（机械工程专业论文）气动式振动台气锤控制方法与系统设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 气动式振动台是实现可靠性强化试验的核心系统，但由于气动式振动台振动 环境能量分布不均匀且低频能量较低，影响了其对机电产品缺陷激发效率。因此， 气动式振动台的性能改善已成为可靠性工程领域亟待解决的课题。本文以“十一五” 国家部委重点预研项目为背景，以气动式振动台激励源气锤为研究对象，建立台 面单自由度受迫振动系统模型，重点分析了气锤产生激励信号对系统响应信号频 谱特性的影响规律，为气锤结构设计与控制方式设计提供指导。 1 阐述气动式振动台振动信号工作原理，归纳总结了影响气动式振动台振动 信号频谱特性的影响因素，对气锤激励信号产生机理进行说明，并提出激励信号 的性能评价准则。 2 以气锤击打台面为研究对象，基于m a t l a b 软件建立了单自由度受迫振 动系统模型，研究分析气锤激励信号类型、参数以及叠加组合方式对响应信号频 谱特性的影响规律。根据系统输入激励信号个数不同，分为单气锤击打台面系统 与多个气锤击打台面系统两部分。试验验证了模型的有效性。 3 对单个气锤击打台面系统进行分析，研究气锤激励信号类型、参数对系统 响应信号频谱特性的影响。结合气锤激励信号性能评价准则，得到如下结论： 1 ) 激励信号的类型是决定其低频性能的关键因素，对系统的响应信号频谱特 性有很大影响。根据激励信号评价准则，几种典型冲击信号的性能优劣排序如下： 半正弦波 衰减波 后峰波 冲击波。 对类型相同的激励信号，振幅a 、周期t 分别影响系统响应信号的振动能 量、基频大小，对其低频特性无明显影响。而碰撞时间t o 则能改变响应信号的频 率特性。 4 对多个气锤击打台面系统进行分析，研究了气锤的控制组合方式对气动式 振动台响应频谱性能影响。结果表明：单控制优于集中控制，不同结构气锤混合 安装优于单种气锤组合。 总之，本文为气动式振动台气锤结构设计以及控制方式的设计提供了一种可 行的理论方法，为新型电磁可控气动锤的设计提供了有效的工程指导。 主题词：气动式振动台 性能影响因素 单自由度系统性雒评价准则 气锤 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 a b s t r a c t r e p e t i t i v es h o c k ( r s ) m a c h i n ei st h ek e r n e le q u i p m e n tt oi m p l e m e n tr e l i a b i l i t y e n h a n c e m e n tt e s t i n g b u tt h ee m c i e n c yo fr sm a c h i n ei nm e c h a n i c a la n de c t r o n i c a l p r o d u c t st e s ti sd i s a p p o i n t e db e c a u s eo fs e v e r a ld i s a d a v a n t a g e ss u c ha st h eu n e v e n d i s t r i b u t i o no fv i b r a t i o ne n e r g ya n dt h el o we n e r g yi nl o wf r e q u e n c y s ot h e i m p r o v e m e n to fr sm a c h i n eb e c o m e sas i g n i f i c a n ti s s u et or e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g d o m a i n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea c t i o no fap n e u m a t i cv i b r a t i o ns y s t e mw i t hp n e u m a t i c v i b r a t o r sh i t t i n gi t st a b l ei ss t u d i e d n es d o f ( s i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m ) f o r c e d v i b r a t i o ns y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e da n di n f l u e n c eo fe x c i t a t i o ns i g n a lp r o d u c e db y p n e u m a t i ch a m m e rt of