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    機(jī)載懸掛裝置振動(dòng)試驗(yàn)安裝方式探討

    2015-11-15 05:12:54王清海周志衛(wèi)
    航空兵器 2015年4期
    關(guān)鍵詞:動(dòng)圈滑臺(tái)振動(dòng)臺(tái)

    王清海,周志衛(wèi)

    (1.海軍駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室,河南 洛陽(yáng) 471009;2.鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司,鄭州 450005)

    0 引 言

    振動(dòng)臺(tái)是進(jìn)行試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備之一,在對(duì)試件實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)之前,需要先把試件安裝到振動(dòng)臺(tái)上,最簡(jiǎn)單的安裝方式是使用夾具將試件與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接起來(lái)。對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)說(shuō),試驗(yàn)夾具的作用遠(yuǎn)不是連接試件那么簡(jiǎn)單,它還要負(fù)責(zé)傳遞振動(dòng)激勵(lì)并使試驗(yàn)件保持或轉(zhuǎn)換到規(guī)定的試驗(yàn)姿態(tài)。因而設(shè)計(jì)一個(gè)合格的振動(dòng)試驗(yàn)夾具也并非易事,需要使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)討論。

    機(jī)載懸掛裝置是在飛機(jī)上掛裝、運(yùn)載和應(yīng)用機(jī)載懸掛物的一種機(jī)載設(shè)備,常常掛裝于飛機(jī)機(jī)身或機(jī)翼的下部,這種安裝方式使得其在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)需要使用一種特殊的籠式試驗(yàn)夾具(見(jiàn)圖1)。

    圖1 傳統(tǒng)的懸掛發(fā)射系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)安裝方式

    這種籠式振動(dòng)試驗(yàn)夾具可使用整體結(jié)構(gòu),也可采用分體式結(jié)構(gòu),但是按照夾具設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和具體應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)這種大型振動(dòng)試驗(yàn)夾具有相當(dāng)?shù)碾y度,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

    (1)大型夾具的模態(tài)復(fù)雜,難以滿足各個(gè)方向上的剛度要求;

    (2)固有頻率較低,在掛載狀態(tài)下,固有頻率會(huì)隨著質(zhì)量的增大而變小;

    (3)夾具重量大,導(dǎo)致試驗(yàn)臺(tái)的推力不足或裕度減小。

    在常規(guī)的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上,解決上述問(wèn)題是一個(gè)難以完成的任務(wù),關(guān)于振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)和應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)也屢見(jiàn)不鮮,但無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。

    1 現(xiàn)有試驗(yàn)安裝方式存在的主要問(wèn)題

    按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)提出的“最大限度地模擬實(shí)際使用情況”要求,懸掛裝置的振動(dòng)試驗(yàn)不僅需要模擬飛行姿態(tài)安裝,而且需要在試驗(yàn)過(guò)程中和結(jié)束后,立即進(jìn)行功能投放試驗(yàn)。事實(shí)上,在部隊(duì)實(shí)際使用中,也曾多次出現(xiàn)過(guò)在飛行過(guò)程中懸掛裝置投放功能異常的情況,這充分說(shuō)明了上述要求的必要性。

    但是,由于受到現(xiàn)有設(shè)備條件的限制,目前在懸掛裝置的振動(dòng)試驗(yàn)中,產(chǎn)品需要通過(guò)籠式夾具安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上,且在試驗(yàn)結(jié)束后,需要先將產(chǎn)品和懸掛物分別拆下,然后安裝在另外的投放試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行投放試驗(yàn)。這種方式存在以下缺點(diǎn):

    (1)試驗(yàn)實(shí)施難度大。由于懸掛裝置外形和重量較大,安裝接口形態(tài)各異,攜帶懸掛物的重量和數(shù)量也各不相同,為了滿足各類(lèi)懸掛裝置的安裝要求,籠式夾具外形尺寸和重量均較大,這種情況將帶來(lái)夾具設(shè)計(jì)難度大、設(shè)備推力不足和由于試驗(yàn)難以實(shí)施而導(dǎo)致的試驗(yàn)進(jìn)度延誤等一系列問(wèn)題;

