CN105547628B - 振动‑加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动‑加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，振动‑加速度试验设备包括离心机、振动台和配重块，振动台和配重块分别安装于离心机的转臂的两端，振动反作用力主动平衡装置中，励磁电磁铁固定安装于离心机的转臂的一端且位于配重块的外侧，多个控制电磁铁安装于与励磁电磁铁等高的位置且围绕励磁电磁铁旋转虚拟圆分布，两个力传感器分别安装于转臂上，两个力传感器的信号输出端依次与信号调理器、检测控制器、两个功率放大器连接，两个功率放大器的信号输出端分别与励磁电磁铁和控制电磁铁连接。本发明通过对振动台产生的振动反作用力进行主动平衡，实现显著的力平衡效果，进而达到降低离心机主轴振动的目的。

Description

振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置

技术领域

本发明涉及一种振动反作用力平衡装置，尤其涉及一种振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置。

背景技术

振动-加速度试验(或者称为“振动-加速度综合环境试验”)方法在高速飞行器可靠性试验以及地震模拟等方面有着广泛的使用需求和应用价值。与传统单独试验的方法相比，使用振动-加速度试验方法可以更为准确地模拟实际工作环境，有利于及早发现产品潜在的故障与风险。

目前环境试验方法，振动试验与加速度试验往往是分别独立进行的，而对于高速飞行的装置如导弹、航天飞机、宇宙飞船等，在加速飞行状态下，受到加速度与振动等多种环境因素的综合作用。一方面，高加速度使得内部装置和设备承受巨大的惯性力而产生超重现象；另一方面，发动机振动、气动结构响应等引起的振动容易对内部装置和设备造成损坏。单独使用振动试验、加速度试验手段，不能有效地预测综合环境影响下设备的可靠性，因此开展振动-加速度综合环境试验，可以有效地预测在单一环境试验下无法估计的潜在故障，有利于进一步提高高速飞行器设备的使用可靠性。

地震模拟方面，研究岩土工程抗震问题的基本方法主要包括震灾调查、数值模拟与理论分析和模型试验，其中振动-加速度试验方法是目前模型试验领域最有效的、最先进的方法。通过研究缩尺模型在高g值环境状态下的振动响应，可以研究真实结构在地震载荷作用下的变形与破坏机制，从而有效地对民房建筑、桥涵大坝等结构的抗震性能进行考核，并提供相关试验数据。

开展振动-加速度试验，需要振动-加速度试验设备，即将振动台安装在离心机转臂上。离心机旋转产生加速度环境，振动台提供正弦振动、随机振动等振动环境。试验过程中，随着振动台的不断振动，振动台的振动反作用力通过离心机转臂传递到离心机主轴上，对离心机主轴造成振动冲击，轻则降低离心机主轴回转精度，重则造成离心机主轴的损坏，降低离心机主轴的使用寿命。因此，振动-加速度试验中，对于振动台振动反作用力控制的好坏，不仅仅影响试验效果的好坏，更会影响试验安全。

应用于振动-加速度试验的振动反作用力主动平衡装置，应满足以下几个重要性能要求：1)离心机高速运转时，离心机转臂端部受到巨大的离心力，附加的振动反作用力主动平衡装置需能承受巨大的离心力。2)振动反作用力主动平衡装置的频率应能满足2～2000Hz的使用频率范围，主动平衡能力应不小于振动台的最大推力。3)振动反作用力主动平衡装置产生的振动主动平衡力应与振动台产生的振动反作用力在离心机主轴处相互平衡。

作为航天航空以及地震模拟等相关领域迫切需要的环境试验设备，振动-加速度试验设备的研制成为国内外相关研究的热点，相继开发了多款应用于综合环境试验以及地震模拟的振动-加速度试验设备，安装在离心机上的振动台也具有多样性，包括电液振动台、电动振动台、压电式激振系统以及爆炸式激振系统等。当前应用最广最多的还是附加电液振动台和电动振动台的振动-加速度试验设备。

振动-加速度试验中，对振动台产生的振动冲击隔振的好坏直接影响到试验效果的好坏以及试验安全，因此隔振技术成为振动-加速度试验设备开发的一个关键技术。

对于安装电液振动台的振动-加速度试验设备，常见的隔振装置主要有三种，分别为柔性带(或柔性板)隔振、橡胶隔振、空气弹簧支撑隔振。英国剑桥大学的弹簧作动振动台采用的是柔性带(或柔性板)隔振的方法，采用此种方法，主要是将振动台当作独立的系统，并将振动台与离心机用柔性带连接起来，振动台实际为悬吊在离心机上的状态。

