小型阀门振动试验三向工装设计研究

吕宝西 张连万 王细波 谢 乾 丁建春

小型阀门振动试验三向工装设计研究

吕宝西1,2张连万1,2王细波1谢 乾1,2丁建春1

(1. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.深低温技术研究北京市重点实验室，北京 100076）

航天运载火箭的阀门类产品上箭前的振动试验多为三个振动方向，为减少换方向所需时间以及人力、设备的消耗，提出一种三向合一振动试验方法，可实现一次振动代替三个方向的振动试验。设计了两种工装方案，分别完成了工装设计并进行了试验验证，通过对比得出最优设计方法，并对此方法进行了模态分析，该方法拟应用于后续小型阀门振动试验上。

三向振动；试验；阀门

1 引言

运载火箭在上升过程中承受严酷力学环境，因此需对其进行整体或单机力学环境试验。对于阀门类产品，火箭发射后高量级的振动会导致产品损坏或性能下降，严重时可导致发射失利，因此需要在发射前做力学验证试验[1]。阀门类振动试验通常进行三个振动方向，且多为通气或高低温振动试验。更换振动方向时，涉及到倒换振动台及工装方向；对于通气振动试验，需要考虑如何固定管路及管路走向；对于需要振动同时进行产品启闭动作的试验（比如电磁阀），每一个方向的振动都会导致一定量的气体损失，同时增加因管路拆装产生多余物的质量风险。因此本文提出一种三向合一振动试验方法，可实现一次振动代替三个方向的振动试验。

国内已有多维振动环境试验应用，吴家驹分析了该方法及应用[2]。用三个振动方向互相垂直的振动台同时连接产品，此试验技术含量较高，比单维振动试验具有更高的有效性，但在产品连接等操作上较复杂，且对于小型产品应考虑是否经济。

2 试验需求

振动试验通常是根据真实环境制定，运载火箭相关振动试验是根据发射后遥测数据得到的。单机产品的振动试验通常包含正弦扫描试验和随机振动试验，分别模拟火箭起飞时的振动状态和整个飞行过程中最严酷的振动状态。

通过振动工装将产品固定在振动台上，振动台可选择水平或竖直振动方向，通过调节完成方向转变，振动工装按形状可人为分为平板形和L形，一般形状的产品需进行三个方向振动试验。对于平板型工装，通过在水平台将工装带产品旋转90°以及改变振动台振动方向实现三个方向的振动试验；对于L形振动工装，可以将产品由固定在底板上改为固定在工装垂直板上，代替改变振动台的振动方向，即在水平台上完成三个方向的振动试验。多次试验表明，将产品固定在L形工装的垂直板上，增加了控制难度，监测到的数据偏离实际较多，且L形工装加工成本较高，因此不推荐使用。对于轴对称形状的产品，比如单向阀，要求仅进行轴向和径向的振动试验，用径向加倍时间的方式代替另一个径向，即使必须进行三个方向的振动试验，也可以绕轴旋转90°得到第三个方向，仅需用到水平台。

3 设计原理及方案

3.1 一体工装设计

为保证分解后的三个大小相等的矢量方向与试验要求的三个方向相符，扩展台斜面上工装安装需按椭圆中心旋转45°，设计图见图1，图中8个圆孔用于工装与振动台连接，斜面T型槽仿照原工装设计。

图1 方案一工装设计结构

3.2 组合工装设计

按上述理论加工一个35.2644°斜面的振动工装并将其安装在安装竖直振动台上，可以认为振动方向分成了大小相等、互相垂直的三个方向，但如考虑被测件形状，这三个方向仅有沿斜面向上的方向与要求一致，其它2方向均与要求方向成45°夹角。

对于轴对称形状的试件，将轴向向沿着斜面向上，其余2个方向（径向）可任意指定，只要相互垂直即可，则该工装满足要求，仅需要考虑如何将产品固定在工装上。

图2 方案二工装设计结构

对于非轴对称形状试件，提出以下解决方案：另加工一个工装，底面安装于扩展台上，顶面（产品安装面）与扩展台斜面成45°夹角，设计图见图2，左侧工装外圆8孔连接于振动台上，右侧工装连接于左侧工装的中间螺纹孔上，斜面T型槽仿照原工装设计。