r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mr e s p o n s es i g n a li sa n a l y s e d f i n a l l y ，t h ef o u n d a t i o nt or e a l i z ep n e u m a t i cv i b r a t o rd e s i g na n dv i b r a t i o nc o n t r o lo f p n e u m a t i cv i b r a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d 1 g e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ev i b r a t i o ns i g n a lp r o d u c e db yp n e u m a t i cv i b r a t i o n t a b l ei ss e to u t f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o n s i g n a la r ei n t r o d u c e d a ne v a l u a t i o nr u l eo ft h ee x c i t a t i o ns o u r c ei sp r o p o s e d 2 as i n g l e - m o d ev i b r a t i o ns y s t e mm o d e li ss e tu pb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r e t h ep n e u m a t i cv i b r a t o rh i t t i n gt h et a b l e b o a r da r ee m u l a t e dt of o u n dt h ee x c i t a t i o n s e f f e c to nt h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) o ft h er e s p o n s es i g n a l i tc o n s i s to ft w op a r t s 丽t hd i f f e r e n t i n p u t s ：s y s t e m o f s i n g l ep n e u m a t i cv i b r a t o r a n d s y s t e mo f m u l t i - p n e u m a t i cv i b r a t o r t h em o d e li sv a l i d a t e dt ob ea c c u r a t eb yt h et e s t 3 t h ee f f e c to fe x c i t a t i o ns i g n a l s v a r i e t ya n dp a r a m e t e rt ot h es y s t e m sp s di s s t u d i e db a s e do ns i n g l ep n e u m a t i cv i b r a t o rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o nr u l eo f t h ee x c i t a t i o ns o u r c e sg i v e n , s o m ec o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) mv a r i e t yo fe x c i t a t i o ns i g n a l si st h ef u n d a m e n t a lf a c t o ro fi t sl o wf r e q u e n c y c h a r a c t e ra n dp l a ya i li m p o r t a n tr o l eo fa f f e c t t i n gt h ep s do ft h er e s p o n s es i g n a l a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o nr u l e ，s e v e r a lt y p i c a li m p u l s es i g n a l sa r ea r r a y i e da sf o l l o w s ： h a l f - s i n ew a v e d e c a d e n tw a v e p o s tp e a kw a v e s h o c kw a v e ； 2 ) t ot h es a m ee x