2002年，西安交通大学与总体所共同研制了一款橡胶隔振装置，如图1所示，其中，上圈31与下圈33分别与振动台和离心机转臂用螺栓连接，上圈31与下圈33可用A3或45号钢制成，起到连接振动台与离心机转臂以及支撑振动台的作用，阻尼部分采用软橡胶32作为阻尼材料，把软橡胶32填充在上圈31与下圈33之间，达到三向减振的效果，性能测试表明该隔振装置接近数值分析的理想连接刚度和阻尼，可以达到较好的隔振效果。当前国内外设计生产制造的电动振动台多采取的是空气弹簧支撑的隔振方式，效果较明显，但是由于空气弹簧支撑隔振装置的固有频率较低(小于5Hz)，在进行低频振动(振动频率小于5Hz)时，容易引起共振，反而加剧振动冲击。

对于安装电动振动台的振动-加速度试验设备，由于多采用的是小推力电动振动台与离心机固定连接的方式，似乎没有采取明显的隔振措施，这可能是由于振动台的推力不大，离心机转臂起到了很大的缓冲质量作用，离心机主轴与转臂的连接部位通过优化设计，使其能够承受转臂传递过来的振动力。随着振动-加速度试验对象由部件级向整体级不断发展，合适的隔振装置设计也成为安装有电动振动台的振动-加速度试验设备开发的关键技术。

综上，传统的振动-加速度试验设备，采用的振动反作用力平衡装置基本为被动式，即缓冲隔振装置。常见的隔振装置主要有三种：1)柔性带(或柔性板)隔振，一般结构是将振动台使用柔性带与离心机连接在一起，振动台悬吊在离心机上。2)橡胶隔振，就是在振动台与离心机转臂之间放置一层厚厚的橡胶，试验结果表明，橡胶隔振可以吸收大于2/3的振动。3)空气弹簧支撑隔振，效果较明显。

上述振动反作用力平衡装置和方法均为被动式的振动控制方法，从一定程度上降低传递到离心机主轴处的振动反作用力，进而降低振动反作用力对离心机主轴的影响。被动式的隔振方法，存在着一定的缺点：1)虽然可以通过隔振装置降低传递到离心机主轴处的振动大小，但是仍有剩余振动冲击载荷，离心机主轴依然承受振动冲击载荷的作用。2)随着振动-加速度试验要求以及所需振动台推力的不断提高，经过被动式隔振装置隔振后，传递到离心机主轴处的剩余振动冲击载荷相应提高，使得离心机主轴的工作环境更加恶化。3)采用空气弹簧支撑隔振方法，虽然效果较明显，但是由于空气弹簧支撑隔振装置的固有频率较低(低于5Hz)，当进行振动频率低于5Hz的振动时，空气弹簧支撑隔振装置会产生共振，不但不会对振动反作用力产生隔振效果，反而会增大传递到离心机主轴处的振动，加剧对离心机主轴的冲击，因此当采用空气弹簧支撑隔振时，试验频率往往要高于5Hz，当需要进行更低频率的振动时，需要将空气弹簧支撑隔振装置屏蔽掉。

存在上述缺点的根本原因就在于，传统隔振技术采用的是被动式的隔振方法，只能在一定程度上削弱传递到离心机主轴处的振动反作用力的大小，但离心机主轴却始终承受振动冲击载荷，而不能从根本上平衡此振动冲击载荷对离心机主轴造成的弯曲变形与倾覆作用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种对振动台产生的振动反作用力进行主动平衡的振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，所述振动-加速度试验设备包括离心机、振动台和配重块，所述振动台和所述配重块分别安装于所述离心机的转臂的两端且位于所述离心机的主轴的两侧，所述振动反作用力主动平衡装置包括励磁电磁铁、控制电磁铁、第一力传感器、第二力传感器、信号调理器、检测控制器、第一功率放大器和第二功率放大器，所述励磁电磁铁固定安装于所述离心机的转臂的一端且位于所述配重块的外侧，多个所述控制电磁铁安装于与所述励磁电磁铁等高的位置且均匀分布于所述励磁电磁铁随所述转臂旋转时形成的虚拟圆的外周，所述第一力传感器和所述第二力传感器分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置，所述第一力传感器的信号输出端和所述第二力传感器的信号输出端分别与所述信号调理器的信号输入端连接，所述信号调理器的信号输出端与所述检测控制器的检测信号输入端连接，所述检测控制器的控制信号输出端分别与所述第一功率放大器的信号输入端和第二功率放大器的信号输入端连接，所述第一功率放大器的信号输出端与所述励磁电磁铁的控制信号输入端连接，所述第二功率放大器的信号输出端分别与多个所述控制电磁铁的控制信号输入端连接。

