CN112857717B - 一种激振法刚度测定工装及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激振法刚度测定工装及测定方法，属于陀螺仪检测技术领域。该测定工装包括马达固定工装框架、马达夹紧装置、位移传感器微调装置及工装屏蔽盖，被测马达通过V型铁压板固定在刚度测试框架上，工装框架上安装有径向和轴向位移传感器微调装置、加速度传感器和马达出线端子，激振法刚度测试是基于动压马达润滑介质阻尼小的特性，在激振响应测试中，将马达定转子及气膜看成谐波激励下的单自由度小阻尼强迫振动系统，在测试过程中将测试工装固连于激振台上，通过监测激振台激振频率下的相应信号，将激振响应曲线极值对应的频率作为系统的固有频率，反推出陀螺马达转子的刚度。该发明刚度测试稳定高效，操作方便，简单易行。

Description

一种激振法刚度测定工装及测定方法
技术领域
本发明涉及陀螺仪检测技术领域，特别是指一种激振法刚度测定工装及测定方法。
背景技术
陀螺仪在航天、航海和军事等领域有着广泛的应用，是惯性技术中的关键部件。陀螺马达通过转子的高速旋转形成陀螺仪表所需要的稳定的角动量，是陀螺仪表中的核心部件。陀螺马达的性能决定陀螺仪表的导航精度，主要体现在轴承轴径向气膜刚度一致性，陀螺马达气膜刚度直接决定了马达的负载能力。气膜刚度可通过测量在给定载荷下气膜的变形量来获得，由于材料、温度、湿度等环境的影响，会使陀螺马达的气膜刚度产生一定的漂移，为了使产品保持稳定的性能，需要一个稳定高效的刚度测试装置，对产品的性能进行标定和校正。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激振法刚度测定工装及测定方法。
该测定工装包括位移传感器微调装置、工装屏蔽盖、工装框架、马达电源DB9接线端子、加速度传感器、V型铁压板及铜套，工装框架上部安装工装屏蔽盖，加速度传感器安装在工装框架一侧的轴上，工装框架与加速度传感器对应另一侧的轴上安装位移传感器微调装置，工装框架一侧下部设置马达电源DB9接线端子，工装框架内设置V型铁压板及铜套，被测马达通过V型铁压板固定在刚度测试框架上。
位移传感器微调装置的安装位置和加速度传感器的位置根据被测马达的安装位置确定。
位移传感器微调装置的装配顺序为：首先将微调旋钮套在旋钮固定板中，通过螺钉将旋钮固定板固定在传感器固定块上，然后将旋钮螺母安装在微调旋钮上，微调旋钮外表面为阶梯轴，使旋钮螺母恰好抵在微调旋钮的阶梯面上，然后使用紧定螺钉将旋钮螺母固定，将提前安装好的带有传感器探芯的传感器过渡套缓慢的插在微调旋钮中，传感器过渡套上铣有2mm宽的卡槽，并且开有1mm宽的缝隙，传感器过渡套插入微调旋钮中时要将2mm宽的卡槽对准传感器固定块上的限位螺钉，使旋进传感器的过程中传感器过渡套本身不会旋转。
工装框架上开有马达电源接线端子安装孔、加速度传感器安装孔、马达安装V型槽、工装盖子固定孔、工装固定孔、位移传感器微调装置安装孔。
V型铁压板将马达轴两端固定在工装框架的马达安装V型槽内，马达轴两端安装的铜套通过在侧面开槽的方式使其在径向受力时产生微小形变。
应用该工装测定的方法，具体包括步骤如下：
S1：将马达定转子及气膜看作谐波激励下的单自由度小阻尼强迫振动系统；
S2：在测试过程中将测定工装固连于激振台上，监测激振台激振频率下的相应信号；
S3：将激振响应曲线极值对应的频率作为系统的固有频率，反推出陀螺马达转子的刚度。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，刚度测试稳定高效，能够使产品保持稳定的性能，操作方便，简单易行。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图，其中，(a)为整体结构，(b)为部分剖面结构；
图2为本发明谐波激励下的强迫振动模型图；
图3为本发明幅频、相频响应曲线；
图4为本发明激振法刚度测试工装框架图，其中，(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图，(d)为轴测图；
图5为本发明马达夹紧装置图，其中，(a)为部分剖面图一，(b)为部分剖面图二；
图6为本发明位移传感器微调装置的装配图，其中，(a)为剖面图，(b)为俯视图，(c)为图(b)中A-A处剖面图，(d)为轴测图一，(e)为轴测图二。