c i t a t i o ns i g n a l ，t h ee n e r g ya n df o u n d a t i o nf r e q u e n c yi sc h a n g e d s e p a r a t e l yb yi n p u t ss w i n ga a n dc y c l et ，a n dt h ed i s t r i b u t i n gt r a i to ft h er e s p o n s e s p e c t r u mi sa l t e r e db y1 1 i t t i n gt i m et o 4 t h ei n f i u e n c e so fs i g n a l s c o n t r o l l e dw a y sa r es t u d i e db a s e do nm u t i p n e u m a t i c v i b r a t o r ss y s t e m 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a ts e p a r a t ec o n t r o l i sb e t t e rt h a nc e n t r a l i z e dc o n t r o l a n ds e v e r a lk i n d so fh a n m m e r sf i t t i n gm i x e di sb e t t e rt h a ns i n g a lk i n d i naw o r d ，t h es t u d ya n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nc o n t r i b u t en o to n l yt ot h e i m p r o v e m e n tb u ta l s ot ot h ei n d e p e n d e n c ed e v i s i n go fr sm a c h i n e k e y w o r d s ：r e p e t i t i v es h o c km a c h i n e ，s i n g l e m o d es y s t e m ，e v a l u a t i o nr u l e ， i n f l u e n c ef a c t o r s p n e u m a t i cv i b r a t o r 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1r s 机与e d 机性能参数对比2 表3 1仿真模型初始值设定2 3 表3 2 不同类型激励信号评价系数2 5 表3 - 3多个激励信号叠加评价系数对比2 8 表4 1四种激励信号评价系数对比3 4 表4 2 振幅a 对激励信号频谱分布的影响。3 5 表4 3周期t 对激励信号频谱分布的影响3 6 表4 4 碰撞时间t o 对激励信号频谱分布的影响3 7 表4 5 周期个数n 对激励信号频谱分布的影响3 8 表4 6 集中控制下激励信号叠加评价系数4 0 表4 7 单控制下激励信号叠加评价系数4 1 表4 8四种激励信号组合评价系数4 3 表4 9目标激励信号评价系数4 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 气动式振动台2 图1 2h a n s e 公司气锤4 图1 3v t c 1 6c h a m b e r 5 图1 4 q u a l m a r k 公司研发的a s x 气锤与振动台面5 图1 5q u a l m a r k 公司研发的新型振动强化试验设备6 图1 6 s c r e e n i n gs y s t e m s 公司研发专利6 图1 7 s c r e e n i n gs y s t e m s 公司研发的q r s 系列m v s 7 图1 8 s c r e e n i n gs y s t e m s 公司研发的“s i g m a ”振动台7 图1 9t h e r m o t r o n 公司研发的新型振动强化试验设备7 图1 10a c s 的e s s 振动台8 图1 1 1 内容研究思路1 0 图2 1 气动式振动台组成。