CN111152937B - 离心场中振动台动圈定中装置及定中方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了离心场中振动台动圈定中装置及定中方法，定中装置包括振动台台体结构、电磁定中装置、导杆；试验件安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；电磁定中装置包括动子系统和定子系统；定子系统固定安装在离心机机臂上，导杆的第一端与振动台台体结构连接，动子系统与导杆的第二端连接，定子系统和动子系统之间产生的电磁力作用于动子系统，动子系统受到的电磁力与试验件受到的离心力在同一条直线上，且方向相反；本发明通过电磁定中装置中动子系统和定子系统的配合作用，产生电磁力，并通过导杆作用于振动台台体结构，使振动台台体结构按需求进行轴向动作，从而实现离心场中振动台动圈的定中调节，响应速度较快。

Description

离心场中振动台动圈定中装置及定中方法
技术领域
本发明属于振动离心复合试验系统中振动台动圈定中技术领域，具体涉及离心场中振动台动圈定中装置及定中方法。
背景技术
为了暴露飞行产品的失效模式，需要开展充分有效的地面环境模拟试验。加速度与振动复合试验是飞行器需要进行的重要复合环境试验之一，目前的地面试验主要以振动离心复合试验设备(振动离心机)来模拟振动和加速度两种载荷的同时作用，振动离心机以离心机旋转产生的惯性力模拟飞行环境的过载，以安装在离心机机臂上的激振平台实现飞行环境的振动载荷。目前的振动离心机中，振动台多为顺臂安装，在离心机工作时振动台的动圈在离心力作用下将偏离中心平衡位置而无法正常激振。因此，在不同加速度环境和不同质量的负载条件下，使振动台动圈保持在中心平衡位置的定中技术至关重要。
目前的动圈定中方法主要有配重定中法和空气(液压)弹簧定中法。配重定中法对于不同质量的试件需要制作不同的配重，且配重成为振动台额外负载，对振动台有效负载影响较大，因此，适用于小负载的动圈定中。空气(液压)弹簧定中法采用位置传感器检测台面相对台体的位移信号给伺服阀，控制两气室的气压，推动活塞左右运动，从而使振动台动圈回到平衡位置，该方法的定中速度受到气动伺服阀能力的限制。
为了解决以上问题我方提出了一种离心场中振动台动圈定中装置及定中方法。
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离心场中振动台动圈定中装置及定中方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
离心场中振动台动圈定中装置，包括：
振动台台体结构；试验件安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；
电磁定中装置；
导杆；电磁定中装置包括动子系统和定子系统；定子系统固定安装在离心机机臂上，导杆的第一端与振动台台体结构连接，动子系统与导杆的第二端连接，定子系统和动子系统之间产生电磁力，动子系统受到的电磁力与试验件受到的离心力在同一条直线上，且方向相反。
离心场中振动台动圈定中方法，试验件安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；方法包括设置电磁定中装置，电磁定中装置的输出电磁力作用于振动台台体结构，并用于平衡振动台台体结构所受离心力。
本发明的有益效果在于：
本发明通过电磁定中装置中动子系统和定子系统的配合作用，产生电磁力，并通过导杆作用于振动台台体结构，使振动台台体结构按需求进行轴向动作，从而实现离心场中振动台动圈的定中调节，响应速度较快。
附图说明
图1是本申请的电磁定中方法示意图；
图2是本申请中电磁定中装置的结构示意图；
图3是本申请中电磁定中装置的立体剖视图；
图4是本申请中的定中控制原理图。
