小型閥門振動試驗三向工裝設計研究

呂寶西 張連萬 王細波 謝 乾 丁建春

小型閥門振動試驗三向工裝設計研究

呂寶西1,2張連萬1,2王細波1謝 乾1,2丁建春1

(1. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.深低溫技術研究北京市重點實驗室，北京 100076）

航天運載火箭的閥門類產品上箭前的振動試驗多為三個振動方向，為減少換方向所需時間以及人力、設備的消耗，提出一種三向合一振動試驗方法，可實現一次振動代替三個方向的振動試驗。設計了兩種工裝方案，分別完成了工裝設計并進行了試驗驗證，通過對比得出最優設計方法，并對此方法進行了模態分析，該方法擬應用于后續小型閥門振動試驗上。

三向振動；試驗；閥門

1 引言

運載火箭在上升過程中承受嚴酷力學環境，因此需對其進行整體或單機力學環境試驗。對于閥門類產品，火箭發射后高量級的振動會導致產品損壞或性能下降，嚴重時可導致發射失利，因此需要在發射前做力學驗證試驗[1]。閥門類振動試驗通常進行三個振動方向，且多為通氣或高低溫振動試驗。更換振動方向時，涉及到倒換振動臺及工裝方向；對于通氣振動試驗，需要考慮如何固定管路及管路走向；對于需要振動同時進行產品啟閉動作的試驗（比如電磁閥），每一個方向的振動都會導致一定量的氣體損失，同時增加因管路拆裝產生多余物的質量風險。因此本文提出一種三向合一振動試驗方法，可實現一次振動代替三個方向的振動試驗。

國內已有多維振動環境試驗應用，吳家駒分析了該方法及應用[2]。用三個振動方向互相垂直的振動臺同時連接產品，此試驗技術含量較高，比單維振動試驗具有更高的有效性，但在產品連接等操作上較復雜，且對于小型產品應考慮是否經濟。

2 試驗需求

振動試驗通常是根據真實環境制定，運載火箭相關振動試驗是根據發射后遙測數據得到的。單機產品的振動試驗通常包含正弦掃描試驗和隨機振動試驗，分別模擬火箭起飛時的振動狀態和整個飛行過程中最嚴酷的振動狀態。

通過振動工裝將產品固定在振動臺上，振動臺可選擇水平或豎直振動方向，通過調節完成方向轉變，振動工裝按形狀可人為分為平板形和L形，一般形狀的產品需進行三個方向振動試驗。對于平板型工裝，通過在水平臺將工裝帶產品旋轉90°以及改變振動臺振動方向實現三個方向的振動試驗；對于L形振動工裝，可以將產品由固定在底板上改為固定在工裝垂直板上，代替改變振動臺的振動方向，即在水平臺上完成三個方向的振動試驗。多次試驗表明，將產品固定在L形工裝的垂直板上，增加了控制難度，監測到的數據偏離實際較多，且L形工裝加工成本較高，因此不推薦使用。對于軸對稱形狀的產品，比如單向閥，要求僅進行軸向和徑向的振動試驗，用徑向加倍時間的方式代替另一個徑向，即使必須進行三個方向的振動試驗，也可以繞軸旋轉90°得到第三個方向，僅需用到水平臺。

3 設計原理及方案

3.1 一體工裝設計

為保證分解后的三個大小相等的矢量方向與試驗要求的三個方向相符，擴展臺斜面上工裝安裝需按橢圓中心旋轉45°，設計圖見圖1，圖中8個圓孔用于工裝與振動臺連接，斜面T型槽仿照原工裝設計。

圖1 方案一工裝設計結構

3.2 組合工裝設計

按上述理論加工一個35.2644°斜面的振動工裝并將其安裝在安裝豎直振動臺上，可以認為振動方向分成了大小相等、互相垂直的三個方向，但如考慮被測件形狀，這三個方向僅有沿斜面向上的方向與要求一致，其它2方向均與要求方向成45°夾角。

