CN104458179A - 带有扩展台面的四台并激垂直振动试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含扩展台面的四台并激垂直振动试验系统，其包括：4个振动台台体、4个外侧耳轴支座、2个内侧耳轴支座、1个扩展台面、8对Pad轴承、4个外围支座、1个轴承安装框架、4个动框转接头、1个中央空气弹簧支座、4个外围空气弹簧支座、8个空气弹簧和8个支撑块。其中，内侧耳轴支座位于2个外侧耳轴支座的中间，4个振动台台体分别支撑在内外侧耳轴支座之间，4个振动台台体分别通过动框转接头与上方的扩展台面连接，四周对称分布的两层共8对Pad轴承约束扩展台面沿竖直方向运动，Pad轴承通过预加载横向载荷实现系统抗倾覆力矩，扩展台面通过底部中央和四周共5处空气弹簧实现静载支撑。

Description

带有扩展台面的四台并激垂直振动试验系统

技术领域

本发明属于大型振动试验设备研制技术领域，具体涉及一种用于四台并激垂直振动试验系统的扩展台面。

背景技术

在航天、航空、车辆等工程领域，产品都是在一定的振动环境中工作，结构共振是其运行过程中发生故障的主要原因之一。振动试验作为检验产品可靠性与动强度的一种有效手段，已经广泛应用于产品性能考核和动强度鉴定中。完成振动试验主要设备是振动台，垂直扩展台面是振动台的重要组成部件。

扩展台面用于提供振动台与试件之间的接口。当试件尺寸超过振动台原有接口尺寸时，必须设计扩展台面，以起到扩大接口的作用。常见的小型扩展台面往往仅具有与振动台连接的接口，但是当扩展台面尺寸增大、高度增高、重量增加时，振动台本身的负载能力将无法满足要求，且扩展台面的横向稳定性也会明显变差。

本发明所论述的扩展台面除具有与振动台之间的连接接口外，还具有与导向系统、支撑系统连接的接口，可以克服常见小型扩展台面上述缺点，但在结构复杂性、设计难度上不可同日而语。扩展台面覆盖四个振动台驱动力输出接口区域范围，可以提供更大的接口使用面积。由于使用四个振动台并联同步激励，可以获得4倍于单个振动台的驱动力，但在扩展台面的设计上，从重量、刚度、传递均匀性上需要综合考量，使其获得最佳的力学性能。另外，抗倾覆力矩指标的满足同样非常重要，该指标主要受轴承选型、布局以及台面高度的影响与制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于4×350kN四台并激系统的垂直扩展台面，台面尺寸不小于3.5m×3.5m，重量＜10吨，最大安全抗倾覆力矩>200kN·m，最大静载指标为40吨，支撑系统一阶频率＜2Hz，工作状态一阶摇摆频率>45Hz，可用于大质量航天器系统级及大型产品的振动试验。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

四台并激垂直振动试验系统，其包括：4个振动台台体、4个外侧耳轴支座、2个内侧耳轴支座、1个扩展台面、8对Pad轴承、4个外围支座、1个轴承安装框架、4个动框转接头、1个中央空气弹簧支座、4个外围空气弹簧支座、8个空气弹簧和8个支撑块，其中，内侧耳轴支座位于2个外侧耳轴支座的中间，4个振动台台体分别支撑在内外侧耳轴支座之间，4个振动台台体分别通过动框转接头与上方的扩展台面连接，四周对称分布的两层共8对Pad轴承约束扩展台面沿竖直方向运动，Pad轴承通过预加载横向载荷实现系统抗倾覆力矩，扩展台面通过底部中央和四周共5处空气弹簧实现静载平衡。

其中，内侧耳轴支座为两个振动台所公用，耳轴支座采用钢板焊接，空腔中灌注混凝土。

其中，采用四周双层对称的方式分布导向轴承，导向轴承采用Pad轴承，通过施加大载荷的预加载力实现高抗倾覆力矩指标。

其中，四个振动台呈正方形分布，振动台与扩展台面之间通过转接头方式连接。

其中，扩展台面采用镁合金板材焊接结构。

其中，用于安装Pad轴承和承载预加载载荷的结构采用钢板焊接框架式构件。

其中，Pad轴承安装框架下方的外围支座中通过灌注混凝土提高框架底部承载能力。

由于四个振动台的布局决定了扩展台面的尺寸比较大，为了减少扩展台面对振动台推力的负面影响，应使其重量应尽可能轻。镁合金材料相比较便宜的铝合金材料，比重小1/3，并且比刚度、材料阻尼与铝合金相当，是振动试验设备的常用材料，扩展台面的材料首先确定选择镁合金。