4 方案对比分析

4.1 比对方法

运载火箭使用阀门振动试验包括正弦扫描试验和随机振动试验，正弦扫描试验扫频范围一般不大于100Hz，该频率小于产品一阶自振频率，仅扫描一次，通常不会危害产品性能，经试验验证，正弦扫描监测曲线与参考曲线基本重合。因此本文仅比对随机振动试验，通过比对振动时三个方向的曲线和均方根加速度选择最优方案。

试验安装状态见图3，控制传感器的粘贴方向可选择三个方向中的任何一个，本次选择垂直于斜面方向(位于图3左右两图中的最左和最右)，监测传感器方向均分别为垂直于斜面方向、平行于斜面沿槽方向、平行于斜面垂直于槽方向。按照这种安装方式，虽然监测传感器方向不同，最终监测到的功率谱密度曲线和均方根加速度值理论上应是相同的。试验参数见表1。

图3 两个方案产品安装状态

表1 随机振动试验条件

4.2 设备选择

本文选用航天希尔公司生产的4T电动振动台作为振动设备，振动传感器选择PCB公司生产的357B21型号和ENDEVCO公司生产的7221A型号，振动台和传感器都在一年的校验期内，误差精度≤5%，满足使用要求。

4.3 试验验证

按图3安装试验产品和传感器，按表1设置试验参数，进行振动试验，图4～图6是试验中监测到的曲线和均方根值。试验监测结果表明，就曲线而言，两种方案都比较理想，仅在800Hz以上的高频段出现偏差，在控制上使用组合工装得到的结果较好。

图4 沿槽方向监测曲线图

图5 斜面内垂直于槽方向监测曲线图

图6 垂直于斜面方向监测曲线图

将两个方案监测到的均方根值进行对比，结果见表2。由表2可以看出，使用组合工装的振动试验监测到的均方根加速度偏差较小。

表2 方案比对结果数据

4.4 模态计算

图7 模态分析图

两种方案比对表明，使用组合工装监测偏差较小，因此利用Abaqus[3]针对该工装开展了仿真分析，计算了组合体工装前4阶模态，见图7，前4阶固有频率为1816Hz、1927Hz、3233Hz、3577Hz，该计算结果基本满足使用要求。

经过试验验证和仿真分析，使用组合工装控制较好，监测到的偏差较小，三个方向中的最大偏差仅为5.96%，优于一体工装。经分析，造成一体工装数据较差的原因是整体重心偏离了振动台动圈的轴心，给动圈增加了一个倾覆力矩，导致振动台控制较差。后期在工装改进上可考虑仍采用一体工装，减少工装间的螺接，但要使整体重心和动圈轴心重合。

5 结束语

a. 提出了单方向振动代替三方向振动的工装设计方法，设计两种可行性方案，并试验验证了该方法的可行性。

b. 试验结果显示组合工装方案优于一体工装方案，横向监测最大误差为5.96%，在单向阀、电磁阀等小型阀门类产品上具备应用条件。

1 王亚军. 运载火箭增压输送系统[M]. 中国宇航出版社，2020

2 吴家驹. 多维振动环境试验方法[J]. 导弹与航天运载技术，2003(4)：27～32

3 庄茁，由小川. 基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009

Research on Three-direction Tooling Design of Small Valve Vibration Experiment

Lv Baoxi1, 2Zhang Lianwan1, 2Wang Xibo1Xie Qian1, 2Ding Jianchun1

(1. Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076;2. Beijing Key Laboratory of Cryogenic Technology Research, Beijing 100076)

At present, the vibration experiments of valve products before installed on the rocket used in space launch vehicles are mostly three vibration directions. To reduce the time required to change directions and the consumption of manpower and equipment, a three-way synthesis of one direction vibration experimental method is proposed. It realized vibration experiment in place of three directions. Two design schemes for frock are proposed. The frock designs were completed and tests were verified. The optimal design method is obtained by comparison, which is carried out by modal analysis. This method is intended to be applied to the subsequence small valve vibration experiments.

three-way vibration；experimental；valve

V416.2

A

吕宝西（1986），硕士，工程力学专业；研究方向：环境试验。

2021-11-19