上述结构中，励磁电磁铁用于在检测控制器的控制下产生恒定电磁场，该电磁场与控制电磁铁的电磁场相互作用，实现利用控制电磁铁和励磁电磁铁控制转臂平衡的目的；控制电磁铁用于在检测控制器的控制下产生交变电磁场，该电磁场与励磁电磁铁的电磁场相互作用，实现利用控制电磁铁和励磁电磁铁控制转臂平衡的目的；第一力传感器用于检测振动台试验过程中产生的振动反作用力，第二力传感器用于振动主动平衡力控制反馈，这两个检测信号均用于对检测控制器的实时输出信号进行实时调节；信号调理器用于对第一力传感器和第二力传感器产生的微弱的力信号进行放大，进而将调理后的力信号传输到检测控制器；检测控制器是整个振动反作用力主动平衡装置的核心部件，通过此器件，对检测到的振动反作用力的大小和相位进行采集分析，得到所需的振动主动平衡力的大小和相位，根据励磁电磁铁和控制电磁铁的相互作用特性，求解得到所需的励磁电流和控制电流的大小和方向，并向两个功率放大器发出控制信号；检测控制器的硬件采用现有技术的常规结构，主要包括数据采集卡、计算机、数据采集软件系统、数据分析系统以及控制电路，检测控制器的软件根据应用需求采用通用程序即可实现；检测控制器由于振动反作用力的最大频率为2000Hz，采样只针对两路力传感器信号，因此数据采集卡以及数据采集软件系统的采样频率应大于20kHz，通道数至少为2路；第一功率放大器和第二功率放大器分别用于对检测控制器发出的控制信号中的励磁电流和控制电流进行放大处理，并将放大后的励磁电流和控制电流分别引入到励磁电磁铁和控制电磁铁的线圈中。

优选地，所述控制电磁铁与所述励磁电磁铁相互正对安装且相邻的所述控制电磁铁之间的间隙尽量小。

具体地，所述励磁电磁铁和所述控制电磁铁均为环形电磁铁，线圈放置在铁心与轭铁之间的环形槽内。

优选地，所述振动-加速度试验设备还包括振动台功率放大器，所述振动台功率放大器和所述第一功率放大器分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置。

进一步，所述振动反作用力主动平衡装置还包括用于冷却所述励磁电磁铁和所述控制电磁铁的冷却系统。冷却系统采用现有技术常规结构即可，包括内循环系统和外循环系统，内循环系统主要是将励磁电磁铁和控制电磁铁产生的热量循环至热交换器，外循环系统主要是将内循环带到热交换器处的热量迅速散失到环境中；其中，内循环系统使用的循环水应采用蒸馏水；在开启振动反作用力主动平衡装置时，即开启冷却系统对该装置进行冷却。

本发明的有益效果在于：

本发明通过对振动台产生的振动反作用力进行主动平衡，实现显著的力平衡效果，进而达到降低离心机主轴振动的目的，具体表现为：

1、与被动式的隔振装置相比，本振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置对振动台振动反作用力采取的是力平衡的主动控制方式，即在任一时刻，离心机主轴两侧所受的力是相互平衡的，离心机主轴在任一时刻处于受力平衡状态，提高了离心机主轴的回转精度，降低了离心机主轴承受的倾覆力矩，延长离心机主轴的使用寿命；

2、与空气弹簧支撑隔振方法相比，采用主动式的力平衡方式可以有效避免低频振动(振动频率低于5Hz)时，隔振装置结构共振对离心机主轴产生的不良影响，扩大了振动-加速度试验设备的使用频率范围，尤其能够将试验频率降低到5Hz以内；

3、由于本振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置采取的是闭环控制结构，直接对比靠近离心机主轴两侧离心机转臂上的作用力的大小和相位并进行实时反馈控制，振动主动平衡力的控制精度高、实时性好，对振动-加速度试验过程中产生的随机力信号能够进行有效的控制；

4、由于本振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置未采用橡胶构件，与被动式的隔振装置相比，尤其是与橡胶隔振装置相比，从根本上避免了使用橡胶构件存在的老化现象的发生；

