振动试验中多点控制方法的分析与应用*

陈 宁， 魏永胜

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030000; 2.中国神华神东煤炭集团，陕西 神木 719300)

振动试验中多点控制方法的分析与应用*

陈 宁1， 魏永胜2

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030000; 2.中国神华神东煤炭集团，陕西 神木 719300)

振动试验作为检验产品可靠性及模拟产品真实使用环境的一种有效手段，已被广泛应用于矿用电气产品的性能考核试验中。首先简单介绍了正弦扫频振动试验，然后就工作中遇到的几个试验，说明在振动试验中，多点式传感器控制方法相对于单点控制，可以较好地保证试验的准确性，从而避免"过试验"或"欠试验"情况的发生。

正弦振动；控制方法；传感器

Abstract: As an effective means of simulation reliability in the real environment, vibration test has been widely used in the performance test of mine electrical products. In this paper， the sinusoidal vibration test is introduced, and then through several tests from usually work, it is illustrated that the multi control points method in vibration test can be used to ensure the accuracy of the test, compared with a single point of control, it can avoid overtesting or undertesting situation.

Key words: sinusoidal vibration；control method；sensor

0 引 言

矿用采、掘、运等机械用电气设备从井上到井下各场所的运输及设备运行过程中，要承受振动、冲击、摇摆、离心加速度、颠振等多种形式不同程度的机械力作用[1]。其中振动对设备结构危害最大，长期振动能使设备因振动应力而产生疲劳破坏，影响机电设备的正常工作。为了全面提高矿用电气设备的可靠性，降低电气设备的故障率，利用振动试验来模拟矿用电气设备在井下的实际运行情况，从而考核其抗振动能力十分必要。

目前在国家标准和矿用设备标准都规定了利用正弦振动对矿用电气设备进行试验的方法以及严酷等级。但是针对各类样品及其不同的使用环境，应该选择相应的试验方法。如果试验设计中控制方式或夹具使用不当，将对试验严酷等级产生较大的影响，往往会出现“欠试验”或“过试验”的情况，不仅无法达到标准规定的实验要求，甚至会出现损坏样品等情况[2]。为了避免这类情况发生，有必要对试验中的具体的振动控制方式进行较详细的讨论。笔者首先简单介绍了正弦扫频振动试验的相关基本概念，然后就某两个样品为例，着重讨论了多点控制方法的选择以对振动试验响应结果的影响。

1 正弦扫频振动试验简介

所谓正弦扫频试验就是在一定的频率范围内按照规定的振动量值，以某种规律连续改变振动频率来激励样品[3]。在工程中应用最为广泛的是对数扫描方式，表示振动频率在对数频率刻度上的变化是均匀的。这种扫频方式可以保证振动过程中各个频率点上的振动时间相同，较适用于按有限寿命设计的样品的试验方式，因此矿用电气设备的正弦振动标准大都规定用对数扫频方式进行试验。

振动试验的严酷等级由振动试验的频率范围(f1～f2)、振动幅值(包括加速度幅值和位移幅值)以及振动持续时间t三个参数共同确定[4]。实验前需根据标准和样品的实际情况选择合适的振动参数进行试验，以保证样品在整个试验过程中能够满足相应的振动严酷等级。

在确定了振动控制参数后，需设计合理的安装方式，并选择合适的控制策略进行试验。振动台目标振动环境的产生和测量精度在很大程度上取决于夹具及试验样品的固定和控制策略的选择。在实际工程中，输入控制是振动试验的传统方法。即将加速度传感器固定在试验样品上或试验样品内的特定的控制点上，振动台的振动情况通过加速度传感器的反馈来控制。但在试验过程中，采用不同的振动控制策略所得到的结果是不同的，必须根据实际情况权衡分析，认真对待。下面将对工作过程中遇到的两例试验进行分析。