1 2 图2 2 气动式振动台的组成示意图13 图2 3 气动式振动台振动环境1 4 图2 4 气动式振动台振动环境的主要影响因素一1 5 图2 5 气动式振动台的等效系统1 6 图2 6 气锤的内部结构及安装方式图1 7 图2 7 气锤的工作原理图17 图2 8 气动式振动台理想振动环境的功率谱示意图1 8 图2 9 s c r e e n i n gs y s t e m 公司气动振动台产生振动环境1 9 图2 1 0 某信号功率谱2 0 图3 1 气锤击打台面示意图2 l 图3 2 单自由度振动系统模型2 1 图3 3 基于s i m u l i n k 搭建的系统模型2 2 图3 4 系统频率响应特性曲线2 3 图3 5 四种典型冲击信号2 4 图3 6 输入激励信号参数2 4 图3 7 单个气锤击打台面系统响应频谱2 5 图3 8 多个气锤击打台面系统2 6 图3 9 多个气锤激励信号输入对比2 6 图3 1 0 集中控制叠加时域波形2 7 图3 1 1 单控制1 输入信号时域波形图2 7 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 2 单控制2 输入信号时域波形图2 8 图3 1 3 多个气锤激励信号叠加响应频谱对比2 8 图3 1 4 采集试验数据2 9 图3 1 5 仿真加速度激励信号与实测加速度激励信号的对照图3 0 图3 1 6 试验截图3 0 图3 1 7 激励信号时域波形仿真3 1 图3 1 8 仿真验证响应信号功率谱密度对比3 1 图4 1 四种典型冲击信号3 3 图4 2 四种典型冲击信号的系统响应频谱3 4 图4 3 激励信号振幅对系统响应频谱的影响3 5 图4 4 激励信号周期对系统响应频谱的影响3 6 图4 5 输入信号周期对系统响应频谱的影响3 7 图4 6 输入信号周期对系统响应频谱的影响3 8 图4 7 集中控制输入激励信号时域波形3 9 图4 8 集中控制输出信号功率谱密度4 0 图4 9 单控制输入信号时域波形图4 l 图4 1 0 单控制输出信号功率谱密度4 1 图4 1 1 不同类型气锤激励信号组合时域波形图4 2 图4 1 2 不同组合输出信号功率谱密度4 2 图4 1 3 目标激励信号时域波形图4 3 图4 1 4 目标激励信号对应响应信号功率谱密度4 4 图4 15 新型电磁可控气动锤结构示意图4 5 图4 1 6 新型气锤控制方法4 5 第v 页 独创性声明 本入声明所莹交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 翡研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标泣和致谢的地方外，论文中不包含 其纯人已经发表私撰写过的研究成暴，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育橇构的学位或证书而便爝过的材料与我一同工作蛹嗣惠对零研究j ；雩徽豹任 何嚣靛均已覆论文孛作了明确的说明并表示谢意。 攀位论文作者张墼叠塑 嗍：冽了年；嗍了8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解匿防稃学技术大学有关像留，使用学位论文的规定。零人授权 豳防科学技求大学可以保留并翔国家有关蓥f 】或规构送交论文的囊印侔和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文载全部或部分内容编入有关数据 霹进行检索，可以采用彩印、缩印或扫描等复嗣手段保存，汇编学位论文， ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：氢凌惑揍烫垒氢堡蕉麴复凌耋菱缀邋! ! = 一 学位论文作者签名：逝鱼塾 作者指导教师签名：= 岛查坐 日期：渺? 日期： 翻 疆 口，q， 啤夕。 男 月 ， l 7 年 争 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 可靠性强化试验技术是一项全新的可靠性试验技术1 2 - 5 】，它通过对系统人为施 加逐渐增大的环境应力和工作应力来主动激发产品故障和暴露产品设计中的薄弱 环节，从而达到对产品设计缺陷尽早发现和修正的目的【6 - 9 1 。可靠性强化试验主要 有以下作用：能够尽早发现和暴露产品的薄弱环节，以便在设计阶段消除产品中 的潜在缺陷，提高设计可靠性，大大降低产品在生产、筛选、维修和担保等全寿 命过程中的总费用。由此可见，可靠性强化试验是解决现代电子产品高可靠性、 低开发成本和短研制周期之间矛盾的有力手段，因而备受国内外可靠性工程界的 普遍关注。 可靠性强化试验技术与可靠性强化试验设备之间是一种相辅相成、相互促进 的关系：可靠性强化试验技术的快速发展会对可靠性强化试验设备提出新的需求， 促使可靠性强化试验设备更加完善；而可靠性强化试验设备的完善又往往是有效 保障可靠性强化试验技术发展的前提和基础。现有的可靠性强化振动试验设备主 要有电磁振动台( e l e c t r o d y n a m i cs h a k e r ，简称e d 机) 和气动式振动台( r e p e t i t i v e s h o c km a c h i n e ，简称r s 机) 。电磁振动台是一种传统的振动试验设备，其设计依 据是电磁感应原理：通电导体在恒定磁场中将受到力的作用，若在导体中通以交 变电流就会产生振动。气动式振动台( 图1 1 ) 是近年来国外发明的一类新型可靠 性强化试验设备，其设计依据是碰撞动力学原理：通过安装于振动台底部不同位 置的多个气锤反复冲击台面进而产生三轴六自由度随机振动试验环境。