    (2)產(chǎn)品不能按實(shí)際狀態(tài)參加試驗(yàn)考核。由于現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)不具備投放條件,為了安全起見(jiàn),懸掛裝置在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)不能安裝真實(shí)拋放彈或充入高壓氮?dú)猓囼?yàn)狀態(tài)與掛飛狀態(tài)不一致,因而不能完全、正確地考核產(chǎn)品的振動(dòng)適應(yīng)性;

    (3)試驗(yàn)后投放時(shí)已改變了試驗(yàn)件狀態(tài)。在振動(dòng)試驗(yàn)后進(jìn)行產(chǎn)品功能投放時(shí),需要將產(chǎn)品和懸掛物分別拆下,轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用投放試驗(yàn)臺(tái)上重新安裝,實(shí)施投放。這種做法造成在轉(zhuǎn)移過(guò)程中改變了振動(dòng)試驗(yàn)后的產(chǎn)品狀態(tài)。

    2 倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的提出

    懸掛發(fā)射系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝方式是自上而下的,基于這個(gè)特征,如果將振動(dòng)臺(tái)倒置為臺(tái)面向下,試驗(yàn)安裝將得到大大簡(jiǎn)化。

    對(duì)機(jī)載懸掛裝置來(lái)說(shuō),采用振動(dòng)臺(tái)倒置的方式來(lái)實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)是非常合理的選擇。采用這種方案,只需要將懸掛裝置通過(guò)專(zhuān)用夾具直接安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面之下,即可完成試件的安裝,這不僅大幅度簡(jiǎn)化了試驗(yàn)夾具,也使得試驗(yàn)安裝方式變得更加簡(jiǎn)單快捷。

    這種將振動(dòng)臺(tái)倒置的想法最早于1999年被提出,但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,沒(méi)有實(shí)施的可行性,且需求并不迫切。近幾年,考慮到懸掛裝置變得越來(lái)越大、掛載越來(lái)越重、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,以現(xiàn)有安裝方式試驗(yàn)實(shí)施難度越來(lái)越大,這種倒置式振動(dòng)臺(tái)的想法又一次被提出來(lái)。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)大型振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)也日趨成熟,使得懸掛發(fā)射裝置倒置式振動(dòng)試驗(yàn)方案有了可實(shí)施性。

    同時(shí),按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1063 系列標(biāo)準(zhǔn)的要求,懸掛裝置在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)后,需要立即進(jìn)行投放試驗(yàn)[2],且需要保持與振動(dòng)試驗(yàn)相一致的技術(shù)狀態(tài),而目前的試驗(yàn)安裝方式無(wú)法滿足這一要求。如果采用倒置式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng),這一問(wèn)題則迎刃而解。

    3 懸掛裝置采用倒置式振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)分析

    倒置式振動(dòng)投放試驗(yàn)系統(tǒng)是采用倒置式安裝的振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行懸掛發(fā)射系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn),并在振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后,在不改變?cè)嚰顟B(tài)的條件下進(jìn)行懸掛物投放分離試驗(yàn)的專(zhuān)用試驗(yàn)設(shè)備。這種試驗(yàn)方式具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):

    (1)不再需要籠式振動(dòng)試驗(yàn)夾具,只需要簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)接夾具,簡(jiǎn)化了振動(dòng)試驗(yàn)的安裝方式;

    (2)試驗(yàn)夾具的簡(jiǎn)化使得振動(dòng)臺(tái)的推力能夠得到充分的利用,且傳遞特性也得到大幅改善;

    (3)不再受籠式振動(dòng)試驗(yàn)夾具空間的限制,可以安裝任意形態(tài)的懸掛發(fā)射系統(tǒng)和懸掛物;

    (4)可以使用全狀態(tài)的產(chǎn)品,完全模擬空中掛飛狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn);

    (5)可按國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求在不改變?cè)嚰顟B(tài)的條件下進(jìn)行投放試驗(yàn);