2 试验实例

2.1 某型号掘进机电控箱振动试验

重量为930 kg，尺寸约为1500 mm×600 mm×750 mm，根据电控箱实际安装方式，需加装减震垫4支。按照振动试验标准要求，需对电控箱进行加速度为50 m/s2，振幅为0.35 mm，频率为10～150 Hz的正弦扫频试验。在实际工况中，电控箱底部有四块减振器直接固定在采掘装备上。为了尽可能模拟电控箱的工作状态，试验中使用钢制转接板与振动台面连接，采用螺栓固定。为了监测电控箱各个部位振动情况，在试验中分别在振动台面，电控箱底部和电控箱顶部固定加速度传感器，测量该部位的振动情况。振动控制传感器安装在振动台面，采用单点控制方式。

产品于振动台上夹固后，进行三个轴向的正弦扫频试验，在竖直z轴向上观察，发现在20～35 Hz频段内振动噪音明显变大，有共振现象，电控箱外观振动明显剧烈。在水平x轴向上观察，扫频时在45～55 Hz频段发生共振现象，噪音显著增加，外部零件发生脱落的现象。从外观看整机摆幅较大，从箱体侧面观察振动状态呈“X”形如摇摆状，见图1所示。

当扫频频率高于共振频段后，样品的振动逐渐趋于平稳，箱底和上端振幅均匀。现以水平x轴向为例，利用传感器监测该轴向振动加速度变化曲线如图2所示。

图1 某型号掘进机电控箱 图2 某型号掘进机电控箱振 试验安装图 动试验曲线图

图2中输入1～3曲线分别为振动台、电控箱底部及电控箱顶部传感器数据。如图可以看出，虽然越过共振频率区间后，样品的加速度明显低于振动台加速度，说明减振器承载吸收了大部分能量，改善了产品试验条件。但当振动频率在45～55 Hz的共振频率区间，产品加速度远大于目标加速度，不仅过振动情况严重，产生了较严重的“过实验”现象。

2.2 某型号本安型操作箱振动试验

重量为8.12 kg，尺寸约为300 mm×100 mm×150 mm，根据标准要求，需对样品进行加速度为50 m/s2，振幅为0.35 mm，频率为10～150 Hz的正弦扫频试验，试验过程中通电观察显示屏显示数据，监测样品工作情况。由于操作箱底部有引线装置，设计了拱形的钢制夹具。为了监测电控箱各部位振动情况，分别在振动台面、夹具上及操作箱顶部固定加速度传感器，测量该部位的振动情况，样品固定方式如图3所示，振动控制传感器安装在振动台面，采用单点控制方式。

产品于振动台上夹固后，进行三个轴向的正弦扫频试验。竖直z轴方向上，未发现共振现象，水平x轴及y轴向发生共振现象，其中x轴向(垂直于操作箱面板方向)共振现象显著。现着重描述x轴向振动情况：振动在135～145 Hz频段发生共振现象，从外观观察发现整机摆幅较大，噪音显著增加，复位按钮失效，屏幕显示“急停”信息、出现花屏蓝屏现象。利用传感器监测的水平x轴向振动加速度变化曲线如图4所示。

其中输入1～3分别为振动台面、夹具上及操作箱顶所放置的传感器监测曲线。如图4所示，在大部分的频率区间，样品的振动情况达到了试验条件规定的值。从频率90 Hz左右起，样品振动加速度开始超过试验条件规定的值，频率在135～145 Hz区间时发生共振，样品振动加速度甚至达到了430 m/s2,产生严重的“过实验”。

图3 某型号本安型操作箱振动试验安装图 图4 单点控制方法振动曲线图

2.3 试验分析

样品的夹具设计或控制方式不当，通常会引起夹具和样品在试验范围内的共振。这些共振对于试验样品的特定频率或特定位置，会导致严重的过试验。分析上述两例试验，都是针对样品进行单点控制。试验1中样品尺寸和质量较大，结构刚性削弱，且样品重心较高，造成水平方向的严重的过实验。试验2中，由于重心较高，并且振动夹具在水平振动方向上刚性较差，造成振动夹具上各点的振动量值相差很大，均匀度很差，存在着很大的传递失真。针对上述情况，单点控制振动试验已不能达到特定的运动水平来较真实地模拟产品实际工作环境，无法达到规定的试验要求。因此需考虑其他振动方式来解决。

