雙激勵單軸振動系統球形靜壓支撐的研究

濮龍鋒，鐘瓊華

(蘇州蘇試試驗儀器有限公司，江蘇 蘇州 215129)

在新產品的研究過程中一般都要通過在實驗室內模擬再現產品將要經受到的實際工作環境，對產品進行各種環境試驗考驗和篩選。如發現問題，則可以及時設計進行修改。由于受到環境試驗設備和試驗技術的限制，以往是把一個產品分解為許多小部件，甚至是零件再進行環境試驗。組裝成產品后，通過產品在實際環境中使用的結果來證實我們執行的環境試驗規范是否有效，如果不行，則需要重新一系列試驗和修改。顯然，這樣的研制方法時間長且費用大。如果我們能在實驗室里再現產品的實際工作環境，對產品整機進行考核，則無疑會大大縮短產品的研制周期，這就對環境試驗設備提出了新的要求。就振動環境試驗設備而言，除了試驗技術方面的要求外.還要求振動試驗設備能提供更大的推力和更大的臺面。人們研制的振動臺越來越大。例如，電動振動臺的正弦激振力，單臺已達40 T，甚至有的國家計劃制造60 T推力的電動振動臺。然而，隨著單臺振動推力的增加，其制造技術越來越復雜，維護越來越困難，成本也越來越高。此外，對于有些大型或形狀特殊的試件(或產品)也無法用單臺振動來完成。這為雙激勵單軸振動系統的應用提供了契機，但振動系統與試件(或產品)之間的支撐一直是目前限制該技術發展的主要瓶頸。本文給出了我公司研制的GQA－21球形靜壓支撐的工作原理和實驗分析，為雙激勵單軸振動提供了理論和應用基礎。

1 工作原理

雙激勵單軸振動試驗就是雙臺兩個振動臺激勵試件，在試件上用傳感器拾取信號響應信號，并以計算信號的自譜密度做控制譜，與設定的參考譜進行比較，然后反饋修正振動臺驅動信號，使控制譜與參考譜的誤差滿足一定的容差要求。當一個試件的體積較大時采用一臺振動臺則無法提供有效的振動試驗。需要采用兩臺或多臺振動臺配合對一個試件進行雙激勵單軸同步振動來測試試件的抗振動性能。目前現有技術中，采用剛性支承方式將一個試件同時支承在兩臺或多臺電動振動臺上。具體工作原理是:如圖1(a)所示，采用兩臺或多臺電動振動臺從試件下方不同部位對試件進行支撐，其中，每臺電動振動臺與試件之間使用一個剛性支承架支承，剛性支承架下端與電動振動臺臺面用螺釘固定連接，上端與試件固定連接，振動試驗中兩臺或多臺電動振動臺使用同一振動信號源，通過剛性支承架傳遞激振力來進行振動試驗。

圖1 雙激勵單軸振動兩種狀態示意圖Fig.1 Two status of multi excitater＆ single axis vibration

剛性支承方式雖然整個結構簡單，但在實際應用過程中，由于信號誤差、振動臺制造誤差，使雙激勵單軸振動時兩臺電動振動臺之間總是存在異步誤差，尤其在中、高頻率振動環境工作時。如果不同電動振動臺的振動相位相差太大，相互干擾不能可靠的工作，甚至無法進行試驗。更為嚴重的是由于振動相位差太大就會產生很強的扭矩和剪切力，造成試件和臺面損壞。球形靜壓支撐裝置能很好的解決上述問題，如圖1所示，既可以保證兩個聯接件之間的剛度，又可在一定角度的范圍內轉動，實現了雙激勵單軸振動系統的振動解耦。

如圖2所示，球形靜壓支撐裝置，包括靜壓球頭、靜壓球座以及定位連接軸，靜壓球頭上設有凸球面，靜壓球座上設有凹球面，在支撐方向上靜壓球頭的凸球面與靜壓球座的凹球面通過油膜形成的封油面浮動配合;凸球面或凹球面上設有高壓油腔和低壓油腔，高壓油腔與高壓油流入通道連通，低壓油腔與低壓油流出通道連通，高壓油腔經過封油面至低壓油腔形成封油回路;靜壓球頭和靜壓球座在支撐方向上通過定位連接軸連接，靜壓球頭相對靜壓球座在支撐方向的垂直方向上轉動連接。

