CN103822769A

CN103822769A - 三向测力环装置

Info

Publication number: CN103822769A
Application number: CN201410073478.7A
Authority: CN
Inventors: 岳志勇; 张俊刚; 李新明; 王剑; 王天罡; 王智勇
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本说明公开了一种三向测力环装置，包括由上工装、三向力传感器、下工装组成，上工装为圆环形状，下工装为空心正倒锥形，三向力传感器沿着上工装和下工装的圆环环状部分均匀分布，其中，上工装和下工装的上下表面分别具有特定的平面度和粗糙度。本发明的三向测力环装置可以满足目前国内大多数系统级航天器力限振动试验需要，其一阶固有频率满足大于航天器振动试验最高频率或大于航天器一阶固有频率3-5倍要求。

Description

三向测力环装置

技术领域

本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种用于系统级航天器振动试验，特别适用于模拟包带压紧方式的航天器力限振动试验中的三向测力环装置。

背景技术

在传统的航天器振动试验中，加速度控制方法得到了广泛应用。然而该方法在航天器产品共振频段存在着明显的缺陷，在振动试验过程中由于界面阻抗的不同使得航天器结构会经受远高于实际发射环境的加速度响应，即产生过试验问题，过试验会造成航天器上安装的天线、太阳翼、电源、各种敏感器等有效载荷分系统、部组件甚至是主结构的损坏，降低航天器工作的可靠性和寿命。

航天器力限振动试验方法是在传统的加速度控制方法的基础上，引入力响应限幅控制技术，试验中要求试验件同时满足加速度试验条件和力响应限幅控制条件。采用这种加速度与力双重控制的技术可以较真实的复现试验件在发射状态下系统共振时的响应情况，在很大程度上缓解由于试验件界面阻抗动力吸振效应引起的过试验问题，有效保护试验件的安全。

在国内外早期进行的航天器力限振动试验中，一股通过测量粘贴在航天器根部的应变来反推航天器根部受力情况，由于应变测量精度受环境温度、粘贴方式等因素的影响较大，因此利用应变测量力的方式得到的结果精度较差，影响了力限技术在工程化中的推广使用。随着高精度的压电式三向力传感器的研制成功，力限技术在国外开始得到了广泛应用。在国内，航天器进行力限振动试验存在的关键技术之一就是三向测力环装置的研制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航天器系统级力限振动试验中使用的三向测力环装置。通过该装置，可以满足航天器力限振动试验要求，解决航天器进行力限振动试验的关键技术问题。

本发明的三向测力环装置，包括由上工装、三向力传感器、下工装组成，上工装为圆环形状，下工装为空心正锥形，特殊情况也可以采用倒锥形，锥形的上端具有与上工装相同的圆环形状，锥形的下端同样为圆环形状，锥形角度保持在45度左右最佳，8个以上的三向力传感器沿着上工装和下工装的圆环环状部分均匀分布，圆环环状部分的宽度要大于三向力传感器的尺寸以便于彼此的稳定连接，其中，上工装采用硬质镁合金板或硬质铝合金板如锻镁或锻铝制造加工，下工装采用镁合金、铝镁合金、铝合金材料整体铸造加工，上工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=1.6um，并留有和航天器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有与三向力传感器的接口；下工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和三向力传感器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和振动台接口。

进一步地，三向力传感器的直线度应不大于0.5％；三向力传感器的滞后应不大于0.5％；三向力传感器的绝缘电阻应不小于10¹³Ω；三向力传感器的横向灵敏度应不大于主轴方向灵敏度的3％。

进一步地，三向力传感器采用压电式传感器，其尺寸和量程应根据试验件结构和试验量级来选择。

进一步地，三向测力环装置兼具振动试验夹具功能，其一阶频率应满足大于航天器振动试验最高频率或大于航天器一阶频率3倍，其强度满足航天器试验要求；

进一步地，上工装优先选用硬质镁合金板或硬质铝合金板如锻镁或锻铝制造加工，下工装优先选用镁合金、铝镁合金或铝合金材料整体铸造加工。

优选地，上工装的质量要小于试验件质量的十分之一。

优选地，三向力传感器选用出厂前已施加了预紧力的三向力传感器。

优选地，三向力传器的连接电缆应为低噪声电缆，连接电缆用胶带固定或线绳绑好，其电缆走向应使电磁干扰减至最小，三向力传感器与电缆接头应拧紧，防止因抖动而产生的磨擦电噪声；