3 多点控制振动策略

所谓多点控制是指在振动台台面、夹具或试品上安装多个控制传感器或振动控制仪，试验中根据这些传感器取特定的信号作为控制信号对振动台进行控制。多点控制方法有三种：最大值控制、最小值控制和权重控制。其中多点平均控制是权重控制的特例，该方法取各控制传感器信号的平均值作为控制信号，对振动台进行控制[5-6]。多点平均控制方法在大型构件的振动试验中使用比较普遍。恰当的应用多点平均控制方法，不仅可以抑制大型样品的强烈响应，将试件整体平均振动尽量控制在标准规定值附近，在一定程度上还能改善夹具动态特性对试验的影响。

由于试验条件有限，现以上述试验2的本安型操作箱为例，对正弦扫频振动试验进行重新设计。根据多点控制的方法，分别在振动夹具上、样品底部和样品顶部安装加速度传感器。以3个传感器的平均值作为控制信号，重新进行扫频试验。振动过程中，可以明显观察到样品在原共振频率区间内共振能量减弱，表现为噪音降低，显示屏受振动的影响变小，花屏蓝屏现象程度减弱。取样品中央位置作为监测点获得x轴向的振动曲线如图5所示。

图5 多点控制振动方法曲线

由图中可以看出，在原共振区间，最高加速度由原来的300 m/s2降为140 m/s2左右，降幅超过

50%，且共振频段变窄，加速度均匀性明显变好。虽然试验仍存在一定的超差，但可以看出，利用多传感器对样品的振动进行控制，可以较好地保证振动试验的准确性和安全性。试验仍存在超差，其原因为夹具相对样品质量较低，造成整体重心过高，且在设计过程中未考虑夹具水平轴向的结构刚性。这说明多点控制策略的设计只能在一定程度上改善夹具动态特性对试验的影响，而不能完全解决由夹具和样品固有响应造成的一切实验误差。

4 总 结

振动试验控制方法的选择与试验的准确性直接相关，现在有的振动试验，往往把单一的控制传感器安装在水平滑台的远端，由此带来的加速度的不均匀会使试验准确性受到不同程度的影响，从而导致试验结果不理想。控制方式以及控制点的选择是振动试验的一项关键技术，笔者仅就工作中遇到的几个试验，说明控制方式选择对结构的响应将产生较大的差异，多点式传感器控制方法相对于单点控制，可以较好地保证试验对被试样品考核的强度及试验结果的准确性。尤其是针对许多矿用大型试件，在具体试验时，应该根据被试样品真实服役环境，合理的选择多点控制方式，尽量避免“过试验”或“欠试验”的发生。

[1] 呼怡玫.对舰船设备冲击振动试验的分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

[2] 胡 远，李建刚.大型电控机柜振动试验失效分析[J].舰船电子工程，2008(2)：150-152.

[3] 张阿舟，诸德超，姚起杭.实用振动工程(3)振动测量与试验[M].北京：科学出版社,1997.

[4] 闫 凯，宋庆军，孙秋香，等.正弦振动试验及其相关参数的计算[J].实验室科学，2013(6)：43-47.

[5] 查建新.大型装备振动试验系统分析[D].南京：南京理工大学，2006.

[6] 孙 哲.传感器的安装位置对水平滑台随机振动系统试验结果影响的探讨[J].现代测量与实验室管理，2010(3)：20-21.

Analysis and Application of Multi Control Points Method in Vibration Test

CHEN Ning1， WEI Yong-sheng2

(1.TaiyuanInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCo.，Ltd，LabofCoalMineMiningFacilities，TaiyuanShaanxi030000,China; 2.ShenhuaShendongCoalGroup，ShenmuShaanxi719300,China)

2014-07-03

陈 宁(1987-)，男，河南洛阳人，助理工程师，主要从事矿用电气设备安全性能方面的科研工作。

TB535

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1007-4414(2014)04-0074-03