    (6)不再需要對(duì)懸掛物實(shí)施防護(hù),避免了懸掛物意外釋放對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可能造成的損害。

    基于以上原因,在懸掛發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)中,美國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也普遍采用了振動(dòng)臺(tái)倒置的安裝方式,解決了振動(dòng)環(huán)境投放分離試驗(yàn)的問(wèn)題。

    4 倒置式振動(dòng)臺(tái)技術(shù)方案

    如前所述,倒置式振動(dòng)臺(tái)與普通振動(dòng)臺(tái)的最大區(qū)別是在自然狀態(tài)下其臺(tái)面為垂直向下,但從結(jié)構(gòu)和構(gòu)成來(lái)說(shuō),倒置式振動(dòng)臺(tái)和傳統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,因?yàn)槟壳皫缀跛械恼駝?dòng)臺(tái)臺(tái)體都可以手動(dòng)或電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),倒置式只是將臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)了180°而已。

    但是,現(xiàn)有的振動(dòng)臺(tái)并不能直接倒置使用,原因有以下兩點(diǎn):一是倒置后原有的動(dòng)圈懸掛和支撐方式不能適應(yīng)載荷方向的變化,需要加以改進(jìn);二是在進(jìn)行水平方向振動(dòng)時(shí),現(xiàn)有的水平滑臺(tái)的接口形式仍難以滿足懸掛裝置在振動(dòng)中進(jìn)行投放的要求。

    為了解決上述問(wèn)題,針對(duì)倒置式振動(dòng)臺(tái)關(guān)鍵部件提出了下述技術(shù)方案:

    (1)動(dòng)圈(試件)支撐方式的改進(jìn)

    動(dòng)圈是振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵部件之一,除了用于連接受試的產(chǎn)品(通過(guò)夾具)并將振動(dòng)激勵(lì)載荷傳遞到受試產(chǎn)品之外,其另一個(gè)重要用途是將受試產(chǎn)品支撐到振動(dòng)臺(tái)的平衡位置,否則裝有試件的動(dòng)圈將不能保持其在磁場(chǎng)中的平衡位置而無(wú)法完成振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)于動(dòng)圈(試件)支撐功能,通常采用內(nèi)部氣室支撐和空氣彈簧支撐兩種方式[3]。

    由于倒置式振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)圈是向下的,因而動(dòng)圈的支撐方式需要特殊設(shè)計(jì),最簡(jiǎn)單而有效的方式是采用獨(dú)立于振動(dòng)臺(tái)的外支撐裝置,采用這樣的方式,現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)不需要作任何改變。圖2 所示為這種獨(dú)立支撐裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。

    圖2 倒置式振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)圈支撐方式

    (2)水平滑臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

    水平滑臺(tái)是振動(dòng)臺(tái)完成水平方向振動(dòng)試驗(yàn)的必備附件,圖3 所示為目前懸掛發(fā)射系統(tǒng)水平方向振動(dòng)的典型實(shí)施方式,即振動(dòng)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到水平位置與水平滑臺(tái)對(duì)接,試件系統(tǒng)通過(guò)籠式夾具安裝到水平滑臺(tái)上。

    圖3 目前水平方向振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施方式

    為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)安裝方式,水平滑臺(tái)也可以采用倒置式安裝接口,即在水平滑臺(tái)中部設(shè)置安裝接口,滑臺(tái)基座下面預(yù)留試件安裝位置。這樣,水平方向振動(dòng)可以與垂向振動(dòng)一樣擺脫籠式夾具的煩擾,采用同一套夾具即可完成所有方向的振動(dòng)試驗(yàn),如圖4 所示。

    圖4 在水平方向上的倒置振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方式

    目前,國(guó)內(nèi)的水平滑臺(tái)一般采用技術(shù)和制造難度較低的靜壓軸承滑臺(tái),這種結(jié)構(gòu)的水平滑臺(tái)在抗傾覆和偏轉(zhuǎn)力矩方面具有優(yōu)勢(shì),且易于實(shí)施上述倒置式改造。