图中：1、试验件；2、工作台面；3、上导轨；4、第一驱动线圈；5、第一磁通回路；6、第一励磁线圈；7、底座；8、导杆；10、动子系统；11、定子系统；12、第二励磁线圈；13、第二磁通回路；14、第二驱动线圈；15、下导轨；21、后端法兰；22、轴向磁铁；23、径向磁铁；24、定子铁芯；25、绕组线圈；26、外壳；27、前端法兰；28、前端轴套；29、前端弹簧；30、动子铁芯；31、后端弹簧；32、后端轴套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，离心场中振动台动圈定中装置，包括：
振动台台体结构；试验件1安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；
电磁定中装置；
导杆8；电磁定中装置包括动子系统10和定子系统11；定子系统11固定安装在离心机机臂上，导杆8的第一端与振动台台体结构连接，动子系统10与导杆8的第二端连接，定子系统11和动子系统10之间产生的电磁力与试验件1受到的离心力在同一条直线上，且方向相反。
本实施例中，通过动子系统10和定子系统11的配合作用，产生电磁力，并通过导杆8作用于振动台台体结构，使振动台台体结构按需求进行轴向动作，从而实现振动台动圈的定中调节。
如图1所示，振动台台体结构包括：
工作台面2；试验件1安装在工作台面2的第一端上，导杆8的第一端与工作台面2的第二端连接；
第一驱动线圈4；
第二驱动线圈14；工作台面2的第二端分别连接第一驱动线圈4、第二驱动线圈14；
第一励磁线圈6；第一励磁线圈6设置在第一驱动线圈4下方；第一励磁线圈6产生第一磁通回路5，第一驱动线圈4置于第一磁通回路5中；
第二励磁线圈12；第二励磁线圈12设置在第二驱动线圈14下方，第二励磁线圈12产生第二磁通回路13，第二驱动线圈14置于第二磁通回路13中。
本实施例中，工作台面2、第一驱动线圈4、第二驱动线圈14组成振动台动圈，特殊的结构布设使振动台动圈在工作台面2的垂直方向产生振动；离心机产生的离心力垂直于工作台面2向外，电磁定中装置产生的电磁力方向与离心力相反，从而可通过控制电磁定中装置电磁力的大小来实现离心场中振动台动圈的定中。试验件1在振动台动圈与第一励磁线圈6、第二励磁线圈12的配合作用下振动。
如图1所示，振动台台体结构还包括：
底座7；底座7固定在离心机机臂上，底座7上设置有通孔，导杆8的第二端穿过底座7上的通孔设置。
如图1所示，振动台台体结构还包括：
上导轨3、下导轨15；工作台面2的第二端通过第一连接杆连接第一驱动线圈4；工作台面2的第二端通过第二连接杆连接第二驱动线圈14；在第一连接杆的一侧设置上导轨3；在第二连接杆的一侧设置下导轨15，上导轨3和下导轨15用于支承工作台面2。
如图2和3所示，定子系统11包括：
形成为中空圆柱体结构的定子铁芯24；
绕组线圈25；绕组线圈25均匀缠绕在定子铁芯24的空隙之间，并沿轴向分布；
动子系统10包括:
多个环形轴向磁铁22；
多个环形径向磁铁23；多个轴向磁铁22与多个径向磁铁23交叉排列组成哈尔巴赫磁极阵列结构；
动子铁芯30；哈尔巴赫磁极阵列结构设置在定子铁芯24和动子铁芯30之间且与动子铁芯30外壁固定连接；动子铁芯30与导杆8的第二端连接；绕组线圈25通电产生的磁场作用于哈尔巴赫磁极阵列结构，产生的电磁力作用于哈尔巴赫磁极阵列结构和动子铁芯30，电磁力与试验件1受到的离心力在同一条直线上，且方向相反。
如图4所示，本实施例中，电磁定中装置所提供的电磁力的大小取决于绕组线圈25中的电流大小，因此基于电磁力的定中控制是通过控制绕组线圈25的输入电流实现振动台台体结构的动圈定中。绕组线圈25输入电流由两个分量组成，一方面，输入电流与振动台台体结构可动部分的质量和所承受过载的乘积成正比；另一方面，当振动台台体结构所受离心力的作用导致电磁定中装置动圈偏离平衡位置时，以偏离位移为输入，采用PID反馈控制，实时调整振动台动圈的位置。在输入电流一定的情况下，动子系统10可在设计行程范围内自由移动，实现振动台动圈定中而不阻碍振动台的振动输出。
电磁定中装置设计为圆筒状，设计结构紧凑，绕组利用率较高，且动子系统10和定子系统11之间的径向力互相抵消，可以减小运动时摩擦力的影响。
