振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展概述

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展概述

何陽，蔣春梅，張建全

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

以電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和壓電激振器與離心機(jī)復(fù)合發(fā)展為主線，系統(tǒng)總結(jié)了以離心機(jī)為主體的振動(dòng)離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展歷程以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與離心機(jī)復(fù)合的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)。最后介紹了振動(dòng)離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及展望。

復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)；加速度-振動(dòng)；高頻振動(dòng)；離心機(jī)；電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)

隨著人們對(duì)自然環(huán)境認(rèn)識(shí)的不斷深入以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，真實(shí)環(huán)境模擬經(jīng)歷了從多個(gè)單因素環(huán)境試驗(yàn)簡(jiǎn)單疊加到復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的轉(zhuǎn)變。在許多情況下，2個(gè)及2個(gè)以上的環(huán)境因素復(fù)合作用比單一環(huán)境因素疊加組合作用更為嚴(yán)苛[1—3]，這是因?yàn)槿藗儗?duì)多環(huán)境因素之間的復(fù)雜非線性耦合關(guān)系并不能給出定量描述[4]。因此，發(fā)展多因素復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)已成為人們的共識(shí)和期望[5—6]。

航天器工作最嚴(yán)酷的環(huán)境出現(xiàn)在發(fā)射階段和返回再入階段，這兩個(gè)階段最典型的環(huán)境條件是高加速度、振動(dòng)、溫度、氣壓、噪聲復(fù)合環(huán)境[7]，這5個(gè)因素是造成航天器結(jié)構(gòu)及其零部件失效的重要因素[8]。在多因素復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中，高加速度與振動(dòng)復(fù)合是兩個(gè)最基本的因素，其余因素可以在此基礎(chǔ)上復(fù)合，因此文中討論高加速度與振動(dòng)兩個(gè)因素復(fù)合的情況。航天器典型的飛行過程中一般有沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、正弦掃描等工況，其振動(dòng)特點(diǎn)是響應(yīng)所包絡(luò)的頻區(qū)很寬[9]，約 20～2000 Hz[10]，有的需求甚至要求更高。航天器一旦出故障會(huì)造成慘重的損失，因此設(shè)計(jì)定型前，航天器需要進(jìn)行振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)，且試驗(yàn)條件要覆蓋可能遇到的振動(dòng)加速度復(fù)合環(huán)境強(qiáng)度。這就迫切需要一種加速度-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，要求具有寬的振動(dòng)頻率范圍、較高的過載加速度，且能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波、脈沖波與隨機(jī)波的復(fù)現(xiàn)。

復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)以離心機(jī)為平臺(tái)，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心慣性力模擬器件過載加速度，并在其上復(fù)合其他環(huán)境因素。離心機(jī)按其功能或用途，通?？煞譃橥凉るx心機(jī)、例行試驗(yàn)離心機(jī)、載人離心機(jī)以及用于檢測(cè)標(biāo)定的精密離心機(jī)等。與此同時(shí)，用在離心機(jī)上的激振器主要有電液式、電動(dòng)式和壓電式三種。其中電液式激振器由于具有載荷-體積比大的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于土工離心機(jī)上進(jìn)行地震模擬[11—13]，是目前離心機(jī)上的主流激振器。由于液壓系統(tǒng)流體介質(zhì)的特性，電液式激振器能達(dá)到的最高響應(yīng)頻率約為 400 Hz[14]，這樣限制了電液式激振器在大頻寬振動(dòng)環(huán)境模擬中的應(yīng)用。目前離心機(jī)上電動(dòng)式與壓電式激振器均屬于高頻激振器，最高激振頻率達(dá)2000 Hz。早期研制的離心機(jī)上電動(dòng)式激振器和壓電式激振器由于技術(shù)原因激振頻率在500 Hz以下，如美國(guó)埃德瓦茨空軍基地的6.71 m臂長(zhǎng)離心機(jī)上的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，其頻寬為20 ～ 300 Hz[15]；1991年日本Chuo大學(xué)研制的首個(gè)用于土工離心機(jī)上的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，其頻寬為 50～400 Hz[16]；以及1982年美國(guó)人Arulanandan首次在離心機(jī)上應(yīng)用的壓電激振器，其頻寬為100～500 Hz[17—18]。為了梳理電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與壓電激振器兩種高頻激振器與離心機(jī)復(fù)合的發(fā)展歷程，文中將兩種激振器的早期研制情況也納入分析。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)是世界上最早進(jìn)行加速度-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)研制的國(guó)家。早在1970年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在一臺(tái)7.6 m半徑臂長(zhǎng)的離心機(jī)上安裝了兩臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行加速度-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境模擬[19]，但是當(dāng)時(shí)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)采用水冷而導(dǎo)致在高離心場(chǎng)下供水困難，而且系統(tǒng)過于龐大使得拆裝困難[20]。由于早期的系統(tǒng)慣量很大，系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)所需的線加速度需要較長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致試驗(yàn)成本居高不下，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)此問題進(jìn)行一系列改進(jìn)，將電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)改用風(fēng)冷，同時(shí)考慮到測(cè)試的對(duì)象質(zhì)量輕，因此在較小的離心機(jī)平臺(tái)上復(fù)合電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)[21]。該小型離心機(jī)臂長(zhǎng)半徑為1.83 m，最大離心加速達(dá)150g。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)有兩個(gè)工位：順臂振動(dòng)和垂臂振動(dòng)，但是文獻(xiàn)[21]只提到垂臂振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并未開展順臂振動(dòng)試驗(yàn)，而且垂臂振動(dòng)結(jié)果不盡如人意。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)頻寬為0～3000 Hz，最大負(fù)載質(zhì)量（含夾具）為4.536 kg，在空氣靜壓軸承的支撐下，能在50g的離心環(huán)境下工作。1989年，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室克服了電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合設(shè)備上的一系列難題，推出了一臺(tái)較為完善的設(shè)備——VIBRAFUGE[22—23]，如圖1所示。VIBRAFUGE將電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)安裝在一臺(tái)8.82 m半徑臂長(zhǎng)的離心機(jī)上[24]，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 50g的離心加速度環(huán)境下復(fù)合頻寬為 10～2000 Hz、加速度為 20g的振動(dòng)，可測(cè)試試件質(zhì)量不大于13.6 kg。據(jù)文獻(xiàn)[24]稱，由于當(dāng)時(shí)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)垂臂振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致支承系統(tǒng)復(fù)雜，并會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)滯后，因此采用順臂振動(dòng)方式。垂臂方向振動(dòng)通過一個(gè)換向器MVDF將順臂振動(dòng)轉(zhuǎn)換而來，如圖2所示。能夠?qū)崿F(xiàn)在40g的加速度環(huán)境中對(duì)2.25 kg的試件復(fù)合均方根值為 3g的振動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)的需要，Sandia實(shí)驗(yàn)室在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)以及改進(jìn)過程中，也嘗試將電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)垂臂安裝，但是離心加速度不能超過50g[25]。

