馮 偉，陳立偉，楊 博，張 冰（.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 00076；.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 30046）

針對(duì)大型振動(dòng)試驗(yàn)輔助支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)

馮 偉1，2，陳立偉1，楊 博2，張 冰2
（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

對(duì)振動(dòng)臺(tái)輔助支撐系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增加了空氣彈簧和導(dǎo)向軸。并且針對(duì)偏心問題，采用多個(gè)氣源對(duì)不同位置分布的空氣彈簧施加不同的氣壓進(jìn)一步增強(qiáng)振動(dòng)臺(tái)的抗傾覆能力。建立了一套可以應(yīng)用于軌道交通等大型設(shè)備的具有較大承載能力（＞14 t），較大抗傾覆能力的振動(dòng)臺(tái)輔助支撐系統(tǒng)。

輔助支撐；承載能力；偏心；抗傾覆

引言

振動(dòng)試驗(yàn)是力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分,對(duì)考核產(chǎn)品的耐久性及環(huán)境適應(yīng)性等起著重要的作用[1-4]。對(duì)于尺寸較大,重量較重的產(chǎn)品，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)要考慮多方面的影響因素。大型產(chǎn)品的特點(diǎn)是質(zhì)量大、尺寸大并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于振動(dòng)設(shè)備能力受限，大型產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)一般在振動(dòng)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)很困難，經(jīng)常接近或者達(dá)到振動(dòng)臺(tái)的使用極限，有一定的安全隱患。為了提高承載能力及偏心等問題，大型振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)設(shè)備一般會(huì)采用輔助支撐系統(tǒng)[5]。本次基于某項(xiàng)大型振動(dòng)試驗(yàn)要求，解決現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)承載能力可能不足，抗傾覆能力相對(duì)較小的問題，對(duì)振動(dòng)臺(tái)的輔助支撐系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)。

1 大型振動(dòng)試驗(yàn)常遇到的兩個(gè)問題

大型振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，一般試驗(yàn)件尺寸較大，重量較大，而且可能會(huì)存在一定的偏心，所以經(jīng)常遇到以下兩個(gè)問題：①振動(dòng)臺(tái)靜支撐問題。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件與夾具連接，夾具與動(dòng)圈連接。而動(dòng)圈靠U簧及末端靜壓軸承定位。運(yùn)動(dòng)部件的重量都集中在動(dòng)圈上，動(dòng)圈主要靠U簧及中間氣囊承載。振動(dòng)臺(tái)承載時(shí)動(dòng)圈會(huì)偏離平衡位置，但一般情況下可向氣囊內(nèi)充氣使之恢復(fù)到原始位置，但是當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量超過振動(dòng)臺(tái)承載能力時(shí)，振動(dòng)臺(tái)就會(huì)失去平衡，無法進(jìn)一步工作。②振動(dòng)臺(tái)穩(wěn)定問題。由于試驗(yàn)件一般尺寸較大，在與夾具對(duì)接后整體重心偏高，并且本身存在一定的偏心，試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)圈在垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加的橫向偏移，造成試驗(yàn)件的左右搖擺和晃動(dòng)，從而產(chǎn)生傾覆力矩影響試驗(yàn)正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)損壞。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)

2.1 振動(dòng)臺(tái)靜支撐問題

針對(duì)振動(dòng)臺(tái)靜支撐問題，通過增加空氣彈簧的方式提高支撐系統(tǒng)的承載能力。空氣彈簧的結(jié)構(gòu)如圖1所示。空氣彈簧工作時(shí)，內(nèi)腔充入壓縮空氣，形成一個(gè)壓縮空氣氣柱，能夠承載一定的載荷。同時(shí)，空氣彈簧的剛度隨載荷變化較小，因此在不同的載荷條件下自振頻率幾乎不變。

空氣彈簧的有效面積計(jì)算：

1）空氣彈簧的有效面積：A=π R2（cm2）

R—有效半徑（cm）

2）空氣彈簧承受載荷：F=p*A （N）

p—空氣彈簧內(nèi)壓力N/cm2

0.1 MPa=1 kgf/cm2=10 N/cm2

基于前期某項(xiàng)試驗(yàn)要求，振動(dòng)臺(tái)承載能力需大于14 t，經(jīng)過計(jì)算，需增加四個(gè)空氣彈簧，提高其承載能力，并具有較大的裕度。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展盤的結(jié)構(gòu)將空氣彈簧均勻?qū)ΨQ的進(jìn)行排布，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行?？諝鈴椈稍谡駝?dòng)臺(tái)擴(kuò)展盤上的分布如圖2所示，其中大圓為空氣彈簧的所在位置。

2.2 試驗(yàn)件穩(wěn)定性問題

對(duì)于大型振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)件尺寸、重量一般較大，所以和振動(dòng)臺(tái)面連接后整體中心較高，而實(shí)際上，試驗(yàn)件重心一般未和振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈重心重合，存在一定的偏心。當(dāng)試驗(yàn)件重量較大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的傾覆力矩。使試件隨振動(dòng)臺(tái)面動(dòng)圈一同產(chǎn)生橫向晃動(dòng)和扭動(dòng)。為了減小偏心產(chǎn)生的這種晃動(dòng)和扭動(dòng)，本方案采用兩種方式增加振動(dòng)臺(tái)的抗傾覆能力。