扩展台面采用多边形构型、网格状结构、板材焊接方式，具备加工可行性，避免了类似尺寸的大型镁合金构件铸造的质量风险和时间成本。

为满足扩展台面的抗倾覆力矩指标，周边选用8对TEAM公司生产的Pad轴承、双层布局，其中单侧轴承为预加载式，通过液压加载222kN载荷实现抗倾覆能力的同时，提供导向作用。台面底部采用封闭构型，可以有效提高其固有频率。

扩展台面底部采用空气弹簧实现支撑，为了达到40吨静载指标，且满足系统一阶支撑频率小于2Hz，对市场上的现有产品进行指标筛选，采用了8气囊布局方式，4个气囊组合在一起，位于台面底部中央，另4个气囊分散在台面四周。该系统通过一路气源同时供气，保证压力均一、工作同步，且与振动台自身静载相互独立。

设计辅助支撑系统，用于安装扩展台面导向用的Pad轴承，同时通过导向系统承担扩展台面的横向载荷。辅助支撑系统也包括支撑气囊下方的支座，用于承载扩展台面的自重。

国内扩展台面构型一般采用铸造构型，造成台面重量偏大，对振动台的推力损耗较大，影响整个系统的性能指标。采用镁合金板材焊接方式加工，避免了镁合金大型铸件熔铸难度大、风险高的问题，是现有技术条件下该尺寸大型镁合金振动扩展台面唯一可行的加工方式。

国内大型扩展台面构型，由于采用整体铸造方式，底部一般为非封闭构型。本发明采用底部封闭方式，增重很小，但却可以大幅提高台面的固有频率，从而提高了振动系统的试验可靠性。

经过计算选型选择了需进行预加载的PAD轴承，8对轴承双层布局。该种形式的静压轴承，相对常用的710型轴承而言，承载能力具有明显的优势，并且可以将整个系统的调试难度大大降低。

空气弹簧承载共有5处，即中央1处，四周4处均布。载荷分布均匀，且独立承载，与振动台自身静载系统不发生干涉。在空间布局上，保证了人员操作的空间。

辅助支撑系统可承担扩展台面的横向载荷，其刚性可满足振动系统一阶摇摆频率的设计要求，且可实现台面联调后的状态固化和整体吊装，可实现系统的快速组装和状态恢复。

附图说明

图1为本发明四台并激垂直振动试验系统的俯视图；

图2为本发明四台并激垂直振动试验系统的正视图；

图3为本发明四台并激垂直振动试验系统的侧视图；

图4为本发明四台并激垂直振动试验系统中振动台布局的俯视图；

图5为本发明四台并激垂直振动试验系统的下方支座示意图；

其中，1.扩展台面2.振动台3.预加载Pad轴承4.被动式Pad轴承5.轴承安装框架6.外围支座7.外围空气弹簧支座A 8.中央空气弹簧支座9.外围空气弹簧支座B 10.扩展台面限位支撑块11.外侧耳轴支座12.内侧耳轴支座13.动框转接头14.中央空气弹簧组件15.外围空气弹簧组件16.预加载Pad轴承安装板17.被动式Pad轴承安装调节组件18.Pad轴承滑动板19.扩展台面箱体结构20.扩展台面动框转接头接口21.扩展台面底板22.底板动框转接头连接缺口。