表1 1 是气 动式振动台与电磁振动台的特性比较。 与传统的电磁振动台相比，气动式振动台的优势在于能够提供一种幅值概率 密度分布为超高斯的宽带伪随机强化振动环境，国防科技大学的蒋培博士在前期 对r s 机随机振动环境特性的研究中就发现和证实其具有丰富的远大于2o 的超高 斯峰值概率分布( 最大可达1 0o ，o 为标准差) ，并且证明了同等均值和量级的随 机应力对疲劳损伤的强化程度存在如下关系：超高斯 高斯 亚高斯【6 , 1 5 1 。根据现代 振动疲劳损伤理论，累积疲劳损伤主要由大于2o 的应力峰所造成，因此r s 机提 供的超高斯随机振动环境对产品的疲劳缺陷表现出很高的激发效力，使得气动式 振动台成为可靠性强化试验中一类重要的试验设备。 第1 页 国肪科学技术大学研究生院硕士学位论文 圈l l 气动式振动台 表1lr s 机与e d 机性能参数对比 特性 电碰振动台 气动式振动台 颠牢范围 5 3 0 0 0 h z 5 1 0 0 0 0 h z ，主要能量集中在6 0 0 0 f , z v 咀内 振幅范围 较小，可达5 1 r a m ( 2 英寸) 很小，通常为微英寸，最大约01 5 英寸 振动渡型可控，正弦、随机、冲击波型均可不可控带有明显的冲击特性 幅值分布高斯真随机或高斯伪随机超高新伪随机 频谱可控性好，能模拟各种复杂的谱形目前不可控，由设计决定 早期的气动式振动台本身存在一定的设计缺陷，主要缺陷之一是在i k h z 以下 振动信号的能量分布不均匀且出现一个低谷1 6 1 4 。然而对于大多数电子器件、p c b 电子产品而言，其固有频率大都1 k h z 以下1 1 “，这使得气动式振动台不能充分地 激发该类电子产品的各阶模态，即不能有效地激发该类电子产品的潜在缺陷，这 大大跟制了该设备在电子产品可靠性强化试验中的进一步应用。另一个主要缺陷 是振动台面不同位置处的振动信号差异较大即振动台面的均匀性较差【17 。，这不 利于多台产品同时进行试验。上述问题在国外同样存在，因此国外许多研究单位 和大公司已经着手对该设备振动信号的低频特性进行改善，并已成功研发了 5 h z 2 0 k h z 平直谱的气动式振动台i 捌。然而由于西方国家对华先进技术设备出口 限制的原因，国内少数几家单位通过各种渠道克服种种困难才引进了两三台国外 早期的气动式振动台。另外，出于商业利益的角度考虑，国外大型可靠性强化试 验设各制造厂商对这种新型气动式振动台的关键技术及核心技术资料进行封锁、 垄断严重地阻碍了可靠性强化试验技术在我国国防、工业部门的推广和应用。 因此为了使气动式振动台这一新型试验设备更好地服务于更广泛受试产品的可 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 靠性强化试验，进而推广可靠性强化试验技术在我国的普及和应用、提高我军武 器装备的可靠性水平、缩短武器装备研制周期，气动式振动台的性能改善、尽快 研制具有我国自主知识产权的气动式振动台已成为我国可靠性工程界亟待解决的 课题。 气动式振动台主要由振动台面、气锤以及振动控制系统组成，上述各组成部 分的性能均能直接影响气动式振动台的性能。国防科技大学可靠性实验室已经针 对气动式振动台的控制原理和方法、气锤的工作原理及其优化设计开展了大量研 究工作，并于江苏白雪有限公司联合研制成功。 因此，本课题以“十一五”国家部委重点预研项目为背景，以气动式振动台激 励源气锤为研究对象，建立台面单自由度受迫振动系统模型，重点分析了气锤产 生激励信号对系统响应信号频谱特性的影响规律，在此基础上进行了气动式振动 台气锤的结构和控制方法的创新设计。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年初，国外在各工业部门相继推广应用可靠性强化 试验。目前可靠性强化试验已经广泛地应用于通讯、电子、计算机、医疗、能源 和交通等工业部门，呈现出蓬勃发展的趋势，并取得了巨大成效。 然而，可靠性强化试验技术的快速发展离不开新型可靠性强化试验设备的支 持。为了更好地保障产品的可靠性强化试验，充分发挥可靠性强化试验技术强大 的经济效益，国外越来越多的大型制造厂商已经开始致力于新型可靠性强化试验 设备的研发( 如：q u a l m a r k 公司、e n t l a 公司和s c r e e n i n gs y s t e m s 公司等) 。目前 主要的可靠性强化试验设备包括热循环试验设备、振动试验设备和温度、湿度、 振动综合试验设备。气动振动台是一种振动强化试验设备，该设备主要有以下特 点： 1 能够对大量的h a l t 和h a s s 试验试件提供合适的振动量级。 2 能够提供三轴六自由度超高斯随机振动环境。 3 在整个频带内对受试产品进行激励，特别能够提供1 0 0 0 h z 以上良好的高 频激励。 4 低频激励能量分布存在严重缺限，特别5 0 0 h z 以下的低频激励能量较差， 这导致不能有效激发某些电子产品的潜在缺陷。 