磁流变减振实验

第三章磁流变振动测试台 3.1磁流变振动测试台的结构设计 3.1.1磁流变振动测试台的设计思想

为了检测磁流变橡胶减振器的各个性能参数，必须设计一套与之相配套的振动 测试装置，由于磁流变橡胶减振器只能在一个方向上工作，属于一维减振器，所以 振动台的设计只需考虑上下方向的运动就可以，课通过齿轮机构和两个偏心块的结 构来实现只有上下振动消除水平方向的力。 在检测磁流变橡胶减振器的性能参数时, 由于要考虑到不同的工况，所以在结构设计时还需考虑激振力和振动频率可调。对 于激振力的调整可以考虑选用可调偏心激振装置，对于振动频率的调节只要选择调 节电机的转速就可以实现。

3.1.2磁流变振动测试台的动力学模型

本文所设计的磁流变振动测试台属于单自由度振动系统， 图3.1为振动测试台动 力系统模型，m为起振质量，k分为减振器的刚度，c为阻尼系数，F sin t为激振 力。其动力学方程如下：

引入描述单自由度阻尼振动的特性参数 系统固有频率： Xi

临界阻尼系数：cc 2,

阻尼因子: 则式3.1可写为： X& 2 n& n2x Fsin t ( 3.2) m 由式3.1可得到起振部位移x对激振力Fsin

Fsino) t Fig3.1 The dyn amic system mode t的传递函数为:

图3.1动力系统模型 mX& c& kx F sin t(3.1) 3.1.3磁流变振动测试台的结构设计

磁流变振动测试台主要由基座、振动台、可调偏心块、异步电动机、被测减振 装置以及一些附属装置所组成，通过改变异步电动机的转速和偏心块的偏心距来调 节振动台的激振力，从而达到模拟振动压路机工况的目的。磁流变振动测试台的实 物图如图3.2所示。其传动路线如下：电源 变频器 异步电动机 皮带轮 一对 参数相同的啮合齿轮 两个齿轮轴 两个可调偏心块，通过变频器调节电机的转 速，通过手轮调节偏心块的偏心距，从而实现改变振动台激振力的目的。

Fig 3.2 MR vibrati on test device 3.1.4磁流变振动测试台的各主要零件

1.振动支架

由于此振动测试台是模拟振动压路机的工况，在其振动过程中的所需的激振力 比较大，所以在设计振动台的振动支架过程中，要考虑振动支架的强度。在振动支 架的组焊过程中，要采取防焊接变形措施。

2.可调偏心激振装置的装配

可调偏心激振装置是振动测试台中最重要的部件之一， 装配的合适与否直接

G(s) ms2 cs k (3.3)

图3.2磁流变振动测试台 关系到振动台的工作性能。图3.3为振动台的可调偏心激振装置。

可调偏心激振装置的工作原理：偏心块的两臂分别与两个挡板固定，两个挡板 通过左右旋螺纹分别与中间的左右旋螺纹轴联接，通过手轮旋转中间的左右旋螺纹 轴，使固定偏心块的两个挡板向相反方向移动，从而改变偏心块的偏心距，达到调 整振动台激振力的目的。

根据其工作过程，在安装可调偏心激振装置的过程中，一定要保证安装偏心块 的两个花键轴的平行度，以及两个偏心块在自由状态下保持相同的方向，以便能够 产生竖直方向的激振力。

图3.3可调偏心激振装置 Fig3.3 The adjustable ecce ntric device for excit ing force

3.2振动测试系统的搭建 3.2.1振动测试原理

磁流变振动测试台主要由基座、振动台、可调偏心块、异步电动机、被测减振 装置组成，通过改变异步电动机的转速和偏心块的偏心距来调节振动台的激振力， 从而达到模拟振动压路机工况的目的；振动台工作原理图如图 3.4所示，x方向为振 动台的振动方向，通过改变偏心轮的偏心距或转速来调节振动台的激振力，运用加 速度和位移传感器可以检测振动台竖直方向的位移和加速度，从而实现间接测量磁 流变减振器的振幅和加速度的目的 图3.4振动台工作原理 Fig 3.4 The operating principle of vibration table

图3.5振动台测试原理图 Fig 3.5 The testing principium of vibration table

图3.5是振动台测试原理图，通过传感器采集振动工作台的位移和加速度等模拟 信号，采集的信号通过信号调理器进行放大、滤波、隔离后输入到数据采集卡，经 模数转换后，经过LabVIEW程序进行分析计算，然后通过控制电源对阻尼器线圈输 入合适的激励电流，以此改变振动系统的阻尼参数，达到所预期减振效果。