图6为四台并激垂直振动试验系统中的内侧耳轴支座示意图；

图7为四台并激垂直振动试验系统中的外侧耳轴支座示意图；

图8为四台并激垂直振动试验系统中的轴承安装框架示意图；

图9为四台并激垂直振动试验系统中的外围支座示意图；

图10为四台并激垂直振动试验系统中的中央空气弹簧支座示意图；

图11为四台并激垂直振动试验系统中的外围空气弹簧支座A示意图；

图12为四台并激垂直振动试验系统中的外围空气弹簧支座B示意图；

图13为四台并激垂直振动试验系统中的扩展台面限位支撑块示意图；

图14为四台并激垂直振动试验系统中的空气弹簧组件示意图；

图15为四台并激垂直振动试验系统中的中央空气弹簧组件安装就位示意图；

图16为四台并激垂直振动试验系统中的动框转接头示意图；

图17为四台并激垂直振动试验系统中的扩展台面组件仰视图；

图18为四台并激垂直振动试验系统中的扩展台面组件主视图；

图19为四台并激垂直振动试验系统中的扩展台面仰视图；

图20为四台并激垂直振动试验系统中的扩展台面底板俯视图；

具体实施方式

下面结合上节中所附的图对本发明涉及的技术细节进行展开说明，各图中相同的部件使用同样的编号代表。

参见图1-图3，分别显示了本发明四台并激垂直振动试验系统的俯视图、正视图和侧视图。如图所示，本发明的四台并激垂直振动试验系统，包括：4个振动台台体2、4个外侧耳轴支座11、2个内侧耳轴支座12、1个扩展台面1、8对Pad轴承(包括预加载Pad轴承3与被动式Pad轴承4)、4个外围支座6、1个轴承安装框架5、4个动框转接头13、1个中央空气弹簧支座8、4个外围空气弹簧支座(包括外围空气弹簧支座A 7和支座B 9)、8个空气弹簧(其中4个构成中央空气弹簧组件14，另4个独立构成外围空气弹簧组件15)和8个扩展台面限位支撑块10。其中，内侧耳轴支座12位于2个外侧耳轴支座11的中间，4个振动台台体2分别支撑在内外侧耳轴支座12之间，4个振动台台体2分别通过动框转接头13与上方的扩展台面1连接，四周对称分布的两层共8对Pad轴承3约束扩展台面1沿竖直方向运动，Pad轴承3通过预加载横向载荷实现系统抗倾覆力矩，扩展台面1通过底部中央和四周共5处空气弹簧实现静载平衡。

参见图1，扩展台面上端面分布了6圈共320个M16螺孔，作为试件(或工装)与台面的连接接口。

参见图3，导向轴承安装在Pad轴承安装框架5上，16、17为预留的设计安装空间，可容纳轴承安装板和安装调节组件。Pad轴承安装框架座落于位于振动台周边的外围支座6上，扩展台面在工作时，预加载式轴承施加222kN载荷，该载荷将扩展台面的箱体构型压紧至被动式轴承上，并且最终由Pad轴承安装框架承载。台面箱体构型侧面设计安装有表面光滑的钢制滑动板，滑动板与Pad轴承之间形成油膜滑动面，扩展台面处于8对轴承的夹持中，利用8个滑动面进行往复运动。当由于试件偏心而使台面产生倾覆力矩时，由被动侧轴承的受力变化产生抗倾覆力矩。最大抗倾覆力矩为：222kN×0.8m×2＝355kN·m，允许倾覆力矩为235kN·m，安全系数为1.5。

参见图4，图4为本发明四台并激垂直振动试验系统中振动台布局的俯视图。从图中可以看出，4个振动台采用对称布局，间距为2250mm，通过4个外侧耳轴支座(11)和2个公用的内侧耳轴支座12实现支撑。

参见图5，图5显示了本发明四台并激垂直振动试验系统的下方支座、空气弹簧组件、动框转接头的位置示意图。从图中可以看出，由于扩展台面下方的空间限制，其与振动台无法采用直接连接的方式，而是采用4个转接头13进行间接连接。扩展台面下方共5处位置通过8个空气弹簧进行支撑。处于内侧耳轴支座12处的空气弹簧则坐落在外围空气弹簧支座B 9上，该支座安装在内侧耳轴支座12平台上。

参见图6，图6为本发明的内侧耳轴支座12示意图。从图中可以看出，内侧耳轴支座拥有两块耳板，用于同时承载两个振动台的单侧耳轴。

参见图7，图7为本发明的外侧耳轴支座11示意图。从图中可以看出，外侧耳轴支座仅拥有一块耳板，用于承载一个振动台的单侧耳轴。

参见图8，图8为轴承安装框架5示意图。

参见图9，图9为外围支座6示意图。

参见图10，图1为中央空气弹簧支座8示意图。

参见图11，图11为外围空气弹簧支座A 7示意图。处于外侧耳轴支座11中间位置处的外围空气弹簧组件15坐落在外围空气弹簧支座A 7上。该支座直接落地、中部开口，用于人员出入的空间。

参见图12，图12为外围空气弹簧支座B 9示意图。

参见图13，图13为扩展台面限位支撑块10示意图。当空气弹簧不工作时，可采用支撑块10实现非工作状态的台面支撑。当空气弹簧充气后，扩展台面升起，振动试验开始前，可将支撑块取下。

参见图14，图14为外围空气弹簧组件15示意图。

参见图15，图15为中央空气弹簧组件14与中央空气弹簧支座的安装关系示意图。中央空气弹簧组件14采用4个空气弹簧并联分布，通过一块整板与台面连接，4个空气弹簧的下端面同样用一块整板连接，安装在中央空气弹簧支座8上。

参见图16，图16为动框转接头13示意图。每个转接头下端面使用40个M20螺钉与振动台动圈上的螺纹接口固连，上端面使用24个M20螺钉与扩展台面固连。

参见图17，图17为扩展台面与导向轴承(包括预加载Pad轴承3与被动式Pad轴承4)、动框转接头13、中央空气弹簧组件14的组合体仰视图。扩展台面为16边形构型，与振动台的接口处于台面外缘，呈对称分布。台面四周的箱体构型(19)作为与导向轴承(3、4)的接口。中央空气弹簧组件位于扩展台面底部中央位置。