5、由于采用的是通电电磁铁相互作用产生振动主动平衡力进而与振动台振动反作用达到力平衡的原理，所以本振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置还具有动平衡的功能；尤其是在突发状况下，当离心机系统存在动不平衡且液压系统驱动配重块无法快速到达配重位置时，可以通过电磁铁的相互作用产生动平衡力与动不平衡产生的离心力相互平衡，实现离心机旋转系统的快速动平衡，进而有效地减小动不平衡对离心机转动造成的不良影响。

附图说明

图1是传统橡胶隔振装置的剖视结构示意图；

图2是本发明所述振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置应用时的整体结构示意图；

图3是本发明所述振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2和图3所示，本发明所述振动-加速度试验设备包括离心机3、振动台2和配重块8，振动台2和配重块8分别安装于离心机3的转臂(图中未标记)的两端且位于离心机3的主轴(位于转臂的下方，图中未标记)的两侧，本发明所述振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置包括励磁电磁铁9、控制电磁铁10、第一力传感器4、第二力传感器7、信号调理器15、检测控制器16、第一功率放大器6和第二功率放大器17，励磁电磁铁9通过螺栓固定安装于离心机3的转臂的一端且位于配重块8的外侧，多个控制电磁铁10安装于与励磁电磁铁9等高的位置且均匀分布于励磁电磁铁9随所述转臂旋转时形成的虚拟圆的外周，控制电磁铁10与励磁电磁铁9相互正对安装且相邻的控制电磁铁10之间的间隙尽量小，第一力传感器4和第二力传感器7分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置，第一力传感器4的信号输出端和第二力传感器7的信号输出端分别与信号调理器15的信号输入端连接，信号调理器15的信号输出端与检测控制器16的检测信号输入端连接，检测控制器16的控制信号输出端分别与第一功率放大器6的信号输入端和第二功率放大器17的信号输入端连接，第一功率放大器6的信号输出端与励磁电磁铁9的控制信号输入端连接，第二功率放大器17的信号输出端分别与多个控制电磁铁10的控制信号输入端连接；另外，冷却系统18用于冷却励磁电磁铁9和控制电磁铁10。

图2中还示出了振动-加速度试验设备的振动控制仪14、振动台功率放大器5、振动加速度传感器11、信号调制器13、辅助系统12、试验件及夹具1，其中辅助系统12主要包括冷却装置、油源、气源等，振动台功率放大器5和第一功率放大器6分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置。

图3示出了本发明的封闭循环反馈控制电路框架，其中的第一力传感器、第二力传感器、信号调理器、检测控制器、第一功率放大器、第二功率放大器、励磁电磁铁、控制电磁铁、离心机转臂与图2中的第一力传感器4、第二力传感器7、信号调理器15、检测控制器16、第一功率放大器6、第二功率放大器17、励磁电磁铁9、控制电磁铁10、离心机3的转臂是一一对应的。

上述部件中，励磁电磁铁9和控制电磁铁10均为环形电磁铁，线圈放置在铁心与轭铁之间的环形槽内；冷却系统18采用现有技术常规结构即可，包括内循环系统和外循环系统，内循环系统主要是将励磁电磁铁和控制电磁铁产生的热量循环至热交换器，外循环系统主要是将内循环带到热交换器处的热量迅速散失到环境中，其中，内循环系统使用的循环水应采用蒸馏水，在开启振动反作用力主动平衡装置时，即开启冷却系统对该装置进行冷却；没有安装于转臂上的部件都安装于离心机3的其它机架上或安装于离心机3以外的支架上，其具体安装结构不是本发明的创新点，所以不作具体描述。

结合图2，本发明所述振动-加速度试验设备的工作原理及过程如下：

振动-加速度试验开始时，首先缓慢提升离心机3的转速(加速的过程中，通过液压驱动配重块8沿径向滑动对离心机3所在系统进行动平衡)，逐步达到试验所需的转速，产生试验所需的加速度环境，此时稳定离心机3的转速，稳定加速度。加速度稳定后，开启振动台系统，设置振动试验谱型并由振动控制仪14发出控制信号，控制信号经由振动台功率放大器5放大后产生驱动信号并通入到振动台2的励磁线圈和动圈线圈中，动圈线圈受电磁力产生运动，推动试验件及夹具1做试验所需的振动，振动加速度传感器11实时检测试验件及夹具1的振动谱型并将其反馈至振动控制仪14，振动控制仪14根据实测的振动谱型修正控制信号，通过闭环反馈控制，使得试验件及夹具1的振动谱型逼近目标振动谱型。

