振動離心復合環境下結構響應試驗研究

李春枝，牛寶良，黎啟勝

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

環境振動試驗和離心加速度試驗一般分時獨立進行，在實際工程中，振動和離心力通常是復合在一起的。由于大部分產品的工作環境是振動和線加速度同時作用的復合動態環境，在這種情況下采用分時獨立的試驗手段無法預測復合環境下設備的可靠性，因此利用振動離心復合環境試驗可預測在單一環境中不能估計的潛在故障[1]。近年來振動離心復合試驗系統的研制得到快速發展，其中一大部分研究方向是采用振動離心土工復合方法來研究巖土工程，即在高速旋轉中增加模擬模型重力的設計，以獲得期望模型同等重力，達到試驗研究模擬地震目的[2—8]。在研制大型振動離心復合系統中的振動激振系統設計安裝非常關鍵，一般振動激振系統設計順臂或垂臂安裝在離心機機臂上，目前較常見的安裝方式是采用吊籃裝置連接底板安裝振動激振試驗系統[9—11]。由于激振系統和離心機結構連接處的剛度、阻尼不同，在高速旋轉離心場下，機臂和振動臺體連接裝置間容易產生振動耦合，若離心機臂擾度和轉角太大，會影響到離心振動復合功能的實現，可能會限制復合系統的某些能力。美國圣地亞實驗室曾通過采用多種激振方式對不同質量的試件開展試驗研究，以此獲得振動離心試驗系統的設計能力及試驗結果，同時研究了在離心力場下對采用壓電式激振系統方式的復合工作能力及其局限性問題[12]。目前有文獻報道約20多臺大型離心機配備了振動臺等動力試驗設備[13—14]，由于理論不易真實地計算出當振動激振系統工作時對離心機機臂等結構產生耦合響應的具體數值，而且有關試驗數據的相關文獻國內外報道較少。因此針對振動離心復合環境下對復合設備不同部位開展了比較詳細的試驗研究，獲得了振動臺體、離心機臂、連接裝置等不同部位的響應試驗數據和傳遞規律，為復雜系統設計及模型修改提供了分析依據。

1 復合振動試驗系統

振動試驗系統的三維示意如圖1所示，通過離心機吊籃裝置將振動試驗系統底座、控制系統、動力油源系統、動作系統安裝為復合振動激振系統[15]。采用垂臂安裝方式，臺體激振方向為圖1中z向所示，復合環境下的離心機和振動連接裝置會產生不同的耦合響應，若響應過大可能會使機臂產生垂向振動，進而影響連接裝置的振動特性[15]。文中針對離心振動復合機臂、連接裝置振動響應特性及傳遞規律開展了試驗研究。

圖1 振動試驗系統三維圖Fig.1 The 3D schematic of hydraulic vibration system

2 試驗儀器設備

試驗設備包括離心-振動試驗系統和測量系統，測量系統由振動加速度傳感器、信號放大器以及數據采集儀組成。試驗目的是研究在不同離心加速度下結構自身的振動響應大小以及在振動復合環境下從臺體到吊籃連接裝置、機臂端頭和機臂中部等的傳遞特性。為研究在不同離心加速度g值下實現振動復合功能，開展的試驗項目包括隨機復合振動、正弦拍波、地震波試驗等。試驗測試方向定義：沿徑向（離心方向）為x向，沿離心機機臂切線方向為y向，垂直于地基的方向為z向。測點位置如圖2所示，包括振動臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭、機臂中部位置。

3 試驗結果與分析

3.1 振動復合試驗及響應傳遞比

圖2 測點位置Fig.2 Measurement points

結合離心-振動復合工作狀態及測試目的分別在臺體表面、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭、離心機機臂中部部位各安裝一只加速度傳感器，測量切向（y）、徑向（x）和垂直基座（z）三個方向的響應。表1列出了隨機振動復合條件下被測部位的響應大小以及沿臺體到機臂的傳遞比。從表1可以看出，振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級變小，在機臂中部處振動響應最小，響應沿連接裝置到機臂方向逐漸衰減；臺體加速度響應最大，沿徑向為17.7g，切向為7.41g，垂向為0.71g；機臂中部響應最小，徑向為0.09g，切向和垂向分別為0.19g和0.21g。表1數據說明了離心機機臂的徑向振動響應小于沿機臂切向和垂向的響應，機臂切向響應小于其垂向的振動，說明復合功能下振動導致的機臂擺振情況存在，但量級小，基本不會對復合試驗系統帶來影響。