圖2 球形靜壓支撐裝置結構示意圖Fig.2 The configuration of hydrostatic spherical supporting device

2 實驗分析

通過前文所述的原理和思想，如圖3所示，我廠研制了GQA－21球形靜壓支撐，并通過試驗對其性能進行了分析。

圖3 GQA－21球形靜壓支撐實物圖Fig.3 GQA －21 hydrostatic spherical supporting device

雙臺同步并激電動振動試驗試驗環境主要由以下部分組成，分別是:兩臺100 kN激振力電動振動臺臺體、兩臺SA－100開關功率放大器;兩套冷卻裝置:DHE－150高效熱交換器、雙臺同步振動控制儀;兩臺GQA－21球形靜壓支撐及配套設備。試驗系統框如圖4所示。

圖4 雙激勵單軸同步振動試驗系統工作原理框圖Fig.4 The configuration of multi excitater ＆single axis synchronous vibration system

在GQA－21球形靜壓支撐上端蓋中心位置、下端蓋邊緣位置分別布置加速度傳感器。如圖5所示，在頻率5Hz～3000Hz的范圍內，以1 oct/min的掃頻速率進行正弦振動，參考譜加速度0.5 g，控制頻帶5Hz～3000Hz，報警線±3 dB，退出線±6 dB，在動圈臺面中心粘接加速度傳感器作為控制點，得到GQA－21球形靜壓支撐開環響應特性曲線，其中input1為動圈臺面中心處加速度，input2為球形靜壓支撐上端蓋中心位置加速度，input3為球形靜壓支撐下端蓋邊緣位置加速度。

由圖5可知，GQA－21球形靜壓支撐一階共振點為1384Hz，二階共振點為2450Hz，在一階共振點和二階共振點之間沒有谷底沒有低于low-alarm報警線，說明GQA－21球形靜壓支撐工作頻率可達到2500Hz附近。由式(1)可計算出力傳遞誤差M:

式中:ainput3為球形靜壓支撐上端蓋位置1處加速度測量值;ainput2為球形靜壓支撐下端蓋位置2處加速度測量值。

對input2曲線和input3曲線在頻率5Hz～3000Hz的范圍內進行比較，得:

說明上端蓋中心位置很適合應用于作振動閉環控制點，對其進行隨機試驗控制譜圖如圖6所示。

圖5 GQA－21球形靜壓支撐開環響應特性曲線Fig.5 The curve of open － loop characteristic for GQA－21 hydrostatic spherical supporting device

圖6 GQA－21球形靜壓支撐隨機試驗控制譜圖Fig.6 The result of random vibration test on GQA －21 hydrostatic spherical supporting device

可知，在頻率 20Hz～2500Hz的范圍內，以1 oct/min的掃頻速率進行隨機振動試驗，參考譜加速度提高至30 g，控制頻帶20Hz～2500Hz，報警線±3 dB，退出線±6 dB，在上端蓋中心位置粘接加速度傳感器作為控制點，得到GQA－21球形靜壓支撐隨機試驗控制曲線。由曲線可知控制點控制精度在0.5dB以內，控制效果相當好。

3 結論

雙激勵單軸振動試驗技術是根據振動環境試驗要求的發展而提出的一個有現實意義的課題。具有以下優點:

(1)純液體摩擦，摩擦阻力小，功率損耗少，傳動效率高。

(2)在作用力的方向頻繁高速改變，只要壓力油能正常供應，都不會造成金屬之間的直接接觸而產生的摩損。并且剛度高，精度保持性好，壽命長。

(3)由于靜壓球頭浮起是依靠外來油的壓力而實現的，因此，在各種相對運動的速度下，都具有較高的承載能力，速度的變化對油膜剛度變化的影響很小。

(4)其受力狀況好.合力始終對準球心，軸承運行平穩，沒有振動。

(5)工作頻率高，力傳遞特性好。我廠研制的GQA－21球形靜壓支撐實現了雙激勵單軸振動系統的振動解耦，突破了限制該技術發展的主要瓶頸，具有較大的推廣應用價值和前景。

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