结合图2和图3，本发明所述振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置的工作原理及过程如下：

开展振动-加速度试验的同时，即开启振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置；第一力传感器4实时检测振动台2一侧靠近离心机3的主轴处的振动反作用力的大小和相位，第一力传感器4的力信号经过信号调理器15对其进行放大处理后输入到检测控制器16；检测控制器16实时采集、分析经过信号调理的第一力传感器4的信号，检测控制器16中的数据分析系统分析判断振动反作用力的大小和相位，进而得到所需的振动主动平衡力的大小和相位，根据励磁电磁铁9和控制电磁铁10的相互作用特性，求解得到所需的励磁电流和控制电流的大小和方向，并向第一功率放大器6和第二功率放大器17发出控制信号；控制信号经过第一功率放大器6和第二功率放大器17的放大后产生励磁电流和控制电流并分别通入到励磁电磁铁9和控制电磁铁10的线圈中，励磁电磁铁9产生恒定的励磁电磁场，控制电磁铁10产生交变的控制电磁场，两个电磁场相互作用产生振动主动平衡力，在离心机3的主轴处与振动台2产生的振动反作用力相互平衡；第二力传感器7实时检测振动反作用力主动平衡装置一侧靠近离心机3的主轴处的振动主动平衡力的大小和相位，实测振动主动平衡力信号经过信号调理器15调理后输入到检测控制器16中，在检测控制器16中，对实测振动主动平衡力与振动反作用力的大小和相位进行对比，并据此对检测控制器16输出的控制信号进行实时修正，通过闭环反馈的控制方法，使得第二力传感器7实测的振动主动平衡力快速逼近振动反作用力(大小相等，方向相反)。最终，在离心机3的主轴处，通过振动主动平衡力与振动台2振动产生的振动反作用力相互平衡，达到降低离心机3的主轴振动、提高离心机3的主轴回转精度、降低离心机3的主轴承受的倾覆力矩、延长离心机3的主轴使用寿命的目的。

说明：上述实施例采用的是电动振动台顺臂安装状态下的结构形式来描述的，但是本装置同样适用于电液振动台、电动振动台以及压电式激振系统在顺臂安装状态下的振动反作用力的主动平衡。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，所述振动-加速度试验设备包括离心机、振动台和配重块，所述振动台和所述配重块分别安装于所述离心机的转臂的两端且位于所述离心机的主轴的两侧，其特征在于：所述振动反作用力主动平衡装置包括励磁电磁铁、控制电磁铁、第一力传感器、第二力传感器、信号调理器、检测控制器、第一功率放大器和第二功率放大器，所述励磁电磁铁固定安装于所述离心机的转臂的一端且位于所述配重块的外侧，多个所述控制电磁铁安装于与所述励磁电磁铁等高的位置且均匀分布于所述励磁电磁铁随所述转臂旋转时形成的虚拟圆的外周，所述第一力传感器和所述第二力传感器分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置，所述第一力传感器的信号输出端和所述第二力传感器的信号输出端分别与所述信号调理器的信号输入端连接，所述信号调理器的信号输出端与所述检测控制器的检测信号输入端连接，所述检测控制器的控制信号输出端分别与所述第一功率放大器的信号输入端和第二功率放大器的信号输入端连接，所述第一功率放大器的信号输出端与所述励磁电磁铁的控制信号输入端连接，所述第二功率放大器的信号输出端分别与多个所述控制电磁铁的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，其特征在于：所述控制电磁铁与所述励磁电磁铁相互正对安装且相邻的所述控制电磁铁之间的间隙尽量小。

3.根据权利要求1或2所述的振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，其特征在于：所述励磁电磁铁和所述控制电磁铁均为环形电磁铁，线圈放置在铁心与轭铁之间的环形槽内。

4.根据权利要求1或2所述的振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，其特征在于：所述振动-加速度试验设备还包括振动台功率放大器，所述振动台功率放大器和所述第一功率放大器分别安装于所述转臂上位于所述主轴两侧且尽量靠近所述主轴的位置。

5.根据权利要求1或2所述的振动-加速度试验设备用振动反作用力主动平衡装置，其特征在于：所述振动反作用力主动平衡装置还包括用于冷却所述励磁电磁铁和所述控制电磁铁的冷却系统。