表1 振動復合試驗數據Table 1 Data of the compound vibration test

通過計算復合振動響應傳遞比，以分析在復合功能作用下離心機結構不同部位的振動特性傳遞規律，表2列出了振動復合試驗數據及其與振動臺體表面的徑向、切向傳遞比。從表2可以看出，在離心-振動復合功能運行時，分別沿徑向、切向的響應從臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到中部的傳遞比呈逐級衰減規律。

表2 振動復合試驗傳遞比Table 2 The transmissibility in the compound vibration test

3.2 正弦波試驗數據及加速度傳遞比

通過開展振動離心復合試驗的正弦拍波試驗，包括20，80 Hz兩個典型正弦波試驗。表3中給出了拍波試驗數據及其計算的加速度傳遞比，可以看出，20 Hz正弦波試驗中，機臂沿垂向的最大加速度響應為0.25g，沿切向加速度響應為0.34g；吊籃裝置沿垂向響應為2.5g，沿徑向響應為1.4g。在80 Hz拍波試驗中，機臂沿垂向的加速度響應為0.19g，沿切向響應為0.64g；吊籃裝置沿垂向響應為5.5g，沿徑向響應為3.2g。正弦拍波試驗中，吊籃沿垂向傳遞比為25%，沿徑向傳遞比為14.5%，沿切向傳遞比為14.5%。離心機結構沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%。從試驗數據看，傳遞比隨正弦拍波頻率增加而變化。

表3 正弦拍波試驗數據及傳遞比Table 3 Data and the transmissibility in the sine wave test

3.3 沖擊地震波數據及響應傳遞比

根據試驗研究目的開展了2次典型沖擊地震波試驗，控制加速度實測分別為19g和18.2g。表4給出了地震波試驗中所得到的離心機機臂和吊籃裝置的加速度響應及傳遞比結果，從總體上說，響應從吊籃到機臂是呈衰減規律。其中，吊籃裝置沿徑向的最大加速度為2.1g，沿垂向最大加速度為4.1g，沿切向最大加速度為1.85g；而機臂結構沿垂向最大加速度為0.24g，沿切向最大加速度為0.52g。吊籃連接裝置沿垂向最大響應傳遞比為21.5%傳遞比，徑向最大響應傳遞比為11.1%；機臂沿垂向最大響應傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%。

表4 地震波試驗數據及傳遞比Table 4 Data and the transmissibility in the seismic test

試驗結果表明，在振動離心復合功能運行時，振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級衰減，機臂中部處振動響應最小，響應傳遞比呈逐級衰減規律。振動復合試驗機臂沿徑向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為2.6%。離心機機臂的徑向振動響應小于沿機臂切向和垂向的響應，機臂切向響應小于其垂向的振動。這說明復合功能下振動導致的機臂擺振情況存在，但量級小，基本不會對復合試驗系統帶來影響。根據正弦拍波試驗結果，機臂沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%，而機臂響應的傳遞比隨拍波頻率增大而逐漸變化。這說明隨著振動復合試驗加載量級和加載的頻率增大，會對機臂振動響應產生影響，所以復合功能試驗時要注意量級和試驗條件加載等問題。地震波試驗機臂沿垂向傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%。可以分析得出，在離心振動復合功能加載時所產生的沿機臂切向扭矩較小，因此它對離心復合系統運行不會造成一定的安全風險。

4 結論

對離心-振動復合試驗系統工作狀態下的振動臺體、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭及機臂中部的結構振動響應情況及傳遞規律開展了復合振動、正弦拍波及沖擊復合試驗研究。根據激振系統在不同工況下，測量臺體、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭及中部等加速度并計算其振動傳遞比。試驗結果亦表明振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級減小，響應傳遞比呈逐級衰減規律，為今后開展類似復雜系統設計及模型修改提供數據支持，具有一定的參考價值。

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