多維振動平面靜壓解耦設計

底紅巖，曹小波，李楊，張巧壽，劉軍

(1.北京強度環境研究所，北京 100076；2.北京市振動測試設備工程技術研究中心，北京 100076;3.北京航天希爾測試技術有限公司，北京 100076)

0 前言

振動試驗是航空航天產品環境適應性考核和可靠性增長的一種有效手段。多維振動試驗系統用來進行研發產品的摸底及驗證試驗、振動強度與沖擊環境試驗、環境應力篩選試驗、動態特性分析試驗以及可靠性增長試驗等，可以更加真實地反映產品的振動環境，也可用于多軸振動試驗系統的相關試驗技術及振動控制方法的研究。多維振動試驗系統是當前振動領域的研究與應用熱點，已經成功應用于航空、航天、鐵路等領域產品的可靠性研究中[1-2]。

多維振動試驗系統通常由振動臺、解耦裝置、工作平臺、多軸振動控制系統、傳感器等組成，系統組成示意如圖1所示。文中所要研究的解耦裝置是實現多維振動試驗的關鍵解耦部件。

圖1 多維振動試驗系統組成示意

多維振動試驗系統一般分為單方向多臺并激試驗系統、三軸振動試驗系統、六自由度振動試驗系統等，如圖2所示。其中，單方向多臺并激試驗系統的幾個振動臺激勵方向相互平行，通常用于要求大支架的笨重試件，單個振動臺推力不夠，或者容易彎曲破壞的高長細比試件；三軸振動試驗系統中幾個振動臺激勵方向相互垂直，主要針對產品使用時主振方向變化，不與3個正交軸重合，多維分開試驗不能發現潛在故障，表現為欠試驗，需要3個方向同時振動；六自由度振動試驗系統可以真實模擬剛性平面假設的界面六自由度運動，及3個正交軸的平動(線振動)和圍繞它們的轉動(角振動)[3-6]。

圖2 多維振動試驗系統

解耦裝置一方面可以為激振力在激勵方向提供足夠大的剛度，另外一方面可以實現除激勵方向運動自由度外其他方向的自由度，從而使多維振動試驗系統實現多維度解耦而不影響振動臺的單軸運動，為檢驗試件的可靠性提供更多的試驗手段[7]。解耦裝置通常有2種：機械解耦裝置和液壓解耦裝置。機械解耦裝置一般為十字滑軌式，主要由2個運動方向相互垂直的滑軌和1個滑塊組成，采用潤滑油進行潤滑，具有結構簡單、成本低等優點，然而這種解耦裝置工作頻率較低、可靠性較低；液壓解耦裝置中的相對運動構件表面間充有高壓油膜，它具有較高的軸向剛度、較小的摩擦阻力，液壓解耦裝置工作頻率高達1 500 Hz，這是目前國外多維振動試驗系統應用最廣泛的解耦裝置。

20世紀60年代末和70年代初，美國、日本等發達國家便進行了多維振動試驗系統解耦裝置的研究[8]。目前研究解耦裝置的單位主要有美國TEAM公司、日本IMV公司等：TEAM公司以研究球面液壓解耦裝置為主，該裝置可用來搭建三軸以及六自由度振動試驗系統；日本IMV公司以平面液壓解耦裝置為主，該裝置主要用來搭建三軸振動試驗系統。國內從20世紀80年代后期開展研究，目前已經有成熟產品的包括航天七○二所、蘇試、東菱等單位。

目前，國內主要以球面液壓解耦裝置來搭建多維振動試驗系統，然而在實際安裝實施過程中發現，由于球面液壓解耦裝置安裝面沒有約束很難定位，系統安裝周期較長，影響試驗效率。平面靜壓解耦裝置可以很好地解決這一問題，而且這種結構具有承載大、動態傳遞性能好以及安裝快速的優點。然而國內關于平面靜壓解耦裝置的理論研究較少，本文作者將通過理論設計及試驗驗證相結合的方法對平面靜壓解耦裝置設計展開研究。

1 平面靜壓解耦結構設計

文中設計了一種可用于三軸振動試驗系統的平面靜壓解耦裝置，它主要由上壓力板、平動板、下壓力板、預緊螺栓、節流器等組成，結構示意如圖3所示。上壓力板與平動板之間以及下壓力板與平動板之間充有高壓油膜，預緊螺栓將其連接起來，并對預緊螺栓施加一定的預緊力，從而提高油膜剛度，增大激振力的傳遞性能。

圖3 平面靜壓解耦結構示意

1.1 平面靜壓解耦工作原理

在上壓力板和下壓力板中開有油路通道，高壓油通過油路通道流經壓力補償元件即節流器進入到壓力板的油腔中，最終在壓力板與平動板之間形成一層高壓油膜，從而將平動板浮起，實現液體潤滑，使得平動板在上、下壓力板之間平動，從而具有2個正交方向的自由度[9]。

