針對大型振動試驗輔助支撐系統(tǒng)的結構設計與技術改進

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

針對大型振動試驗輔助支撐系統(tǒng)的結構設計與技術改進

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

對振動臺輔助支撐系統(tǒng)進行了結構改進，增加了空氣彈簧和導向軸。并且針對偏心問題，采用多個氣源對不同位置分布的空氣彈簧施加不同的氣壓進一步增強振動臺的抗傾覆能力。建立了一套可以應用于軌道交通等大型設備的具有較大承載能力（＞14 t），較大抗傾覆能力的振動臺輔助支撐系統(tǒng)。

輔助支撐；承載能力；偏心；抗傾覆

引言

振動試驗是力學環(huán)境試驗的重要組成部分,對考核產(chǎn)品的耐久性及環(huán)境適應性等起著重要的作用[1-4]。對于尺寸較大,重量較重的產(chǎn)品，振動試驗時要考慮多方面的影響因素。大型產(chǎn)品的特點是質量大、尺寸大并且結構復雜。由于振動設備能力受限，大型產(chǎn)品的振動試驗一般在振動臺上實現(xiàn)很困難，經(jīng)常接近或者達到振動臺的使用極限，有一定的安全隱患。為了提高承載能力及偏心等問題，大型振動試驗時振動設備一般會采用輔助支撐系統(tǒng)[5]。本次基于某項大型振動試驗要求，解決現(xiàn)場振動臺承載能力可能不足，抗傾覆能力相對較小的問題，對振動臺的輔助支撐系統(tǒng)進行結構設計與技術改進。

1 大型振動試驗常遇到的兩個問題

大型振動試驗時，一般試驗件尺寸較大，重量較大，而且可能會存在一定的偏心，所以經(jīng)常遇到以下兩個問題：①振動臺靜支撐問題。試驗時，試驗件與夾具連接，夾具與動圈連接。而動圈靠U簧及末端靜壓軸承定位。運動部件的重量都集中在動圈上，動圈主要靠U簧及中間氣囊承載。振動臺承載時動圈會偏離平衡位置，但一般情況下可向氣囊內充氣使之恢復到原始位置，但是當運動部件的總質量超過振動臺承載能力時，振動臺就會失去平衡，無法進一步工作。②振動臺穩(wěn)定問題。由于試驗件一般尺寸較大，在與夾具對接后整體重心偏高，并且本身存在一定的偏心，試驗時，動圈在垂直運動的同時會產(chǎn)生附加的橫向偏移，造成試驗件的左右搖擺和晃動，從而產(chǎn)生傾覆力矩影響試驗正常運行，甚至導致振動臺損壞。

2 結構設計與技術改進

2.1 振動臺靜支撐問題

針對振動臺靜支撐問題，通過增加空氣彈簧的方式提高支撐系統(tǒng)的承載能力。空氣彈簧的結構如圖1所示?？諝鈴椈晒ぷ鲿r，內腔充入壓縮空氣，形成一個壓縮空氣氣柱，能夠承載一定的載荷。同時，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—空氣彈簧內壓力N/cm2

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

基于前期某項試驗要求，振動臺承載能力需大于14 t，經(jīng)過計算，需增加四個空氣彈簧，提高其承載能力，并具有較大的裕度。根據(jù)振動臺擴展盤的結構將空氣彈簧均勻對稱的進行排布，以保證試驗順利進行?？諝鈴椈稍谡駝优_擴展盤上的分布如圖2所示，其中大圓為空氣彈簧的所在位置。

2.2 試驗件穩(wěn)定性問題

對于大型振動試驗，試驗件尺寸、重量一般較大，所以和振動臺面連接后整體中心較高，而實際上，試驗件重心一般未和振動臺動圈重心重合，存在一定的偏心。當試驗件重量較大時，也會產(chǎn)生較大的傾覆力矩。使試件隨振動臺面動圈一同產(chǎn)生橫向晃動和扭動。為了減小偏心產(chǎn)生的這種晃動和扭動，本方案采用兩種方式增加振動臺的抗傾覆能力。

1）在振動臺擴展盤與基座之間增加導向軸承，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。增加導向軸承的振動臺如圖3所示。

2）試驗時，采用多個氣源對于不同位置分布的空氣彈簧施加不同的氣壓，進一步增強振動臺的抗傾覆能力。

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

圖1 空氣彈簧截面圖

圖2 空氣彈簧在振動臺擴展盤的位置分布

圖3 振動臺導向軸承

圖4 空氣彈簧氣源調整前后對比

2.3 改進后結果

改進的試驗輔助支撐系統(tǒng)搭建完成后，為考核其性能進行驗證試驗。驗證試驗的順利進行證明了改進后的振動臺輔助支撐系統(tǒng)能夠至少承受14 t的靜載荷，圖5為試驗模擬件在振動臺面的安裝狀態(tài)。根據(jù)IEC 61373軌道交通機車車輛設備振動試驗標準，設定隨機振動試驗目標譜。在振動臺臺面安裝三向加速度傳感器，以測量其在三個方向的振動響應情況，結果如圖6所示。從圖中可以看出在振動主方向上振動臺能很好的控制試驗量級，側方向的響應較小，表明振動臺的橫向晃動和扭動相對較小。進一步證明了改進后的試驗系統(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 結論

試驗證明，改進后的輔助支撐系統(tǒng)增加了振動臺的承載能力，增加了振動臺抗傾覆能力，提高了振動臺的穩(wěn)定性。輔助支撐系統(tǒng)的改進設計對大型振動試驗的研究提供了基礎，并且該系統(tǒng)能夠推廣應用于軌道交通等領域的大型振動試驗中。

圖5 試驗件在振動臺面的安裝狀態(tài)

圖6 振動試驗測量曲線

［1］胡志強，等.隨機振動試驗應用技術［M］.北京：中國計量出版社，1996.

［2］胡小弟， 朱偉繁.涉及電動振動臺選型的結構與技術的評價和分析［J］.環(huán)境技術.2002（5）： 01-04.

［3］ 趙連忠.大型動力裝置結構振動試驗設備［J］.推進技術，1990（5）： 52-56.

［4］ 胡小弟，劉繼承.大型構件試品實施振動試驗時的若干問題探討［J］.環(huán)境技術，1997（2）： 16-21.

［5］ 弋東明.大型振動試驗的輔助支撐系統(tǒng)設計［J］.火箭推進， 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，主要從事力學環(huán)境試驗與仿真技術研究。