针对大型振动试验辅助支撑系统的结构设计与技术改进

冯 伟，陈立伟，杨 博，张 冰（.北京强度环境研究所，北京 00076；.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 30046）

针对大型振动试验辅助支撑系统的结构设计与技术改进

冯 伟1，2，陈立伟1，杨 博2，张 冰2
（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300462）

对振动台辅助支撑系统进行了结构改进，增加了空气弹簧和导向轴。并且针对偏心问题，采用多个气源对不同位置分布的空气弹簧施加不同的气压进一步增强振动台的抗倾覆能力。建立了一套可以应用于轨道交通等大型设备的具有较大承载能力（＞14 t），较大抗倾覆能力的振动台辅助支撑系统。

辅助支撑；承载能力；偏心；抗倾覆

引言

振动试验是力学环境试验的重要组成部分,对考核产品的耐久性及环境适应性等起着重要的作用[1-4]。对于尺寸较大,重量较重的产品，振动试验时要考虑多方面的影响因素。大型产品的特点是质量大、尺寸大并且结构复杂。由于振动设备能力受限，大型产品的振动试验一般在振动台上实现很困难，经常接近或者达到振动台的使用极限，有一定的安全隐患。为了提高承载能力及偏心等问题，大型振动试验时振动设备一般会采用辅助支撑系统[5]。本次基于某项大型振动试验要求，解决现场振动台承载能力可能不足，抗倾覆能力相对较小的问题，对振动台的辅助支撑系统进行结构设计与技术改进。

1 大型振动试验常遇到的两个问题

大型振动试验时，一般试验件尺寸较大，重量较大，而且可能会存在一定的偏心，所以经常遇到以下两个问题：①振动台静支撑问题。试验时，试验件与夹具连接，夹具与动圈连接。而动圈靠U簧及末端静压轴承定位。运动部件的重量都集中在动圈上，动圈主要靠U簧及中间气囊承载。振动台承载时动圈会偏离平衡位置，但一般情况下可向气囊内充气使之恢复到原始位置，但是当运动部件的总质量超过振动台承载能力时，振动台就会失去平衡，无法进一步工作。②振动台稳定问题。由于试验件一般尺寸较大，在与夹具对接后整体重心偏高，并且本身存在一定的偏心，试验时，动圈在垂直运动的同时会产生附加的横向偏移，造成试验件的左右摇摆和晃动，从而产生倾覆力矩影响试验正常运行，甚至导致振动台损坏。

2 结构设计与技术改进

2.1 振动台静支撑问题

针对振动台静支撑问题，通过增加空气弹簧的方式提高支撑系统的承载能力。空气弹簧的结构如图1所示。空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱，能够承载一定的载荷。同时，空气弹簧的刚度随载荷变化较小，因此在不同的载荷条件下自振频率几乎不变。

空气弹簧的有效面积计算：

1）空气弹簧的有效面积：A=π R2（cm2）

R—有效半径（cm）

2）空气弹簧承受载荷：F=p*A （N）

p—空气弹簧内压力N/cm2

0.1 MPa=1 kgf/cm2=10 N/cm2

基于前期某项试验要求，振动台承载能力需大于14 t，经过计算，需增加四个空气弹簧，提高其承载能力，并具有较大的裕度。根据振动台扩展盘的结构将空气弹簧均匀对称的进行排布，以保证试验顺利进行。空气弹簧在振动台扩展盘上的分布如图2所示，其中大圆为空气弹簧的所在位置。

2.2 试验件稳定性问题

对于大型振动试验，试验件尺寸、重量一般较大，所以和振动台面连接后整体中心较高，而实际上，试验件重心一般未和振动台动圈重心重合，存在一定的偏心。当试验件重量较大时，也会产生较大的倾覆力矩。使试件随振动台面动圈一同产生横向晃动和扭动。为了减小偏心产生的这种晃动和扭动，本方案采用两种方式增加振动台的抗倾覆能力。

