双激励单轴振动系统球形静压支撑的研究

濮龙锋，钟琼华

(苏州苏试试验仪器有限公司，江苏 苏州 215129)

在新产品的研究过程中一般都要通过在实验室内模拟再现产品将要经受到的实际工作环境，对产品进行各种环境试验考验和筛选。如发现问题，则可以及时设计进行修改。由于受到环境试验设备和试验技术的限制，以往是把一个产品分解为许多小部件，甚至是零件再进行环境试验。组装成产品后，通过产品在实际环境中使用的结果来证实我们执行的环境试验规范是否有效，如果不行，则需要重新一系列试验和修改。显然，这样的研制方法时间长且费用大。如果我们能在实验室里再现产品的实际工作环境，对产品整机进行考核，则无疑会大大缩短产品的研制周期，这就对环境试验设备提出了新的要求。就振动环境试验设备而言，除了试验技术方面的要求外.还要求振动试验设备能提供更大的推力和更大的台面。人们研制的振动台越来越大。例如，电动振动台的正弦激振力，单台已达40 T，甚至有的国家计划制造60 T推力的电动振动台。然而，随着单台振动推力的增加，其制造技术越来越复杂，维护越来越困难，成本也越来越高。此外，对于有些大型或形状特殊的试件(或产品)也无法用单台振动来完成。这为双激励单轴振动系统的应用提供了契机，但振动系统与试件(或产品)之间的支撑一直是目前限制该技术发展的主要瓶颈。本文给出了我公司研制的GQA－21球形静压支撑的工作原理和实验分析，为双激励单轴振动提供了理论和应用基础。

1 工作原理

双激励单轴振动试验就是双台两个振动台激励试件，在试件上用传感器拾取信号响应信号，并以计算信号的自谱密度做控制谱，与设定的参考谱进行比较，然后反馈修正振动台驱动信号，使控制谱与参考谱的误差满足一定的容差要求。当一个试件的体积较大时采用一台振动台则无法提供有效的振动试验。需要采用两台或多台振动台配合对一个试件进行双激励单轴同步振动来测试试件的抗振动性能。目前现有技术中，采用刚性支承方式将一个试件同时支承在两台或多台电动振动台上。具体工作原理是:如图1(a)所示，采用两台或多台电动振动台从试件下方不同部位对试件进行支撑，其中，每台电动振动台与试件之间使用一个刚性支承架支承，刚性支承架下端与电动振动台台面用螺钉固定连接，上端与试件固定连接，振动试验中两台或多台电动振动台使用同一振动信号源，通过刚性支承架传递激振力来进行振动试验。

图1 双激励单轴振动两种状态示意图Fig.1 Two status of multi excitater＆ single axis vibration

刚性支承方式虽然整个结构简单，但在实际应用过程中，由于信号误差、振动台制造误差，使双激励单轴振动时两台电动振动台之间总是存在异步误差，尤其在中、高频率振动环境工作时。如果不同电动振动台的振动相位相差太大，相互干扰不能可靠的工作，甚至无法进行试验。更为严重的是由于振动相位差太大就会产生很强的扭矩和剪切力，造成试件和台面损坏。球形静压支撑装置能很好的解决上述问题，如图1所示，既可以保证两个联接件之间的刚度，又可在一定角度的范围内转动，实现了双激励单轴振动系统的振动解耦。

如图2所示，球形静压支撑装置，包括静压球头、静压球座以及定位连接轴，静压球头上设有凸球面，静压球座上设有凹球面，在支撑方向上静压球头的凸球面与静压球座的凹球面通过油膜形成的封油面浮动配合;凸球面或凹球面上设有高压油腔和低压油腔，高压油腔与高压油流入通道连通，低压油腔与低压油流出通道连通，高压油腔经过封油面至低压油腔形成封油回路;静压球头和静压球座在支撑方向上通过定位连接轴连接，静压球头相对静压球座在支撑方向的垂直方向上转动连接。

图2 球形静压支撑装置结构示意图Fig.2 The configuration of hydrostatic spherical supporting device

2 实验分析

通过前文所述的原理和思想，如图3所示，我厂研制了GQA－21球形静压支撑，并通过试验对其性能进行了分析。

图3 GQA－21球形静压支撑实物图Fig.3 GQA －21 hydrostatic spherical supporting device

双台同步并激电动振动试验试验环境主要由以下部分组成，分别是:两台100 kN激振力电动振动台台体、两台SA－100开关功率放大器;两套冷却装置:DHE－150高效热交换器、双台同步振动控制仪;两台GQA－21球形静压支撑及配套设备。试验系统框如图4所示。

图4 双激励单轴同步振动试验系统工作原理框图Fig.4 The configuration of multi excitater ＆single axis synchronous vibration system

在GQA－21球形静压支撑上端盖中心位置、下端盖边缘位置分别布置加速度传感器。如图5所示，在频率5Hz～3000Hz的范围内，以1 oct/min的扫频速率进行正弦振动，参考谱加速度0.5 g，控制频带5Hz～3000Hz，报警线±3 dB，退出线±6 dB，在动圈台面中心粘接加速度传感器作为控制点，得到GQA－21球形静压支撑开环响应特性曲线，其中input1为动圈台面中心处加速度，input2为球形静压支撑上端盖中心位置加速度，input3为球形静压支撑下端盖边缘位置加速度。

由图5可知，GQA－21球形静压支撑一阶共振点为1384Hz，二阶共振点为2450Hz，在一阶共振点和二阶共振点之间没有谷底没有低于low-alarm报警线，说明GQA－21球形静压支撑工作频率可达到2500Hz附近。由式(1)可计算出力传递误差M:

式中:ainput3为球形静压支撑上端盖位置1处加速度测量值;ainput2为球形静压支撑下端盖位置2处加速度测量值。

对input2曲线和input3曲线在频率5Hz～3000Hz的范围内进行比较，得:

说明上端盖中心位置很适合应用于作振动闭环控制点，对其进行随机试验控制谱图如图6所示。

图5 GQA－21球形静压支撑开环响应特性曲线Fig.5 The curve of open － loop characteristic for GQA－21 hydrostatic spherical supporting device

图6 GQA－21球形静压支撑随机试验控制谱图Fig.6 The result of random vibration test on GQA －21 hydrostatic spherical supporting device

可知，在频率 20Hz～2500Hz的范围内，以1 oct/min的扫频速率进行随机振动试验，参考谱加速度提高至30 g，控制频带20Hz～2500Hz，报警线±3 dB，退出线±6 dB，在上端盖中心位置粘接加速度传感器作为控制点，得到GQA－21球形静压支撑随机试验控制曲线。由曲线可知控制点控制精度在0.5dB以内，控制效果相当好。

3 结论

双激励单轴振动试验技术是根据振动环境试验要求的发展而提出的一个有现实意义的课题。具有以下优点:

(1)纯液体摩擦，摩擦阻力小，功率损耗少，传动效率高。

(2)在作用力的方向频繁高速改变，只要压力油能正常供应，都不会造成金属之间的直接接触而产生的摩损。并且刚度高，精度保持性好，寿命长。

(3)由于静压球头浮起是依靠外来油的压力而实现的，因此，在各种相对运动的速度下，都具有较高的承载能力，速度的变化对油膜刚度变化的影响很小。

(4)其受力状况好.合力始终对准球心，轴承运行平稳，没有振动。

(5)工作频率高，力传递特性好。我厂研制的GQA－21球形静压支撑实现了双激励单轴振动系统的振动解耦，突破了限制该技术发展的主要瓶颈，具有较大的推广应用价值和前景。

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