平面靜壓解耦除了能夠實現解耦以外，還需要在振動環境中承受一定外載荷，它承受載荷的工作原理如圖4所示。在上、下壓力板上分別裝有節流器，當壓力為p1的液壓油經過節流器進入油腔形成一層油膜后，便對平動板下表面產生一個向上的推力T1，上表面產生一個向下的推力T2，這2個力的合力與外載荷相等，這樣便維持了系統的平衡。由于這2個推力的方向始終相反，因此這2個推力中必有一個推力較外載荷大。

當外載荷不斷變化時，2個油膜的推力以及厚度也在不斷變化。當外載荷F外的作用方向向下，并不斷增加時，那么下油膜的厚度減小，其推力T1變大，相應地上油膜的厚度變大，其推力T2變小，那么這2個的合力也在變大，其大小與外載荷相等，方向與外載荷相反；當外載荷F外的作用方向向上，并不斷增加時，平面靜壓解耦的工作過程與上述正好相反[10-11]。

圖4 平面解耦裝置承載原理示意

1.2 平面靜壓解耦結構設計

平面解耦裝置設計的技術指標如表1所示。

表1 技術指標

在設計過程中[12]，一些參數對整體結構設計影響較小，文中將忽略這些影響，并在設計過程中作出以下假設：

(1)油膜設計厚度hd=0.02 mm，上油膜厚度h1、下油膜厚度h2的變化范圍為0.01～0.03 mm；

(2)始終保持上下油膜厚度之和h1+h2=0.04 mm。

在平面解耦裝置運行過程中，始終需要滿足以下條件才能保證其順利工作：

(1)

式中:T凈為油膜平均凈推力(N)；F總為預緊螺栓受到合力(N)；l為預緊螺栓長度(mm)；E為預緊螺栓彈性模量(MPa)；A為預緊螺栓橫截面積(mm2)。

另外，對壓力板2進行受力分析不難發現，當T2≥F0時，F總始終等于T2。下面將對幾種情況進行分析計算。

當外載荷為向下40 kN時，即F外=40 kN，設此狀態為平動機構的工作點C，此時h1=0.01 mm，h2=0.03 mm，并需要滿足以下條件：

(2)

當外載荷向上為40 kN時，即F外=40 kN，設此狀態為平動機構的工作點D，此時h1D=0.03 mm，h2D=0.01 mm，并需要滿足以下條件：

(3)

假設4p1A01=150 kN，代入到式(2)(3)中，則有：

(4)

(5)

綜合式(4)(5)可取ξ1=ξ2=0.5。

則當h1=h2=hd=0.02 mm時，對于預緊螺栓則有：

(6)

預緊螺栓采用30CrMnSi，其彈性模量E=1.96×105MPa，屈服強度σs≥800 MPa，若取l=80 mm，代入式(6)中可以求得螺栓半徑為r=12.7 mm，取預緊螺栓直徑為DL=26 mm。

預緊螺栓直徑是確定壓力板及平動板內、外徑尺寸的關鍵參數，為了滿足振動臺的位移要求，需要保證在振動臺運動過程中油膜能夠正常工作，因此壓力板、平動板、預緊螺栓之間的尺寸關系需要滿足圖5所示的要求，則壓力板的內徑dY=170 mm，平動板的內徑dP=98 mm。

圖5 壓力板、平動板、預緊螺栓之間的尺寸關系

壓力板的內徑確定之后，即可對其油膜的油墊結構進行設計，初步設計的結構如圖6(a)所示，等效為矩形油墊的結構如圖6所示，此時有a1=a2=30 mm，b1=b2=135 mm，c1=c2=10 mm，rint1=rint2=1.14 mm。

圖6 油墊結構

單個油墊的有效支撐面積則為

(7)

供油壓力為

(8)

對于油墊1，當h1=hd時其外流阻力為

(9)

那么節流器的進流阻力即為

(10)

假設節流器直徑dR=0.4 mm，對上式求解可得，節流器長度lR=17.4 mm，取lR=20 mm[13]。

2 平面靜壓解耦性能測試

2.1 油膜性能測試

按照上述結構參數設計平面靜壓解耦裝置后，采用壓力傳感器、電渦流位移傳感器對該平面靜壓解耦裝置的油膜承載能力、運行狀況進行了測試。平面解耦裝置性能測試現場連接如圖7所示，測試結果如表2所示，油膜承載力為53 kN，達到了技術指標要求。

表2 油膜承載性能

圖7 油膜特性測試連接

2.2 動態性能測試

采用電動振動臺系統對平面靜壓解耦裝置的一階頻率進行了動態性能測試，測試連接如圖8所示，測試曲線如圖9所示，測試頻率范圍為5～1 700 Hz，平面結構裝置的一階頻率為467.8 Hz，達到了設計要求。

圖8 一階頻率測試連接

圖9 一階頻率測試曲線

3 結論

國內外大量研究表明，多維振動是未來振動試驗技術發展的一個重要方向，因此對多維解耦技術的發展提出了迫切需求。文中提出了多維振動平面靜壓解耦設計方法，并對設計進行了試驗驗證。試驗結果表明：設計達到了預期目的。該設計方法同樣可以為其他形式的多維振動試驗系統液壓解耦裝置的結構設計提供必要的技術支撐和理論依據，從而推動多維振動試驗技術的不斷發展。