其中：1-位移传感器微调装置，2-工装屏蔽盖，3-工装框架，4-马达电源DB9接线端子，5-加速度传感器，6-V型铁压板，7-被测马达，8-铜套，9-马达电源接线端子安装孔，10-加速度传感器安装孔，11-马达安装V型槽，12-工装盖子固定孔，13-工装固定孔，14-位移传感器微调装置安装孔，15-V型铁压板固定螺钉，16-传感器过渡套，17-线卡上夹板，18-微调旋钮，19-紧定螺钉，20-旋钮螺母，21-旋钮固定板，22-传感器固定块，23-限位螺钉，24-微调装置固定螺钉，25-传感器套线夹固定螺钉，26-旋钮固定板固定螺钉，27-传感器锁紧螺钉，28-内螺纹铜套。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种激振法刚度测定工装及测定方法。
如图1所示，该测定工装包括位移传感器微调装置1、工装屏蔽盖2、工装框架3、马达电源DB9接线端子4、加速度传感器5、V型铁压板6及铜套8，被测马达7通过V型铁压板6固定在刚度测试框架上，工装框架3上安装有径向和轴向位移传感器微调装置1、加速度传感器5和马达电源DB9出线端子4，工装屏蔽盖2设置在工装框架3上方。
马达测试工装框架根据被测马达的径向和轴向尺寸同时考虑马达的安装与拆卸以及马达电源出线、工装内部防尘、传感器安装等需要。如图4所示，工装框架上开有马达电源线出线孔9、加速度传感器固定孔10、马达固定V型槽11、工装盖子固定孔12、工装固定孔13、位移传感器微调装置固定孔14；
马达的夹紧如图5所示，通过两个V型铁压板6通过V型铁压板固定螺钉15将马达轴两端固定在工装框架的V型槽内，马达轴两端安装的铜套8通过在侧面开槽的方式使其能够在径向受力时产生微小形变，起到了保护马达轴两端螺纹的作用，减少直接固定对螺纹的损伤，特别注意固定V型铁压板时需要使用力矩扳手(力矩约为1.5N·m)固定V型铁的四个螺钉，保证马达轴不会因为两边受力不一致而使马达倾斜。
微调装置如图6所示，使用传感器过渡套将传感器包裹起来，传感器过渡套16通过线卡上夹板17固定，传感器过渡套上有左旋螺纹，顺时针旋转微调旋钮18实现传感器的旋进调节，逆时针旋转实现旋出调节，符合操作人员的操作习惯，调整好位置后，拧紧紧定螺钉19即可将传感器位置锁死；在传感器固定块22中嵌入螺纹铜套8，防止长期使用过程中锁紧块螺纹牙的损坏，延长其使用周期。位移传感器微调装置1的装配顺序为：首先将微调旋钮18套在旋钮固定板21中，通过螺钉26将旋钮固定板21固定在传感器固定块22上，然后将旋钮螺母20安装在微调旋钮18上，微调旋钮18外表面为阶梯轴，使旋钮螺母20恰好抵在微调旋钮18的阶梯面上，然后使用紧定螺钉19将旋钮螺母20固定，将提前安装好的带有传感器的探芯的传感器过渡套16缓慢的插在微调旋钮18中，传感器过渡套16上铣有2mm宽的卡槽，并且开有1mm宽的缝隙，传感器过渡套16插入微调旋钮18中时要将2mm宽的卡槽对准传感器固定块22上的限位螺钉23，使旋进传感器的过程中传感器过渡套16本身不会旋转。传感器固定块22上设置微调装置固定螺钉24，旋钮固定板21上设置旋钮固定板固定螺钉26，传感器过渡套16上设置传感器套线夹固定螺钉25，传感器固定块22上设置传感器锁紧螺钉27，传感器锁紧螺钉27端部设置内螺纹铜套28。
激振法刚度测试是基于动压马达润滑介质阻尼小的特性，在激振响应测试中，将马达定转子及气膜看成谐波激励下的单自由度小阻尼强迫振动系统。其原理模型如图2所示，该系统受谐激励载荷F＝F1cos(ωt)。其中F1为激励载荷的幅值，ω为激励载荷的频率。假设激振法气膜刚度用K表示。
Figure BDA0002914755790000041
这个方程的解分为如下两部分：
Figure BDA0002914755790000042
其中：
Figure BDA0002914755790000051
m为马达转子质量，c为强迫振动系统的阻尼，K为气膜刚度，ωn为该系统的固有频率。
在公式(2)中，x1(t)为齐次方程的解，也就是阻尼系统的自由振动响应，自由振动响应随时间衰减，最后消失，所以一般不考虑其对稳定响应的影响。x2(t)为特解，也就是我们寻找的强迫振动响应，不会随时间衰减，称之为稳态响应。
通过公式(2)可以得到强迫振动响应如下特征：
1)在简谐激励作用下，强迫振动响应是简谐振动。振动的频率与激振力的频率ω相同。
2)强迫振动的幅值和相位差都只取决于系统本身的物理性质和激振力的大小频率，与初始条件无关。初始条件只影响瞬态振动。
不妨假设强迫振动响应幅值为B，定义频率比
Figure BDA0002914755790000052
振幅比
Figure BDA0002914755790000053
得到：
Figure BDA0002914755790000054
如图3所示，由曲线可得，当λ＝1，(ω＝ωn)附近，强迫振动的振幅会出现峰值。即激振力的频率趋近于系统的固有频率时，强迫振动响应最明显，也就是我们通常说的共振。由于阻尼的存在，共振的幅值不会无穷大，共振频率与系统的固有频率也略有偏差。在陀螺马达中，由于马达使用动压气浮轴承，阻尼很小，因此仍将ω＝ωn，作为其共振频率。