1）在振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展盤與基座之間增加導(dǎo)向軸承，約束軸在徑向的位移，減輕靜壓軸承的壓力，以增加抗傾覆能力。增加導(dǎo)向軸承的振動(dòng)臺(tái)如圖3所示。

2）試驗(yàn)時(shí)，采用多個(gè)氣源對(duì)于不同位置分布的空氣彈簧施加不同的氣壓，進(jìn)一步增強(qiáng)振動(dòng)臺(tái)的抗傾覆能力。

對(duì)于內(nèi)部具有一定氣壓的空氣彈簧，當(dāng)增加載荷時(shí)，空氣彈簧的高度降低，承載面積增加，同時(shí)內(nèi)部氣壓增加，從而承載力增大。反之減少載荷時(shí)，承載力減小。當(dāng)多個(gè)空氣彈簧共用一個(gè)氣源時(shí)，由于試驗(yàn)件的偏心問題，臺(tái)面會(huì)向一側(cè)傾斜，此時(shí)靜壓軸承會(huì)承受彎矩，降低其滑動(dòng)性能。若彎矩過大，或靜壓軸承長時(shí)間處于承受彎矩狀態(tài)，表面易產(chǎn)生磨損，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起動(dòng)圈卡死。而空氣彈簧采用不同氣源時(shí)，可以靈活調(diào)節(jié)不同位置空氣彈簧的氣壓，以調(diào)節(jié)不同位置空氣彈簧的伸縮高度，使臺(tái)面保持平衡，增加抗傾覆能力。圖4為空氣彈簧氣源調(diào)整前后對(duì)比，從圖中可以看出，試驗(yàn)件重心偏左，臺(tái)面向左側(cè)傾斜，空氣彈簧因共用同一個(gè)氣源，內(nèi)部氣壓相同，不能調(diào)節(jié)臺(tái)面的傾斜程度，而采用不同氣源時(shí)，增加左側(cè)空氣彈簧的壓力，以增加其伸縮高度，從而保證了臺(tái)面平衡，達(dá)到了提高抗傾覆力矩的目的。

圖1 空氣彈簧截面圖

圖2 空氣彈簧在振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展盤的位置分布

圖3 振動(dòng)臺(tái)導(dǎo)向軸承

圖4 空氣彈簧氣源調(diào)整前后對(duì)比

2.3 改進(jìn)后結(jié)果

改進(jìn)的試驗(yàn)輔助支撐系統(tǒng)搭建完成后，為考核其性能進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)的順利進(jìn)行證明了改進(jìn)后的振動(dòng)臺(tái)輔助支撐系統(tǒng)能夠至少承受14 t的靜載荷，圖5為試驗(yàn)?zāi)M件在振動(dòng)臺(tái)面的安裝狀態(tài)。根據(jù)IEC 61373軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)譜。在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面安裝三向加速度傳感器，以測(cè)量其在三個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)情況，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出在振動(dòng)主方向上振動(dòng)臺(tái)能很好的控制試驗(yàn)量級(jí)，側(cè)方向的響應(yīng)較小，表明振動(dòng)臺(tái)的橫向晃動(dòng)和扭動(dòng)相對(duì)較小。進(jìn)一步證明了改進(jìn)后的試驗(yàn)系統(tǒng)抗傾覆能力得到很大的提高，穩(wěn)定性有了明顯的改善。

3 結(jié)論

試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的輔助支撐系統(tǒng)增加了振動(dòng)臺(tái)的承載能力，增加了振動(dòng)臺(tái)抗傾覆能力，提高了振動(dòng)臺(tái)的穩(wěn)定性。輔助支撐系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)大型振動(dòng)試驗(yàn)的研究提供了基礎(chǔ)，并且該系統(tǒng)能夠推廣應(yīng)用于軌道交通等領(lǐng)域的大型振動(dòng)試驗(yàn)中。

圖5 試驗(yàn)件在振動(dòng)臺(tái)面的安裝狀態(tài)

圖6 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量曲線

［1］胡志強(qiáng)，等.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1996.

［2］胡小弟， 朱偉繁.涉及電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)選型的結(jié)構(gòu)與技術(shù)的評(píng)價(jià)和分析［J］.環(huán)境技術(shù).2002（5）： 01-04.

［3］ 趙連忠.大型動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備［J］.推進(jìn)技術(shù)，1990（5）： 52-56.

［4］ 胡小弟，劉繼承.大型構(gòu)件試品實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的若干問題探討［J］.環(huán)境技術(shù)，1997（2）： 16-21.

［5］ 弋東明.大型振動(dòng)試驗(yàn)的輔助支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.火箭推進(jìn)， 2005.31 （1）：52-54.

Structure Design and Technology Improvement About the Auxiliary Support System in Large-scale Vibration Test

FENG Wei1，2， CHEN Li-wei1， YANG Bo2， ZHANG Bing2
（1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering， Beijing 100076；2.Tianjin Aerospace Relia Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300462）

The structure of the auxiliary support system was improved by adding the air spring and the guide shaft.Aiming at the eccentric problem， several pumps were adopted on the air springs in different positions to increase the ability of anti-overturning moment.An auxiliary support system with high load-bearing ability （above 14 t） and high anti overturning moment ability was established which can be applied on rail transportation test.

auxiliary support system； high load-bearing ability； eccentric； anti-overturning moment

TB534+.2

A

1004-7204（2016）03-0056-03

馮偉（1987-）， 男， 山東省， 工程師，主要從事力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)與仿真技術(shù)研究。