优选地，上工装、下工装和三向力传感器之间通过螺栓连接，螺栓预紧力应能保证接触面之间配合紧密，保证力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，保证力测量装置在承受纵向或横向力时，多个力传感器之间受力均匀。

本发明的三向测力环装置，由于上工装采用硬质镁合金板或硬质铝合金板如锻镁或锻铝制造，下工装采用镁合金、铝镁合金或铝合金材料整体铸造，因此可以保证该装置的刚度质量比、经济性能在航天器系统级振动试验中为最优选择；平面度、粗糙度的要求，可以保证上下工装和力传感器之间接触紧密，多个力传感器在纵向和横向振动试验时受力均匀；上下工装的结构形式可以确保适应国内大多数型号卫星力限试验的需求。

附图说明

图1为本发明的三向测力环装置的示意图；

其中，1－上工装；2－三向力传感器；3－下工装。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

下面结合附图对本发明的三向测力环装置作进一步说明。

图1显示了本发明的三向测力环装置，该装置包括由上工装1、三向力传感器2、下工装3组成，上工装1为圆环形状，下工装为空心正锥形，如附图所示(特殊情况也可以采用倒锥形，一股不采用直筒形)，锥形的上端具有与上工装相同的圆环形状，锥形的下端同样为圆环形状，锥形角度保持在45度左右最佳，8个以上的三向力传感器例如压电式力传感器，沿着上工装和下工装的圆环环状部分均匀分布，圆环环状部分的宽度要大于三向力传感器的尺寸以便于彼此的稳定连接，其中，上工装采用硬质铝合金板如锻铝制造，下工装采用铝合金材料整体铸造，上工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=1.6um，并留有和航天器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有与三向力传感器的接口；下工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和三向力传感器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和振动台接口。在连接过程中，三向力传器的连接电缆通常采用低噪声电缆，连接电缆用胶带固定或线绳绑好，其电缆走向应使电磁干扰减至最小，三向力传感器与电缆接头应拧紧，防止因抖动而产生的磨擦电噪声；

在一实施方式中，三向力传感器的直线度应不大于0.5％；三向力传感器的滞后应不大于0.5％；三向力传感器的绝缘电阻应不小于10¹³Ω；三向力传感器的横向灵敏度应不大于主轴方向灵敏度的3％；使用这样的三向力传感器，可以保证测量得到的力精度小于3％，远小于早期力限振动试验中使用应变测量力时10％的精度。

在又一实施方式中，三向测力环装置兼具振动试验夹具功能，其一阶频率应满足大于航天器振动试验最高频率或大于航天器一阶频率3倍，其强度满足航天器试验要求；

在再一实施方式中，三向力传感器选用出厂前已施加了预紧力的三向力传感器。如果出厂前没有施加预紧力，则应在试验前利用三向测力环装置施加预紧力，且预紧力应大于力传感器在振动试验中可能受到的最大力、小于生产商规定的最大力，并保证力传感器和工装界面处有足够的摩擦力而不会产生相对滑动。

在再一实施方式中，根据航天器的质量、质心高度、振动量级特点，本发明的三向测力环装置使用了个三向力传感器，采用均匀分布方式，安装在上工装和下工装之间，上工装上表面和航天器连接，下工装下表面和振动台连接。上工装为圆环状，采用锻铝加工；下工装为空心的正圆锥形状，采用ZL104A铸造加工。三向测力环装置具有传统加速度控制振动试验中试验夹具功能，并能够同时测量航天器振动试验时所受的力和力矩(需要配套力信号调节系统和测量系统)。对三向测力环装置进行了有限元仿真分析，其一阶频率大于航天器振动试验最高频率，且上工装质量小于航天器质量的十分之一；其强度满足要求，且其中上工装与下工装的刚度质量比足够大且适应国内系统级航天器研制的经济性要求。

其中，三向力传感器选择使用市场上成熟商品kistler9377C压电式三向力传感器，单个三向力传感器纵向量程15吨、横向量程7.5吨，满足航天器振动试验力测量范围要求；三向力传感器的各项技术指标均满足试验要求，并在使用前进行二级检定。