5 振动台面不同位置的振动信号均方根值差异较大，即振动台面的均匀性差。 6 由于激振器( 气锤) 的磨损，设置的响应谱线可能会随时间的变化而变化。 另外，如果气锤设计不合理或者不能正常工作，将严重影响振动台的台面响应谱。 第3 页 里塑墼茎堡奎奎兰塑量兰壁竺圭茎堡鎏兰 2 1 国外研究现状 国外针对气锤设计技术开展了一系列研究工作，以下为几家大型可靠性强化 试验设备制造厂商所取得成果。 ( 1 ) h a n s c 公司以改善和优化气锤所产生激励信号的特性为目标，通过改变 气锤的结构和材料对气锤的设计技术进行了研究，井研发了三类不同的气锤【捭4 0 1 。 等轴式活塞气锤( s t r - 缸g h tp i s t o nv i b r a t o r ) 如图12 ( a ) 所示，该类气锤在活塞 与非金属垫块发生碰撞的瞬间，活塞主要依靠碰撞产生的反弹能量和活塞前端面 受到的压力实现返程运动，该类气锤的结构简单，其易于工程实现，然而其正常 工作所需的气压值较高。 每1 享 l1 懒酽 _ ! 量骥i i u 暑虬 忙) 图i2h a n s c 公司气锤 阶梯式活塞气锤( s t e p p e dp i s t o nv i b r a t o r ) 如图l2 巾1 所示，该类气锤在活塞 与非金属垫块发生碰撞的瞬间，活塞主要依靠其前、后端面受到的压力差实现返 程运动，正常工作所需的气压值相对较低。由于结构上的变化，该类气锤所产生 的激励信号的能谱分布特性得到了改善。 随机振动气锤( r a n d o m v i b r a t i o n v i b r a t o r ) 如图12 ( c 1 所示，该类气锤的结构 较为复杂，非金属垫块在气缸内部没有通过顶丝固定，而是处于“浮动”状态 结构上的如此变化，使得该类气锤所产生激励信号的能谱分布特性和随机特性均 有不同程度地改善，然而非金属垫块处于“浮动”状态很容易引起活塞在往复运 动时出现“卡死”现象，进而影响气锤的正常工作。 在2 0 0 5 年国际i e e e 协会举办的a s t r 会议上，h 蛐e 公司称其最新研发的 v t c 系列气动式振动台振动量级最大可1 0 0 9 ( g 为重力加速度) 频宽可达1 0 0 0 0 h z ， 尤其在2 0 0 0 h z 以内具有足够的激发能量m , 4 4 1 ，见图1 3 。 第4 页 望堕型茎彗奎奎兰塑垒耋墼錾圭茎堡篁奎 图】3v t c 1 6 c h a m b e r ( 2 ) q u a l m a r k 公司在优化气锤结构的基础上，通过台理选择气锤各部件的材 料，设计加工了一种结构简单、便于实际安装与维护的a s x 气锤，如图l4 ( a ) 所 示。该公司对外宣称，a s x 气锤除了具有良好的动态性能以外，其产生的激励信 号具有较丰富的低频成分1 4 ”。q u a l m a r k 公司在研究了振动台面设计技术的基础上， 选用先进的合金材料，设计加工了一种加筋夹层台面，如图14 伯1 所示。 、建墅 圄14q u a l m a r k 公司研发的a s x 气锤与振动台面 q u a l m a r k 公司结合a s x 气锤和夹筋夹层台面，设计并加工了一种性能优良的 宽低频振动台( e x t e n d e d l o w f r e q u e n c yv i b r a t i o ns y s t e m ：e l f ) 。该公司将e l f 和 早期气动式振动台扳动环境的能谱分布进行了对比，对比结果表明：e l f 在整个 试验过程中具有较高的低频激发能量，且能保持一个较好的振动谱形i 正5 a 6 1 。该公 司进一步利用e l f 对大量电子产品进行了振动强化试验，试验结果表明：e l f 对 补偿某些电子产品的振动试验效果非常有利，特别对表面贴装电子元器件和焊点 的振动试验效果最为明显 9 0 l 。除此之外，q u a l m a r k 公司研发的新型振动强化试验 设各还有全轴振动试验系统( o m n - a x i a lv i b r a t i o ns y s t e m ：o v s ) 和全向振动台顶 第5 页 国防科学技术大学研宄生院硕士学位论文 部单元( o m n i v i b m f i o n t a b l e t o p u t i l t ：o v t t ) ，如图l5 所示( 左图为o v s ，右 图为o v t t ) 。0 v s 的设计思想特g 简单，即通过气锤击打台面来对受试产品施加 一个宽带激励，进而充分激发产品的各阶模态，以便有效激发产品的薄弱环节。 0 v t t 是市场上出现的第一台便携式反复冲击振动试验系统，该设备最大的特点是 灵活、轻便，可方便地嵌入温度试验箱体内部对产品进行综合环境试验 4 “。 