3.2.2振动测试系统程序的编写

1. 虚拟仪器与LabVIEW [11] 虚拟仪器(Virtual Instruments)是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物,美国 NI 公司于 1986 年首先提出虚拟仪器的概念，即用计算机技术，对传统仪器的 部分或全部功能进行软件化，在计算机平台上，通过灵活的虚拟仪器软件包、仪器 软面板更好地实现仪器的测控能力，从而扩展系统的功能和灵活性。

一个完整的虚拟仪器系统由硬件和软件构成， 具体地说是由计算机、 功能化模块 硬件、专用软件及电缆组成。计算机可以是台式机、工控机、便携式电脑和各种类 型的嵌入式 PC 机，在计算机上进行编程，同时计算机提供与主板通信的插槽； 功能 化模块硬件有各种插卡式或外置式的信号调理板、数据采集卡和控制卡、输入 /输出 卡、 GPIB 卡，还有各种带计算机接口的测量仪器，如电荷放大器、抗混滤波器、传 感器等；专用软件包括由系统集成厂商开发的软件如 LabVIEW 、LabWindows/CVI 等以及用户为实现各种测控功能设计的程序，主要是实现信号采集、控制、处理、 结果输出等功能；电缆是信号的通道。虚拟仪器可由用户按自己要求自行设计、自 行定义，变换非常灵活。虚拟仪器的功能主要通过软件编程来实现、修改和扩充。 虚拟仪器不仅能执行传统仪器的功能，而且，还能执行传统仪器所无法实现的许多 功能。采用虚拟仪器思想设计的测量仪器代表着测量仪器发展的方向，应用领域比 传统仪器更加广泛，具有用途多、数据处理能力强、自动化程度高、系统扩展和联 网容易等优点。

虚拟仪器的核心和关键部分是软件，本系统选择 NI 公司推出的，被称为是工程 师和科学家开发语言的 LabVIEW 作为开发开具， LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成 环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的简称，是一种多功能的图 形化

编程语言，它采用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，利用工程师和 科学家所熟悉的术语、 图表、概念来说明程序的具体行为。 LabVIEW 具有功能强大、 精度高、速度快、实时性好，且简单、直观、易学等特点，此外在 LabVIEW 的附加 软件包中还有网络工具包，对于实现网络测控有一定的优势。 LabVIEW 为工程技术 人员构建所需的测控系统提供了很好的开发平台。

2. 振动测试数据采集软件的编写

根据本实验振动信号测试原理， 利用 LabVIEW 软件对振动信号的数据采集进行 编程，采用多通道差分连续采集模式来实现对振动信号的动态检测。 3U' LabVI EW 框序

图3.6数据采集流程结构图 Fig 3.6 The flow chart of data acquisiti ons

内存 显示

图3.7差分测量系统 Fig 3.7 The system of differe ntial measurme nnt 图3.6为数据采集流程结构图。在数据采集之前，程序首先对 始化，板卡和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。

图3.7为8通道差分测量系统［11］。在差分测量系统中，信号输入端的正负极分别 与两个不同的模拟输入端口相连接，并通过多路开关（ MUX ）分别连接到仪用放大 器（In strume ntation Amplifier）的正负极上，其中仪用放大器通过多路开关进行通道 的转换标有AIGND （模拟输入地）的引脚就是测量系统的地。

DAQ板卡进行初 信号依次通过 Al Config、Al Start、Al Read、Data Process Al Clear 几个子模块。 在循环采样过程中，Al Config、Al Start、Al Clear子模块只执行一次，放在循环体 的外面，而循环体内只做 Al Read和必要的数据处理

I l&t变振动测试台振动实验

采用差分接线方式能够尽可能消除共模电压的影响，抑制噪声以及温度漂移 图3.9振动台数据采集程序前面板 Fig 3.9 The DAQ program 'front panel of vibrant table

X ■ 0 Fig 3.10 The DAQ program 'real panel of vibrant table 图3.9和图3.10是根据测试要求所编写的数据采集程序前面板和后面板。在 AI Config子模块里面设置数据采集通道号、 设备号以及缓存区大小，在AI Start子模块

里面设置扫描速度和连续采集模式，在AI Read子模块里面设置从缓存区读取数据的 速度。然后将采集得到的两路信号分离，分别进行相应的运算处理并进行保存，最 后用AI Clear来清除模拟输入操作和缓存区，释放 DAQ板卡的资源［12］。

在数据采集之前首先要进行一些相关参数的配置：①采样频率是一个非常重要的 参数。采样定理［13］是选取采样频率的理论基础，理论上采样频率设置为被采集信号 最高频率的2倍就可以，而实际常选用5~10倍［11］，有时为了更好地还原信号波形， 可以适当地选用更高的采样频率。本文根据实验数据的特点，取采样频率为信号最 高频率的20倍。②根据采样频率设

T- I ■ ■ . V

十』

图3.10振动台数据采集程序后面板