對于軸對稱形狀的試件，將軸向向沿著斜面向上，其余2個方向（徑向）可任意指定，只要相互垂直即可，則該工裝滿足要求，僅需要考慮如何將產品固定在工裝上。

圖2 方案二工裝設計結構

對于非軸對稱形狀試件，提出以下解決方案：另加工一個工裝，底面安裝于擴展臺上，頂面（產品安裝面）與擴展臺斜面成45°夾角，設計圖見圖2，左側工裝外圓8孔連接于振動臺上，右側工裝連接于左側工裝的中間螺紋孔上，斜面T型槽仿照原工裝設計。

4 方案對比分析

4.1 比對方法

運載火箭使用閥門振動試驗包括正弦掃描試驗和隨機振動試驗，正弦掃描試驗掃頻范圍一般不大于100Hz，該頻率小于產品一階自振頻率，僅掃描一次，通常不會危害產品性能，經試驗驗證，正弦掃描監測曲線與參考曲線基本重合。因此本文僅比對隨機振動試驗，通過比對振動時三個方向的曲線和均方根加速度選擇最優方案。

試驗安裝狀態見圖3，控制傳感器的粘貼方向可選擇三個方向中的任何一個，本次選擇垂直于斜面方向(位于圖3左右兩圖中的最左和最右)，監測傳感器方向均分別為垂直于斜面方向、平行于斜面沿槽方向、平行于斜面垂直于槽方向。按照這種安裝方式，雖然監測傳感器方向不同，最終監測到的功率譜密度曲線和均方根加速度值理論上應是相同的。試驗參數見表1。

圖3 兩個方案產品安裝狀態

表1 隨機振動試驗條件

4.2 設備選擇

本文選用航天希爾公司生產的4T電動振動臺作為振動設備，振動傳感器選擇PCB公司生產的357B21型號和ENDEVCO公司生產的7221A型號，振動臺和傳感器都在一年的校驗期內，誤差精度≤5%，滿足使用要求。

4.3 試驗驗證

按圖3安裝試驗產品和傳感器，按表1設置試驗參數，進行振動試驗，圖4～圖6是試驗中監測到的曲線和均方根值。試驗監測結果表明，就曲線而言，兩種方案都比較理想，僅在800Hz以上的高頻段出現偏差，在控制上使用組合工裝得到的結果較好。

圖4 沿槽方向監測曲線圖

圖5 斜面內垂直于槽方向監測曲線圖

圖6 垂直于斜面方向監測曲線圖

將兩個方案監測到的均方根值進行對比，結果見表2。由表2可以看出，使用組合工裝的振動試驗監測到的均方根加速度偏差較小。

表2 方案比對結果數據

4.4 模態計算

圖7 模態分析圖

兩種方案比對表明，使用組合工裝監測偏差較小，因此利用Abaqus[3]針對該工裝開展了仿真分析，計算了組合體工裝前4階模態，見圖7，前4階固有頻率為1816Hz、1927Hz、3233Hz、3577Hz，該計算結果基本滿足使用要求。

經過試驗驗證和仿真分析，使用組合工裝控制較好，監測到的偏差較小，三個方向中的最大偏差僅為5.96%，優于一體工裝。經分析，造成一體工裝數據較差的原因是整體重心偏離了振動臺動圈的軸心，給動圈增加了一個傾覆力矩，導致振動臺控制較差。后期在工裝改進上可考慮仍采用一體工裝，減少工裝間的螺接，但要使整體重心和動圈軸心重合。

5 結束語

a. 提出了單方向振動代替三方向振動的工裝設計方法，設計兩種可行性方案，并試驗驗證了該方法的可行性。

b. 試驗結果顯示組合工裝方案優于一體工裝方案，橫向監測最大誤差為5.96%，在單向閥、電磁閥等小型閥門類產品上具備應用條件。

1 王亞軍. 運載火箭增壓輸送系統[M]. 中國宇航出版社，2020

2 吳家駒. 多維振動環境試驗方法[J]. 導彈與航天運載技術，2003(4)：27～32

3 莊茁，由小川. 基于ABAQUS的有限元分析和應用[M]. 北京：清華大學出版社，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

呂寶西（1986），碩士，工程力學專業；研究方向：環境試驗。

2021-11-19