然后，再根据航天器接口要求、振动台接口要求、三向力传感器接口要求，提出上下工装加工要求，特别是本发明人经过长期摸索，发现通过控制上下工装上下表面的平面度和粗糙度，使得上下工装与三向力传感器的接触更加充分并能够通过螺钉产生很好的预紧效果，从而可以保证单个力传感器在三个轴向的测量精度满足要求、多个力传感器之间受力均匀，且三向测力环的纵向和横向测量范围均可以达到满量程。在一具体的事实方式中，上工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=1.6um，通过压环和航天器连接，压环通过连接螺钉固定在上工装上表面；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和8个三向力传感器接口，每个三向力传感器通过4个连接螺钉固定在上工装下表面。提出下工装加工要求，下工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，并留有和8个三向力传感器接口，每个三向力传感器通过4个连接螺钉固定在下工装上表面；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度为Ra=3.2um，通过48个连接螺钉和振动台连接。如果对接触面的平面度和粗糙度的要求不高，则会出现单个力传感器测量不准确、多个力传感器之间受力不均匀，从而降低力测量的精度和测力环的测量范围，甚至出现单个力传感器过载问题。

上下工装加工完成后，进行三向测力环安装，在安装时应注意：

上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间通过螺栓连接，螺栓预紧力应能保证接触面之间配合紧密，保证力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，保证力测量装置在承受纵向或横向力时，多个力传感器之间受力均匀，对于kistler9377C三向力传感器，推荐螺钉拧紧力矩如下表：

三向测力环安装完毕后，应进行振动试验验收，在验收时应注意：

)在整个试验频率范围内，三向测力环与航天器连接面上的各点响应应均匀；

)三向测力环的一阶固有频率应高于航天器振动试验最高频率，当无法满足时，三向测力环的一阶固有频率应至少高于航天器一阶固有频率的倍；

c)三向测力环应经验收合格。

三向测力环在使用前还应进行力测量的有效性校核，有效性校核满足要求后方可投入使用。

使用本发明的三向测力环进行使航天器力限振动试验，在产品共振频率附近的控制精度小于8％；而传统的加速度控制方法在产品共振频率处精度较差，一股在10％左右，且多数系统级航天器控制精度大于10％；即采用该测量装置进行力限振动试验时，在共振频率处的控制精度比使用传统的加速度控制方法的控制精度一股要提高2％以上。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.三向测力环装置，包括由上工装、三向力传感器、下工装组成，上工装为圆环形状，下工装为空心正锥形，锥形的上端具有与上工装相同的圆环形状，锥形的下端同样为圆环形状，8个以上的三向力传感器沿着上工装和下工装的圆环环状部分均匀分布，圆环环状部分的宽度要大于三向力传感器的尺寸以便于彼此的稳定连接，其中，上工装采用硬质镁合金板或硬质铝合金板制造，下工装采用镁合金、铝镁合金或铝合金材料整体铸造，上工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度Ra=1.6um，并留有和航天器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度Ra=3.2um，并留有与三向力传感器的接口；下工装上表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度Ra=3.2um，并留有和三向力传感器接口；其下表面的平面度为0.1mm／m²，表面粗糙度Ra=3.2um，并留有和振动台接口。

2.如权利要求1所述的三向测力环装置，其中，三向力传感器的直线度应不大于0.5％；三向力传感器的滞后应不大于0.5％；三向力传感器的绝缘电阻应不小于10¹³Ω；三向力传感器的横向灵敏度应不大于主轴方向灵敏度的3％。

3.如权利要求1所述的三向测力环装置，其中，锥形角度保持在45度左右。

4.如权利要求1所述的三向测力环装置，其中，三向力传感器采用压电式传感器，其尺寸和量程应根据试验件结构和试验量级来选择。

5.如权利要求1所述的三向测力环装置，其中，三向测力环装置兼具振动试验夹具功能，其一阶频率应满足大于航天器振动试验最高频率或大于航天器一阶频率3倍，其强度满足航天器试验要求。

6.如权利要求1所述的三向测力环装置，其中，上工装为锻镁、锻铝、铸镁或铸铝加工，下工装为镁合金、铝镁合金或铝合金材料整体铸造加工。

7.如权利要求1-6任一项所述的三向测力环装置，其中，上工装的质量要小于试验件质量的十分之一。

8.如权利要求1-6任一项所述的三向测力环装置，其中，三向力传感器选用出厂前已施加了预紧力的三向力传感器。

9.如权利要求1-6任一项所述的三向测力环装置，其中，上工装、下工装和三向力传感器之间通过螺栓连接，螺栓预紧力应能保证接触面之间配合紧密，保证力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，保证力测量装置在承受纵向或横向力时，多个力传感器之间受力均匀。