圈泓幽出 囤1 5 q u a a m a r k 公司研发的新型振动强化试验设备 ( 3 ) s c r e e n i n gs y s t e m s 公司在研究了气锤设计技术的基础上研发了一类新型 x t r e m e 气锤，如图16 c 所示 谚“ 图16 s c r e e n i n g s y s t e m s 公司研发专利 该类气锤与专用快速反应数字阀b 使用，对每个气锤进行单独控制，气锤所 产生激励信号的能谱分布以及低频成分相对于早期气锤均有所改善i 捌。结合一种 独特的蜂巢状振动台面，如图17 a 所示( 研究表明【4 7 l ：正是由于特殊的结构设计 和材料，这种蜂巢状台面的动力学传递特性在频域内起伏较小，一定程度地避免 了“低谷”( d e a dz o n e s ) 和“高峰”( h o ts p o t s ) ) ，设计了性能较优的q r s 系列移 动振动筛选系统( m o b i l ev i b r a t i o ns c r e * n i n g ：m v s ) ，如图i 7 所示。该系列振动 设备振动环境的能谱分布以及激发能量在2 0 0 0 h z 以内与早期气动式振动台相比有 明显的改善f 4 m ”。另外该公司针对不同受试产品还设计了一种“s i g m a ”振动台， 如图1 8 所示。该公司对外宣称：“s i g m a ”振动台可产生真正的三轴六自由度随机 振动环境，最大振动量级可达3 5 9 ，且在5 - 3 0 0 0 h z 频段内具有良好的振动谱形陋i 。 第6 页 里墼塑耋彗奎奎茎些墅兰些堡圭兰堡鎏圣 穿酽 图1 7s c r e e n i n p rs y s t e m s 公司研发的o r s 系列m v s 睡e h 图1 8 s c r e e n i n g s y s t e m s 公司研发的“s i g m a ”振动台 ( 4 ) 针对气动式振动台振动环境能谱分布缺点，t h e r m o t r o a 公司也从气锤和 振动台面入手研究了该类设备的系统设计技术，并研发了新型振动强化试验设备， 主要以反复冲击振动台( r c p e 【i t i v es h o c k v i b r a t i o n t a b l e ：r s t ) 和衄速应力试验系 统( a s t - 2 0 r ) 为代表口删，如图1 9 所示( 左图为r s t 右图为a s t - 2 0 r ) 。 葡霹 图19t h e r m o t r o n 公司研发的新型振动强化试验设备 与早期气动式振动台相比，该公司的新型设备具有以下几个特点【+ 】： 1 ) 振动环境的能谱分布在2 0 0 0 h z 以内较为平坦： 2 ) 振动环境在2 0 0 0 h z 以内具有足够的激发能量； 3 ) 台面各处振动的均匀性较优； ( 5 ) a c s 公司是较早从事气动式振动台系统设计技术研究的公司之一，国内 最早引进的两台气动式振动台( 北京航空航天大学和国防科技大学引进的气动式 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 振动台) 就是该公司的产品。a c s 公司意识到早期气动式振动台振动环境的能谱 分布缺点以后在原有设各基础上进一步研究了该类设备的系统优化设计技术， 并取得了一定成果【j 幡”“。目前该公司的新型振动强化试验设备以e s s 振动台为代 表，如图l1 0 所示。工程测试结果表明，e s s 振动台在能谱分布特性、低频激发 能量及台面各处振动均匀性方面均有所改善【6 3 吲。 斟11 0a c s 的e s s 振捌台 ( 6 ) 针对气动式振动台振动环境能谱分布不均匀且低频能量低的缺点，e n t e l a 公司研究了失效模式验证试验系统( f a i l u r e m o d e v e i l f i c a t i o n r e s t i n g ：f m v t ) 的关 键设计技术，并取得了一定成果1 。1 。虽然仍采用压缩空气作为动力源，但是 f m v t 的原理与气动式振动台有所不同，固定在三套滑轨上的六个澈振器通过滑 轨与中心h u b 相连，通过集中控制中心h u b 进而实现对各个激振器的控制。 f m v t 振动环境的能谱分布在2 一s 0 0 0 h z 频段内较为平坦，特别在2 0 0 h z 以内具有 足够的激发能量。另外。f m v t 产生的位移较大，最大可达4 英寸，因而该试验 设备能够有效激发对位移敏感的产品缺陷。 综合国外气锤设计技术的研究现状，可以得出如下结论： 1 ) 气锤设计技术的基本思想是通过改变气锤的结构和控制方式来改善气锤所 产生激励信号的能谱分布特性进而达到优化气动式振动台振动环境能谱分布特 性的目的。 2 ) 国外大多从工程改进和研发的角度开展了气锤设计技术研究，虽然取得了 一定的成果，但对气锤产生檄励信号对振动环境的影响规律并未进行深入的研究， 一些深层次的理论问题并未得到解决。 122 国内研究现状 国内正处于可靠性强化试验技术的应用与推广阶段，主要侧重于气动式振动 台的应用研究，而在该类设备系统设计技术研究方面，目前尚未开展实质性工作。