1）在振动台扩展盘与基座之间增加导向轴承，约束轴在径向的位移，减轻静压轴承的压力，以增加抗倾覆能力。增加导向轴承的振动台如图3所示。

2）试验时，采用多个气源对于不同位置分布的空气弹簧施加不同的气压，进一步增强振动台的抗倾覆能力。

对于内部具有一定气压的空气弹簧，当增加载荷时，空气弹簧的高度降低，承载面积增加，同时内部气压增加，从而承载力增大。反之减少载荷时，承载力减小。当多个空气弹簧共用一个气源时，由于试验件的偏心问题，台面会向一侧倾斜，此时静压轴承会承受弯矩，降低其滑动性能。若弯矩过大，或静压轴承长时间处于承受弯矩状态，表面易产生磨损，更严重时会引起动圈卡死。而空气弹簧采用不同气源时，可以灵活调节不同位置空气弹簧的气压，以调节不同位置空气弹簧的伸缩高度，使台面保持平衡，增加抗倾覆能力。图4为空气弹簧气源调整前后对比，从图中可以看出，试验件重心偏左，台面向左侧倾斜，空气弹簧因共用同一个气源，内部气压相同，不能调节台面的倾斜程度，而采用不同气源时，增加左侧空气弹簧的压力，以增加其伸缩高度，从而保证了台面平衡，达到了提高抗倾覆力矩的目的。

图1 空气弹簧截面图

图2 空气弹簧在振动台扩展盘的位置分布

图3 振动台导向轴承

图4 空气弹簧气源调整前后对比

2.3 改进后结果

改进的试验辅助支撑系统搭建完成后，为考核其性能进行验证试验。验证试验的顺利进行证明了改进后的振动台辅助支撑系统能够至少承受14 t的静载荷，图5为试验模拟件在振动台面的安装状态。根据IEC 61373轨道交通机车车辆设备振动试验标准，设定随机振动试验目标谱。在振动台台面安装三向加速度传感器，以测量其在三个方向的振动响应情况，结果如图6所示。从图中可以看出在振动主方向上振动台能很好的控制试验量级，侧方向的响应较小，表明振动台的横向晃动和扭动相对较小。进一步证明了改进后的试验系统抗倾覆能力得到很大的提高，稳定性有了明显的改善。

3 结论

试验证明，改进后的辅助支撑系统增加了振动台的承载能力，增加了振动台抗倾覆能力，提高了振动台的稳定性。辅助支撑系统的改进设计对大型振动试验的研究提供了基础，并且该系统能够推广应用于轨道交通等领域的大型振动试验中。

图5 试验件在振动台面的安装状态

图6 振动试验测量曲线

［1］胡志强，等.随机振动试验应用技术［M］.北京：中国计量出版社，1996.

［2］胡小弟， 朱伟繁.涉及电动振动台选型的结构与技术的评价和分析［J］.环境技术.2002（5）： 01-04.

［3］ 赵连忠.大型动力装置结构振动试验设备［J］.推进技术，1990（5）： 52-56.

［4］ 胡小弟，刘继承.大型构件试品实施振动试验时的若干问题探讨［J］.环境技术，1997（2）： 16-21.

［5］ 弋东明.大型振动试验的辅助支撑系统设计［J］.火箭推进， 2005.31 （1）：52-54.

Structure Design and Technology Improvement About the Auxiliary Support System in Large-scale Vibration Test

FENG Wei1，2， CHEN Li-wei1， YANG Bo2， ZHANG Bing2
（1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering， Beijing 100076；2.Tianjin Aerospace Relia Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300462）

The structure of the auxiliary support system was improved by adding the air spring and the guide shaft.Aiming at the eccentric problem， several pumps were adopted on the air springs in different positions to increase the ability of anti-overturning moment.An auxiliary support system with high load-bearing ability （above 14 t） and high anti overturning moment ability was established which can be applied on rail transportation test.

auxiliary support system； high load-bearing ability； eccentric； anti-overturning moment

TB534+.2

A

1004-7204（2016）03-0056-03

冯伟（1987-）， 男， 山东省， 工程师，主要从事力学环境试验与仿真技术研究。