如图2和3所示，定子系统11还包括前端法兰27、后端法兰21、外壳26；
动子系统10还包括一弹簧；
后端法兰21固定安装在离心机机臂上，外壳26形成为中空圆柱体结构，外壳26的第一端与后端法兰21连接，外壳26的第二端与前端法兰27连接，外壳26包裹在定子铁芯24外部；
动子铁芯30内部形成贯穿的通孔；
动子铁芯30的第一端内部安装有后端轴套32；后端轴套32滑动套装在后端法兰21向内凸出的杆状部分侧壁上；
动子铁芯30的第二端内部安装有前端轴套28；前端轴套28滑动套装在前端法兰27向内凸出的杆状部分侧壁上；
弹簧置于动子铁芯30内部，弹簧的两端分别与后端法兰21向内凸出的杆状部分、前端法兰27向内凸出的杆状部分连接；
在后端法兰21上设置有开口，导杆8的第二端穿过开口与动子铁芯30连接。
本实施例中，优选采用四个围绕成圆形分布的弧形开口，四个弧形开口均匀分布，导杆8的第二端与四个弧形开口的形状配合，形成为四个弧形柱体分别穿入四个弧形开口再与动子铁芯30的四处连接。
本实施例中，后端法兰21、前端法兰27均通过螺钉与外壳26固定连接，外壳26通过螺钉与定子铁芯24固定连接；
本实施例中，通电后的绕组线圈25在定子铁芯24的定子齿上产生N、S磁极，所述磁极与动子系统10产生相互作用的磁力，形成轴向输出力，从而通过调节绕组线圈25输入电流大小即可完成不同加速度值的振动台动圈定中。前端轴套28、后端轴套32分别用于动子铁芯30两端的径向限位与支承，弹簧用于动子铁芯的轴向限行程和恢复初始位置，以确保电磁定中装置输出力在行程范围内尽量保持恒定。动子系统10的质量较小，以减轻振动台的额外负载。圆筒状磁路设计结构紧凑，绕组利用率较高，以减轻整个电磁定中装置的质量，在满足轴向输出力要求的同时减小离心机的额外负载。
如图2和3所示，作为另一种优选，弹簧包括前端弹簧29和后端弹簧31，前端弹簧29和后端弹簧31均置于动子铁芯30内部的通孔内；动子铁芯30的内部中端形成为凸起，后端弹簧31的两端分别与后端法兰21的杆状部分的端部、凸起的第一端连接；前端弹簧29的两端分别与前端法兰27的杆状部分的端部、凸起的第二端连接。
本实施例中，动子铁芯30的内部中端形成的凸起形成为圆环形；
本实施例中，可以通过前端弹簧29、后端弹簧31共同用于动子铁芯的轴向限行程和恢复初始位置。
本实施例中，后端弹簧31的两端分别与后端法兰21的杆状部分的端部、凸起的第一端固定连接；前端弹簧29的两端分别与前端法兰27的杆状部分的端部、凸起的第二端固定连接；
本实施例工作时候，动子铁芯30、哈尔巴赫磁极阵列结构均左右移动，会让一个弹簧压缩，另一个弹簧拉伸，两个弹簧均在恢复原形的力的作用下最终让动子系统10恢复初始位置。
本实施例工作时候，在后端法兰21与前端法兰27的卡档作用下分别对动子铁芯30的左右移动极限进行了限定。
本申请中的离心场中振动台动圈定中方法，试验件1安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；方法包括设置电磁定中装置，电磁定中装置的输出电磁力作用于振动台台体结构，并用于平衡振动台台体结构所受离心力。
离心场中振动台台体结构所需的平衡力与其可动部分的质量和所承受过载有关，具体如下：
试验件1的质量为Ma，试验件1的质心与离心机转轴的距离为Ra；振动台动圈的总质量为Mb，振动台动圈的质心距离离心机转轴的距离为Rb；导杆8质量为Mc，导杆8的质心与离心机转轴距离为Rc；动子系统10质量为Md，动子系统10的质心与离心机转轴距离为Rd，离心机转速为ω(t)；以上所有可动部分的质量所受的离心力可表示为：
F离心力＝ω2(t)·(Ma·Ra+Mb·Rb+Mc·Rc+Md·Rd) (1)
电磁定中装置输出电磁力的大小取决于其绕组线圈25的输入电流大小，其分量I1(t)用于抵消可动部分的离心力，分量I2(t)用于调节振动台动圈的平衡位置，分别表示为：
F电磁力＝C·(I1(t)+I2(t)) (4)