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 0 0 8 年国防科技大学与江苏白雪有限公司联合研制成功气动式振动台，但振动环 境并没有得到很大的改善。 综上所述：通过改变气锤结构和气锤控制方式可以达到优化气动式振动台振 动环境能谱分布特性的目的。国外大多从气锤结构设计和气锤控制方式设计角度 开展了振动台面设计技术研究，并取得了一定的成果，但由于核心技术保密等原 因，对具体技术细节和相关理论研究的报道很少。 本文以气锤击打台面为研究对象，分析了气锤激励信号对气动式振动台振动 环境的影响，为新式气锤结构设计和控制方式的设计提供理论指导。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 论文的研究内容及结构安排 1 3 1 论文的研究思路 本文研究思路如下图所示： 图1 1 1 内容研究思路 图中实线所示为气锤系统设计，虚线所示为台面系统设计。气锤系统设计与 台面系统设计同属于气动式振动台优化设计两个重要方面，两者互相独立，本文 只研究与气锤控制方法与系统设计有关内容。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 2 论文的研究内容 本文的内容安排如下： 第一章绪论 阐述课题的来源、背景及意义，综述国内外可靠性强化试验设备的研究状况， 并介绍本文的研究思路及内容安排。 第二章气动式振动台气锤激励信号的产生与评价准则 首先说明了气动式振动台振动信号的产生及其影响因素，指出气锤激励信号 对响应信号频谱的重要作用，结合改进目标给出气锤激励信号的评价准则。 第三章气动式振动台气锤击打台面系统模型建立 以气锤击打台面系统为研究对象，基于m a t l a b s i m u l i n k 软件建立单自由度受 迫振动系统模型，分析不同激励信号对气动式振动台振动信号频谱特性的影响规 律。经试验验证，模型可行。 第四章仿真分析与设计应用 对上一章建模进行分析，研究激励信号类型、参数以及激励信号叠加方式对 气动式振动台性能的影响程度，根据研究结论设计了一种新型气动锤。 第五章结论与展望 对全文的主要研究结论进行总结归纳，并展望气动式振动台性能改善及自主 研发需要进一步开展的工作。 第1 1 页 里堕坠兰垒奎奎兰至垒兰璧彗圭茎堡兰兰 第二章气动式振动台气锤激励信号的产生与评价准则 本章从气动式振动台振动信号产生的原理出发，阐明了目前气动式振动台振 动环境频谱特性及其影响因素。指出气锤产生激励信号对振动环境的重要性。在 此基础上，给出了气锤激励信号的产生机理及其性能评价准则。 2 1 气动式振动台 气动式振动台振动环境的影响因素分析是其能谱优化研究的基础，本节首先 对气动式振动台进行介绍，在掌握其系统组成、工作原理的基础上，进一步深入 分析该类设备振动环境的主要影响因素。 211 气动式振动台系统组成 气动式振动台如图2l 所示，主要由振动予系统、控制于系统以及辅助设备 部分组成，各部分的具体组成及主要功能如下： 图2 1 气动式振动台组成 ( 1 ) 振动子系统 振动子系统主要包括气锤和台面两大关键部件，台面由四个无转动约束的接 地弹簧支撑，台面下九个不同位置处分别安装有气锤，气锤主要由气缸、活塞、 非金属垫块和后端盖组成，通过螺纹固定于台面下方，并与台面成一定的夹角。 当给气锤通入一定压力的纯净压缩空气时，由于气锤特殊的结构设计，气锤的活 塞将在气缸内部不断实现往复运动并与非金属垫块发生碰撞，进而产生振动信号 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 并激励与之相联的台面，然后由台面将气锤产生的激励信号传递给固定于台面上 产品。因而气锤是气动式振动台的激励源，其击打频率即活塞在气缸内部往复运 动的频率一般约为3 0 5 0 h z 。由此可见，振动子系统的主要功能是使气动式振动 台的台面产生振动环境，由于气动式振动台振动环境的产生是气锤反复击打台面 所致，国外也称之为反复冲击机( p n e u m a t i ca c t u a t o r ) 。 ( 2 ) 控制子系统 控制子系统主要由控制硬件和控制软件组成，控制硬件包括电气比例阀、控 制传感器、数据采集硬件、p l c 以及控制计算机。当台面产生振动环境以后，安 装于台面上方的控制传感器实时采集台面的振动信号并提交给控制计算机进行实 时运算处理，对比实际振动信号量级( 均方根值) 与目标控制量级之间的差异， p l c 根据差异的大小给电气比例阀下达控制命令，通过控制通入气锤进气口的气 压值进而达到控制台面振动信号量级的目的。由此可见，控制子系统的主要功能 是对振动子系统产生的控制环境进行控制。 ( 3 ) 辅助设备 辅助设备包括空气压缩机( 简称空压机) 、气动器件以及辅助管路等，该部分 为使振动子系统能够顺利产生振动环境提供必要的保障，主要起辅助作用。 2 1 2 气动式振动台工作原理 1 振动台面 2 气锤 3 支撑弹簧 4 分配器 5 电气比例阀 6 空气压缩机 7 控制传感器 8