圖1 Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的VIBRAFUGEFig.1 VIBAFUGE in Sandia National Laboratories

圖2 換向器MDVFFig.2 Multiple direction vibration fixture

Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在復(fù)合非徑向振動(dòng)時(shí)，在高于50g的線加速度環(huán)境中，由于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)負(fù)載能力的限制，以及高線加速度下電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)內(nèi)部元件（如電樞線圈等）應(yīng)力過大，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失效而無法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)[25]。為了在100g線加速度環(huán)境中復(fù)合均方根值為30g的振動(dòng)，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在8.82 m半徑臂長(zhǎng)的離心機(jī)復(fù)合了壓電激振器，如圖3所示，壓電激振器可在2000g的高線加速度環(huán)境下工作。2005—2006年間報(bào)道了Sandia實(shí)驗(yàn)室做了一系列的試件發(fā)射與再入階段測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并取得成功，證明壓電激振器已經(jīng)超越了先前安裝的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，唯一不足的是壓電激振器的行程很小，最大振幅（峰峰值）為100 μm。根據(jù)目前的資料，基于壓電振動(dòng)-離心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，Sandia實(shí)驗(yàn)室能夠在100g的線加速度環(huán)境中對(duì)22.5 kg的試件復(fù)合15g，頻率范圍為20～2000 Hz的振動(dòng)[26]。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)是目前所知功能最完備的系統(tǒng)之一。

圖3 壓電振動(dòng)-離心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Piezo-electric Vibrafuge

1988年，美國(guó)原 Wyle實(shí)驗(yàn)室也研制了與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室類似的離心-電動(dòng)振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備[27]。早期的試驗(yàn)設(shè)備由于受離心場(chǎng)的影響，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的推力遠(yuǎn)低于額定值。1989年，Wyle實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了不足，研制出第二代設(shè)備[4]。目前Wyle實(shí)驗(yàn)室在振動(dòng)和離心的基礎(chǔ)上，復(fù)合了高度（控制氣壓）和溫度環(huán)境因素，開發(fā)了綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備（Combined Environment Test System，CETS），用于精密機(jī)械/電子部件級(jí)測(cè)試。其電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)也采用風(fēng)冷，可實(shí)現(xiàn)垂臂振動(dòng)或順臂振動(dòng)。目前Wyle實(shí)驗(yàn)室公開的典型CETS系統(tǒng)參數(shù)為：激振器有效載荷為25 kg，正弦峰值加速度20g，頻率范圍為 10～2000 Hz，最大振幅（峰峰值）為25 mm，能夠復(fù)現(xiàn)正弦波和隨機(jī)波，離心機(jī)最大線加速度為50g[28]。