    5 倒置式振動(dòng)臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)分析[4 -6]

    倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的提出,從根本上改變了懸掛發(fā)射裝置振動(dòng)試驗(yàn)的安裝方式,簡(jiǎn)化了安裝環(huán)節(jié),降低了夾具設(shè)計(jì)和加工難度。

    但是,在應(yīng)用之前,應(yīng)對(duì)潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分分析和估計(jì),并針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)采取措施。

    (1)倒置式振動(dòng)方式的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

    由以上分析可以看出,采用倒置式振動(dòng)臺(tái),從試驗(yàn)設(shè)備來(lái)說(shuō),其結(jié)構(gòu)變化不大。在垂向振動(dòng)時(shí),只需要增加外置式動(dòng)圈支撐裝置;而在水平方向振動(dòng)時(shí),則需要增加轉(zhuǎn)接夾具,且需要對(duì)水平滑臺(tái)進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)承載設(shè)計(jì)。不過(guò),這些變化所采用的均是成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù),因而具有可行性。

    同時(shí),采用倒置式振動(dòng)臺(tái)之后,安裝結(jié)構(gòu)形式的變化與傳統(tǒng)的籠式夾具相比,不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、質(zhì)量輕、剛性好,且傳遞特性得到了大幅改善。

    (2)系統(tǒng)隔振要求及其影響分析

    由于懸掛裝置掛裝懸掛物質(zhì)量大,振動(dòng)試驗(yàn)量值大,若不采取有效的隔振設(shè)計(jì),振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)會(huì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)框架和地基產(chǎn)生不利影響,可能引起試驗(yàn)臺(tái)框架共振、降低設(shè)備使用壽命,嚴(yán)重時(shí)可能通過(guò)地基傳遞振動(dòng),影響周?chē)渌O(shè)備的正常運(yùn)行。

    振動(dòng)臺(tái)隔振就是在動(dòng)圈(試件)與臺(tái)體基礎(chǔ)之間設(shè)置隔振裝置,目的是降低或消除振動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。在振動(dòng)臺(tái)行業(yè),一般采用空氣彈簧隔振,隔振頻率一般選擇低于試驗(yàn)頻率范圍的底限,通常選擇為2.5 Hz 以下。通過(guò)合理選用空氣彈簧的承載能力和額定工作壓力,可以很好地滿足上述隔振要求。

    (3)振動(dòng)中投放對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的影響

    使用倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可以給懸掛發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)考核帶來(lái)諸多便利,也更加符合相關(guān)軍標(biāo)的要求,但也給試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程帶來(lái)不利影響。

    a. 投放載荷對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的影響

    在振動(dòng)試驗(yàn)中投放時(shí),存在兩個(gè)問(wèn)題:一是彈射過(guò)程會(huì)對(duì)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈及其懸掛組件和水平滑臺(tái)施加沖擊載荷,這一載荷可能損壞相關(guān)組件,或使懸掛組件改變懸掛特性;二是彈射載荷可能導(dǎo)致動(dòng)圈行程過(guò)大,從而使試驗(yàn)系統(tǒng)過(guò)位移而停機(jī),導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。

    對(duì)于上述問(wèn)題,需要在振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上加強(qiáng)動(dòng)圈及其懸掛組件和水平滑臺(tái)的抗沖擊載荷能力,同時(shí),調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)阻尼,使其在沖擊載荷作用下不致出現(xiàn)過(guò)位移而停機(jī)。上述措施可能涉及到機(jī)械系統(tǒng)和功率放大器的綜合設(shè)計(jì)。

