緊密連接，另一方面螺孔要盡量使用脹銷將螺孔“填滿”或用環(huán)氧樹脂填充。剪切時的“毛刺”同樣會造成波形失真，在水平滑臺位移振幅和螺栓與孔之間的間隙同數(shù)量級時，這種橫向撞擊形成的剪切危害遠大于垂直振動。

形狀比較復雜的曲面形或變厚度、變截面夾具，一般用鑄造的方法制作。鑄造合金的阻尼較大，因而有利于減小共振幅度。對鑄造好的夾具，一經(jīng)加工、打磨，阻尼會減小，對減振不利。鑄造時，砂鑄比壓鑄好，粗的粒度有利于減振，但鑄造周期長。

焊接夾具制作比較方便，成本低，但焊接質(zhì)量一定要好，否則焊接件在振動時會斷裂。焊接夾具比螺接夾具好在無“毛刺”，比鑄造省時，但關鍵是焊接的質(zhì)量要有保證。

對小型的夾具粘接比焊接快而且節(jié)省費用，最常用的是用環(huán)氧樹脂粘接，國外有資料表明,螺接、焊接、環(huán)氧樹脂粘接三者制造同樣的夾具時，焊接的共振諧頻稍稍高一點，環(huán)氧樹脂的共振放大倍數(shù)“Q”稍稍低一些，焊接和環(huán)氧樹脂粘接的共振頻率和“Q”值均大干螺接。

小型夾具也有用環(huán)氧樹脂澆鑄的，澆鑄時要注意固化、脫模等技術的應用，以免膠和試件粘連在一起。

對于更小的零件有時可用蠟封固，這種辦法在振動、沖擊、離心試驗中均可采用。

對于大型而又需重量輕的夾具，有時可用膠接木板、環(huán)氧樹脂板、酚醛乙脂布板或紙板以蜂窩狀或塑料泡沫噴注成形等。

來源于：《力學環(huán)境試驗技術》