气动式振动台激振器低温失效机理研究及结构改进

　　0 前言

　　气动式振动台是 20 世纪 90 年代研发的一类新型可靠性强化试验设备，它能够对产品施加振动温湿度“三综合”试验应力。该类设备通过气动式激振器对振动台面的反复冲击，实现了一种幅值概率密度分布为超高斯、宽频带和全轴振动的伪随机振动环境应力[1-4]，因而对试件的疲劳缺陷表现出较高的激发效力。随着近年来气动式振动台应用范围的不断拓展，工程中发现，无论是国外引进的还是自主研发的可靠性强化试验设备，其气动式激振器在低温环境中均无法正常工作，导致许多低温振动试验无法进行，如多普勒计程仪的综合应力测试无法顺利进行，严重限制了该类设备的应用。

　　国外已针对早期气动式振动台低频能量较低的缺陷，在激振器方面开展了一些富有成效的研究[5]，如：美国 Hanse 公司的等轴式、阶梯式和浮动式活塞激振器，Qual-mark公司的ASX激振器，以及ScreeningSystems 公司的 xTreme 系列激振器。国内的王考等[6-7]从激振器的原始激励信号产生机理入手，对激振器做了动力优化设计。但目前还很少见关于改善气动式激振器低温工作效能的文献或报道。为进一步推广可靠性强化试验技术，拓展气动式振动试验台的应用，迫切需要对现有激振器的结构进行改进，研发设计一种新型的气动式低温激振器。

　　本文以具有代表性的自研气动式激振器(图 1)为研究对象，首先结合热弹力学理论建立气动式激振器的低温失效分析模型，其次根据模型找出主要的失效影响因素，并据此对原激振器进行改进，制作低温激振器样品，最后对样品进行低温工作性能等方面的测试，验证设计的可行性，旨在拓展气动式激振器的应用范围。

　　1 气动式激振器低温失效机理建模

　　气动式激振器的低温失效表现为，低温环境下活塞与缸体的摩擦增大，导致振动效率降低，当低温达到一定阈值(经大量试验测定为-5 ℃)时，活塞被缸体卡死。可能导致激振器失效的原因：① 低温环境的影响；② 激振器设计上的不足。建模的目的是找出影响缸体与活塞配合间隙的因素。

　　1.1 模型假设

　　以环境温度为主要影响因素，做如下假设。

　　(1) 缸体由内径不同的空心圆柱体构成，简化的缸体物理模型如图 2 所示的空心圆柱体；活塞为实心圆柱体。

　　(2) 不考虑空心圆柱体之间的相互作用力和气压对缸体和活塞的作用力。

　　(3) 空心圆柱体的应变是由对称于中心轴分布的温度场引起的。

　　(4) 空心圆柱体内的温度变化函数 θ(r)与轴向坐标 z 无关，仅是径向坐标 r 的函数。