参见图18，图18为扩展台面与导向轴承(包括预加载Pad轴承3与被动式Pad轴承4)、动框转接头13、中央空气弹簧组件14的组合体正视图。导向轴承分为预加载式轴承(3，TEAM公司410-09s型PAD轴承)和被动式轴承(4，TEAM公司410-09型PAD轴承)，上下双层布局，间距为800mm。

参见图19，图19为扩展台面内部筋板布局示意图，图中可以看到扩展台面箱体结构19和动框转接头接口20对称分布于台面四周。

参见图20，图20为扩展台面封闭板俯视图，封闭板与扩展台面底部筋板之间螺接。动框转接头连接缺口22用于避让动框转接头，让其与台面底部筋板直接螺接。

空气弹簧承载包括所有运动部分的质量，总重约10吨。空气弹簧总承载指标为40+10＝50吨。空载时，系统固有频率为1.43Hz，满载时，系统固有频率为1.2Hz。扩展台面采用封闭构型，可以提高其固有频率，扩展台面自身的一阶频率为142Hz。

辅助支撑系统(包括轴承安装框架5、外围支座6)的设计，保证系统具有较好的频率特性，系统一阶摇摆频率为51.5Hz。

为了提高辅助支撑系统的刚性，轴承安装框架5与外围支座6均采用内部网格状筋板形式。从加工工艺角度考虑，为了使焊缝不过于集中从而影响结构的焊接强度，将内部筋板设计为长短错落、相互穿插方式，大部分焊缝均可以单侧满焊，尽量减少了塞焊或点焊的区域。

同样，外围支座6也对内部筋板的样式做了优化设计，采用T型焊接结构，避免了不利于焊接的十字形交叉结构。每个外围支座的内部筋板采用了三块整体式筋板和多块小板组合方式，为了保证4处外围支座整体的对称性，对每个外围支座中三块整体式筋板板的走向进行交替布置，使其在水平任何一个方向上受力时，均能有一个外围支座在该方向上有整体式筋板支撑。另外，为了增加外围支座的刚度，需在外围支座6内部空腔灌注混凝土。因此，在外围支座上方开若干灌浆孔和排气孔，同时在筋板上开贯通孔，便于空腔之间浆料的流通，灌浆孔可用于灌浆和捣实，为了保留外围支座顶板的强度，灌浆孔数量尽可能少、尺寸尽可能小，为了确保灌浆密实，可以分步灌浆、捣实，且最后5cm间隙换用环氧充填。

综上所述，用于四台并激垂直系统的扩展台面是一个复杂的系统，该发明从设计和制造工艺、成本上均作了认真的权衡和取舍，满足设计指标要求的同时，具备了可行性。

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 (8)

1.四台并激垂直振动试验系统，其包括：4个振动台台体、4个外侧耳轴支座、2个内侧耳轴支座、1个扩展台面、8对Pad轴承、4个外围支座、1个轴承安装框架、4个动框转接头、1个中央空气弹簧支座、4个外围空气弹簧支座、8个空气弹簧和8个支撑块，其中，内侧耳轴支座位于2个外侧耳轴支座的中间，4个振动台台体分别支撑在内外侧耳轴支座之间，4个振动台台体分别通过动框转接头与上方的扩展台面连接，四周对称分布的两层共8对Pad轴承约束扩展台面沿竖直方向运动，Pad轴承通过预加载横向载荷实现系统抗倾覆力矩，扩展台面通过底部中央和四周共5处空气弹簧实现静载平衡。

2.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，内侧耳轴支座为两个振动台所公用，耳轴支座采用钢板焊接，空腔中灌注混凝土，以较小的造价改善耳轴支座的频率特性和阻尼特性。

3.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，采用四周双层对称的方式分布导向轴承，导向轴承采用Pad轴承，通过施加大载荷的预加载力实现高抗倾覆力矩指标。

4.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，四个振动台呈正方形分布，振动台与扩展台面之间通过转接头方式连接。

5.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，扩展台面下方采用中央和四周共5处空气弹簧实现静载支撑。

6.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，扩展台面采用镁合金板材焊接结构。

7.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，用于安装Pad轴承和承载预加载载荷的结构采用钢板焊接框架式构件。

8.如权利要求1所述的四台并激垂直振动试验系统，其中，Pad轴承安装框架下方的外围支座中通过灌注混凝土提高框架底部承载能力、改善系统频率特性。