上式中，e(t)是振动台动圈的位移偏差，Kp，Ki和Kd分别是比例、积分和微分增益系数，C为电磁装置输入输出系数，分量I1(t)为用于抵消可动部分的离心力；分量I2(t)为用于调节振动台动圈的平衡位置。
如图4所示，离心场中振动台动圈的定中控制过程包括：
根据公式(1)中离心场中可动部分的受力分析和公式(4)中电磁定中装置的输入输出关系，得到定中力控制信号；
将定中力的控制信号与振动台动圈的位移传感器所测量的动圈位置信号的差值，作为PID控制器的输入信号；
PID控制器根据公式(3)，实时计算出调节振动台动圈处于平衡位置所需的控制量，该控制量再通过放大器、驱动器得到所需的电流，该电流即为电磁定中装置定子线圈用于调节振动台动圈的平衡位置的输入电流。
本申请中电磁定中装置设计为圆筒状动磁式电磁装置，圆筒状磁路设计结构紧凑，绕组利用率较高，以减轻整个电磁定中装置的质量，在满足轴向输出力要求的同时减小离心机的额外负载，动子和定子之间的径向力互相抵消，可以减小运动时摩擦力的影响。
本申请中电磁定中装置的前端轴套、后端轴套用于动子铁芯的径向限位与支承，前端弹簧、后端弹簧用于动子铁芯的轴向限行程和恢复初始位置，以确保电磁定中装置的动子可在设计行程范围内自由移动，电磁定中装置输出力在行程范围内尽量保持恒定，不阻碍振动台的振动输出，具有动刚度小的特点。
本申请中，基于电磁力的定中控制技术通过控制所述电磁定中装置定子线圈的输入电流即可实现振动台的动圈定中，输出力可控，响应速度较快。在具体的实施例中，我们设计电磁定中装置时:
1、动子质量尽量小，以减小振动台的额外负载；
2、输出力密度尽量高，在满足输出力要求的同时整个电磁装置的质量越小越好，以减小离心机的额外负载；
3、输出力在行程范围内尽量保持恒定，这样输出力大小仅取决于输入电流的大小，只需通过调节输入电流的大小就能实现不同加速度情况下的振动台定中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (7)

1.离心场中振动台动圈定中装置，包括振动台台体结构；试验件（1）安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；其特征在于，振动台动圈定中装置还包括电磁定中装置、导杆（8）；电磁定中装置包括动子系统（10）和定子系统（11）；定子系统（11）固定安装在离心机机臂上，导杆（8）的第一端与振动台台体结构连接，动子系统（10）与导杆（8）的第二端连接，定子系统（11）和动子系统（10）之间产生的电磁力与试验件（1）受到的离心力在同一条直线上，且方向相反；
振动台台体结构包括工作台面（2）、第一驱动线圈（4）、第二驱动线圈（14）、第一励磁线圈（6）、第二励磁线圈（12）；试验件（1）安装在工作台面（2）的第一端上，导杆（8）的第一端与工作台面（2）的第二端连接；工作台面（2）的第二端分别连接第一驱动线圈（4）、第二驱动线圈（14）；第一励磁线圈（6）设置在第一驱动线圈（4）下方；第一励磁线圈（6）产生第一磁通回路（5），第一驱动线圈（4）置于第一磁通回路（5）中；第二励磁线圈（12）设置在第二驱动线圈（14）下方，第二励磁线圈（12）产生第二磁通回路（13），第二驱动线圈（14）置于第二磁通回路（13）中；
定子系统（11）包括形成为中空圆柱体结构的定子铁芯（24）、绕组线圈（25）、前端法兰（27）、后端法兰（21）、外壳（26）；绕组线圈（25）均匀缠绕在定子铁芯（24）的空隙之间，并沿轴向分布；
动子系统（10）包括多个环形轴向磁铁（22）、多个环形径向磁铁（23）、动子铁芯（30）、弹簧；多个轴向磁铁（22）与多个径向磁铁（23）交叉排列组成哈尔巴赫磁极阵列结构；哈尔巴赫磁极阵列结构设置在定子铁芯（24）和动子铁芯（30）之间且与动子铁芯（30）外壁固定连接；动子铁芯（30）与导杆（8）的第二端连接；绕组线圈（25）通电产生的磁场作用于哈尔巴赫磁极阵列结构，产生的电磁力作用于哈尔巴赫磁极阵列结构和动子铁芯（30），电磁力与试验件（1）受到的离心力在同一条直线上，且方向相反；后端法兰（21）固定安装在离心机机臂上，外壳（26）形成为中空圆柱体结构，外壳（26）的第一端与后端法兰（21）连接，外壳（26）的第二端与前端法兰（27）连接，外壳（26）包裹在定子铁芯（24）外部；动子铁芯（30）内部形成贯穿的通孔；