在测试时，监测在振动台激振频率下的响应信号，将激振响应曲线的极值对应的频率作为系统的固有频率，并根据公式
Figure BDA0002914755790000055
注：公式(4)为计算系统固有频率的一般公式。
其中：f0为系统的固有频率，m为马达转子的质量，K为气膜刚度。
根据公式(4)可反推出陀螺马达的气膜刚度K。
K＝(2πωn)2m (5)
其中，K为气膜刚度，ωn为系统固有频率，m为马达转子质量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激振法刚度测定工装，其特征在于：包括位移传感器微调装置(1)、工装屏蔽盖(2)、工装框架(3)、马达电源DB9接线端子(4)、加速度传感器(5)、V型铁压板(6)及铜套(8)，工装框架(3)上部安装工装屏蔽盖(2)，加速度传感器(5)安装在工装框架(3)一侧的轴上，工装框架(3)与加速度传感器(5)对应另一侧的轴上安装位移传感器微调装置(1)，工装框架(3)一侧下部设置马达电源DB9接线端子(4)，工装框架(3)内设置V型铁压板(6)及铜套(8)；被测马达(7)通过V型铁压板(6)固定在刚度测试框架上；固定V型铁压板时需要使用力矩扳手固定V型铁的四个螺钉，保证马达轴不会因为两边受力不一致而使马达倾斜；
所述位移传感器微调装置(1)的装配顺序为：首先将微调旋钮(18)套在旋钮固定板(21)中，通过旋钮固定板固定螺钉(26)将旋钮固定板(21)固定在传感器固定块(22)上，然后将旋钮螺母(20)安装在微调旋钮(18)上，微调旋钮(18)外表面为阶梯轴，使旋钮螺母(20)恰好抵在微调旋钮(18)的阶梯面上，然后使用紧定螺钉(19)将旋钮螺母(20)固定，将提前安装好的带有传感器探芯的传感器过渡套(16)缓慢的插在微调旋钮(18)中，传感器过渡套(16)上铣有2mm宽的卡槽，并且开有1mm宽的缝隙，传感器过渡套(16)插入微调旋钮(18)中时要将2mm宽的卡槽对准传感器固定块(22)上的限位螺钉(23)，使旋进传感器的过程中传感器过渡套(16)本身不会旋转；传感器固定块(22)上设置微调装置固定螺钉(24)，旋钮固定板(21)上设置旋钮固定板固定螺钉(26)，传感器过渡套(16)上设置传感器套线夹固定螺钉(25)，传感器固定块(22)上设置传感器锁紧螺钉(27)，传感器锁紧螺钉(27)端部设置内螺纹铜套(28)；
所述V型铁压板(6)将马达轴两端固定在工装框架(3)的马达安装V型槽(11)内，马达轴两端安装的铜套(8)通过在侧面开槽的方式使其在径向受力时产生微小形变；
激振法刚度测试是基于动压马达润滑介质阻尼小的特性，在激振响应测试中，将马达定转子及气膜看成谐波激励下的单自由度小阻尼强迫振动系统；该系统受谐激励载荷F＝F1cos(ωt)，其中F1为激励载荷的幅值，ω为激励载荷的频率；
激振法气膜刚度用K表示：
Figure FDA0003864793310000021
这个方程的解分为如下两部分：
Figure FDA0003864793310000022
Figure FDA0003864793310000023
其中：
Figure FDA0003864793310000024
m为马达转子质量，c为强迫振动系统的阻尼，K为气膜刚度，ωn为该系统的固有频率；
在测试时，监测在振动台激振频率下的响应信号，将激振响应曲线的极值对应的频率作为系统的固有频率，并根据公式
Figure FDA0003864793310000025
反推出陀螺马达的气膜刚度K：
K＝(2πωn)2m
其中，K为气膜刚度，ωn为系统固有频率，m为马达转子质量。
2.根据权利要求1所述的激振法刚度测定工装，其特征在于：所述位移传感器微调装置(1)的安装位置和加速度传感器(5)的位置根据被测马达(7)的安装位置确定。
3.根据权利要求1所述的激振法刚度测定工装，其特征在于：所述工装框架(3)上开有马达电源接线端子安装孔(9)、加速度传感器安装孔(10)、马达安装V型槽(11)、工装盖子固定孔(12)、工装固定孔(13)、位移传感器微调装置安装孔(14)。
4.应用权利要求1所述的激振法刚度测定工装的测定方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：将马达定转子及气膜看作谐波激励下的单自由度小阻尼强迫振动系统；
S2：在测试过程中将测定工装固连于激振台上，监测激振台激振频率下的相应信号；
S3：将激振响应曲线极值对应的频率作为系统的固有频率，反推出陀螺马达转子的刚度。
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