    當(dāng)上述措施難以實(shí)施或奏效時(shí),建議采取停機(jī)后投放的方式,即在振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后,將臺(tái)面鎖定在中間位置(鎖緊動(dòng)圈支撐件),再實(shí)施投放。此時(shí),沖擊載荷直接作用在鎖定裝置上,并通過(guò)鎖定裝置將沖擊載荷傳遞到設(shè)備基礎(chǔ)。在此過(guò)程中,不需要對(duì)試件進(jìn)行任何操作,且動(dòng)圈不受載。因而,可以解決上述一系列問(wèn)題,又保證試件在投放時(shí)的狀態(tài)與振動(dòng)時(shí)的狀態(tài)保持一致。

    b. 懸掛物的緩沖問(wèn)題

    當(dāng)振動(dòng)中或結(jié)束后投放時(shí),懸掛物在彈射載荷和重力作用下下落,據(jù)估算,其下落到地面的速度可達(dá)至少10 m/s。重達(dá)1 000 kg 的懸掛物以10 m/s 的速度下落將對(duì)地面產(chǎn)生巨大的沖擊能量,這對(duì)地面和設(shè)備都將產(chǎn)生不良影響。

    為了消除上述影響,可采用高密度低回彈海綿(又稱記憶海綿)作為緩沖材料。這種新型海綿采用高密度發(fā)泡材料制成,具有較高的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量密度。當(dāng)重物下落對(duì)海綿產(chǎn)生壓縮時(shí),材料中的空腔會(huì)以一定速度排出空氣,從而吸收沖擊能量;當(dāng)重物能量被完全吸收后,該材料不會(huì)像傳統(tǒng)海綿那樣迅速恢復(fù),因?yàn)槠湮湛諝獾乃俣容^慢,回彈量很小,也就不會(huì)出現(xiàn)懸掛物回彈碰壞產(chǎn)品和設(shè)備的問(wèn)題。

    (4)倒置式振動(dòng)方式的安全風(fēng)險(xiǎn)

    采用倒置式振動(dòng)方式,在產(chǎn)品安裝、設(shè)備維護(hù)和維修方面將會(huì)帶來(lái)一些變化,例如:在產(chǎn)品試驗(yàn)安裝方式上,傳統(tǒng)的吊車(chē)起吊方式將變?yōu)橥屑芘e升方式。而在設(shè)備日常維護(hù)方面幾乎沒(méi)有不同。

    在設(shè)備維修時(shí),需要先將動(dòng)圈支撐件拆掉,再將振動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)為動(dòng)圈朝上狀態(tài),隨后可以像維修普通振動(dòng)臺(tái)一樣進(jìn)行檢查和修理。

    在試驗(yàn)操作過(guò)程中,需要注意重物從高處掉落的風(fēng)險(xiǎn),這種風(fēng)險(xiǎn)與在高處運(yùn)行的其他類(lèi)型的設(shè)備是類(lèi)似的。避免高處掉物需要從設(shè)備設(shè)計(jì)和使用管理兩個(gè)角度去解決。

    由以上分析可以看出,與其他設(shè)備相比,倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的安全風(fēng)險(xiǎn)并不高,甚至還要低于大部分現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備,只要加強(qiáng)管理,規(guī)范操作,并使試驗(yàn)人員養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣,這些風(fēng)險(xiǎn)都可以規(guī)避。

    6 結(jié) 束 語(yǔ)

    倒置式振動(dòng)臺(tái)雖然在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)應(yīng)用,但在國(guó)外的懸掛發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用多年。倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在懸掛發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)中具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì),且技術(shù)成熟度高,設(shè)計(jì)制造的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和使用操作的安全風(fēng)險(xiǎn)較小,應(yīng)積極開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。此外,在動(dòng)圈支撐結(jié)構(gòu)和水平滑臺(tái)的設(shè)計(jì)方面,還需要在實(shí)施過(guò)程中針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行工程化設(shè)計(jì),以增強(qiáng)設(shè)備的抗載荷能力。

    可以預(yù)見(jiàn),倒置式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用,將徹底解決困擾多年的懸掛發(fā)射裝置在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中不能進(jìn)行投放檢測(cè)的問(wèn)題,產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性可以得到更加真實(shí)和嚴(yán)格的考核,這將有利于提高試驗(yàn)水平和產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量,有效降低主機(jī)試飛風(fēng)險(xiǎn)。

    [1]Klee B J,Kimball D V,Tustin W. Vibration and Shock Test Fixture Design[M]. Tustin Institute of Technology,1971.

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