动子铁芯（30）的第一端内部安装有后端轴套（32）；后端轴套（32）滑动套装在后端法兰（21）向内凸出的杆状部分侧壁上；动子铁芯（30）的第二端内部安装有前端轴套（28）；前端轴套（28）滑动套装在前端法兰（27）向内凸出的杆状部分侧壁上；弹簧置于动子铁芯（30）内部，弹簧的两端分别与后端法兰（21）向内凸出的杆状部分、前端法兰（27）向内凸出的杆状部分连接；在后端法兰（21）上设置有开口，导杆（8）的第二端穿过开口与动子铁芯（30）连接。
2.根据权利要求1所述的离心场中振动台动圈定中装置，其特征在于，振动台台体结构还包括：
底座（7）；底座（7）固定在离心机机臂上，底座（7）上设置有通孔，导杆（8）的第二端穿过底座（7）上的通孔设置。
3.根据权利要求1或2任一项所述的离心场中振动台动圈定中装置，其特征在于，振动台台体结构还包括：
上导轨（3）、下导轨（15）；工作台面（2）的第二端通过第一连接杆连接第一驱动线圈（4）；工作台面（2）的第二端通过第二连接杆连接第二驱动线圈（14）；在第一连接杆的一侧设置上导轨（3）；在第二连接杆的一侧设置下导轨（15），上导轨（3）和下导轨（15）用于支承工作台面（2）。
4.根据权利要求1所述的离心场中振动台动圈定中装置，其特征在于，弹簧包括前端弹簧（29）和后端弹簧（31），前端弹簧（29）和后端弹簧（31）均置于动子铁芯（30）内部的通孔内；动子铁芯（30）的内部中端形成为凸起，后端弹簧（31）的两端分别与后端法兰（21）的杆状部分的端部、凸起的第一端连接；前端弹簧（29）的两端分别与前端法兰（27）的杆状部分的端部、凸起的第二端连接。
5.离心场中振动台动圈定中方法，采用如权利要求1-4任一项所述的离心场中振动台动圈定中装置，试验件（1）安装于振动台台体结构上并进行沿离心机机臂轴向方向的振动试验；其特征在于，方法包括设置电磁定中装置，电磁定中装置的输出电磁力作用于振动台台体结构，并用于平衡振动台台体结构所受离心力。
6.根据权利要求5所述的离心场中振动台动圈定中方法，其特征在于，包括计算可动部件的离心力以及电磁定中装置的输出电磁力；
可动部件的离心力计算公式为：
； (1)
其中，可动部件包括电磁定中装置的动子系统（10）以及振动台台体结构的导杆（8）、振动台动圈；导杆（8）的一端与振动台动圈连接，导杆（8）的另一端与动子系统（10）连接；上式中，试验件（1）的质量为Ma，试验件（1）的质心与离心机转轴的距离为Ra；振动台动圈的总质量为Mb，振动台动圈的质心距离离心机转轴的距离为Rb；导杆（8）质量为Mc，导杆（8）的质心与离心机转轴距离为Rc；动子系统（10）质量为Md，动子系统（10）的质心与离心机转轴距离为Rd，离心机转速为ω(t)；
电磁定中装置的输出电磁力计算公式为：
； (2)
； (3)
； (4)
上式中，e(t)是振动台动圈的位移偏差，Kp，Ki和Kd分别是比例、积分和微分增益系数，C为电磁装置输入输出系数，分量I1(t)为用于抵消动子系统（10）的离心力；分量I2(t)为用于调节振动台动圈的平衡位置。
7.根据权利要求6所述的离心场中振动台动圈定中方法，其特征在于：
离心场中振动台动圈的定中控制过程包括：
根据公式（1）中离心场中可动部分的受力分析和公式（2）中电磁定中装置的输入输出关系，得到定中力控制信号；
将定中力的控制信号与振动台动圈的位移传感器所测量的动圈位置信号的差值，作为PID控制器的输入信号；
PID控制器根据公式（4），实时计算出调节振动台动圈处于平衡位置所需的控制量，该控制量再通过放大器、驱动器得到所需的电流，该电流即为电磁定中装置定子线圈用于调节振动台动圈的平衡位置的输入电流。
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