1986年左右，原法國(guó)原子能委員會(huì)（C.E.A，現(xiàn)更名為法國(guó)原子能與可再生能源委員會(huì)）試驗(yàn)中心在其 10 m 半徑臂長(zhǎng)的離心機(jī)上安裝了一臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，用于土工實(shí)驗(yàn)地震模擬。該離心機(jī)最大線加速度為100g[29]，激振器最大輸出力為1000 N，振幅（峰峰值）為25 mm，但是其激振頻率范圍只10～200 Hz[30]。此外，據(jù)參考文獻(xiàn)[31—33]稱，C.E.A還有一臺(tái)13 m半徑臂長(zhǎng)的電動(dòng)式振動(dòng)-離心機(jī)，其最大加速度為50g，振動(dòng)臺(tái)能夠提供13 kN的推力，試驗(yàn)頻率范0.1～2000 Hz，還可復(fù)合溫度環(huán)境為衛(wèi)星分系統(tǒng)及其組件提供復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)。

在未解決電液激振器在離心場(chǎng)中工作的難題之前，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)是離心機(jī)上最常見的激振器。隨著電液振動(dòng)-離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)的成熟及其突出的優(yōu)點(diǎn)，以及土工離心機(jī)的快速發(fā)展，電液激振器取代電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)成為目前離心機(jī)上最常用的激振器。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和壓電激振器多用于涉及寬頻振動(dòng)的航天器發(fā)射與再入復(fù)合環(huán)境模擬。其中電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)備發(fā)展已經(jīng)較為成熟，出現(xiàn)系列化的商用產(chǎn)品[34]。壓電振動(dòng)-離心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)備目前應(yīng)用很少，但其具有質(zhì)量輕、可模塊化組裝、安裝方式靈活以及能夠承受高線加速度環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于離心機(jī)為主體的加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)涉及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，以及出于商業(yè)保密的需要，相關(guān)資料較少。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)研制方面較為落后。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行復(fù)合環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)追蹤和研制，但當(dāng)時(shí)是以離心機(jī)或振動(dòng)臺(tái)為主體，復(fù)合溫度、濕度、高度、噪聲等環(huán)境因素，并沒有進(jìn)行加速度與振動(dòng)復(fù)合[15]。在20世紀(jì)80年代中期，中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行在離心機(jī)上復(fù)合電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的嘗試，但是由于激振器動(dòng)圈在離心場(chǎng)下發(fā)生偏離，無法振動(dòng)，最后導(dǎo)致線圈燒毀[31]。由于技術(shù)難度過大，以及當(dāng)時(shí)沒有適合在離心場(chǎng)下工作的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，因此研究轉(zhuǎn)入對(duì)國(guó)外的設(shè)備跟蹤以及理論研究，其中最有代表的是中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所的王保乾，他主要跟蹤美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室的兩代加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，并結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)為以后國(guó)內(nèi)同類設(shè)備的研制提供了很多有用的建議[35]。20世紀(jì)90年代西安交通大學(xué)與中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合對(duì)加速度-電動(dòng)振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行理論研究，由于當(dāng)時(shí)離心機(jī)上復(fù)合電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的難度較大，于是在20g的離心場(chǎng)環(huán)境下復(fù)合一臺(tái)50 N的電液激振器做實(shí)驗(yàn)[4]。此后國(guó)內(nèi)研制的加速度-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備多為以離心機(jī)為主體復(fù)合電液式激振器。

直到2002年，浙江大學(xué)研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)-離心-熱環(huán)境綜合環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)，如圖4所示。其用于理論研究，能夠?qū)崿F(xiàn)的最大線加速度為10g，最大振動(dòng)加速度為1g，最大負(fù)載為1 kg，頻率范圍為10～500 Hz。浙江大學(xué)也提醒各研究者們，如果要設(shè)計(jì)一臺(tái)大型三維電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)裝備，其總體布局結(jié)構(gòu)將與其設(shè)計(jì)的樣機(jī)發(fā)生重大改變[36—37]。

圖4 浙江大學(xué)綜合環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)Fig.4 Diagram of thermal-vibration combined environment under high-linear-acceleration in Zhejiang University

2005年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所為了模擬吸力式桶形基礎(chǔ)在受到等效動(dòng)冰載作用下的響應(yīng)情況，介紹了一種動(dòng)力加載設(shè)備，即在清華大學(xué)50gt載荷容量的離心機(jī)上復(fù)合一臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。設(shè)備線加速度為80g，振動(dòng)頻寬為1～120 Hz，負(fù)載質(zhì)量為14 kg，激振器輸出力為100 N[38]。

2014年，隨著北京強(qiáng)度環(huán)境研究所400gt綜合離心環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的投入使用（如圖5所示），標(biāo)志著我國(guó)具有工程實(shí)用的加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)。該離心機(jī)轉(zhuǎn)臂半徑為7.5 m，最大線加速度為 100g[39]。采用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，最大推力為20 kN（后續(xù)可升級(jí)至50 kN），振動(dòng)頻率為10～2000 Hz，采用風(fēng)冷技術(shù)，激振器順臂振動(dòng)。該設(shè)備由于試件質(zhì)量較小，并沒有采取隔振減振措施。

圖5 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所的復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Combined environment test system in Beijing Institute of Structure and Environment Engineering

此外，文獻(xiàn)[40]提到哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在研制基于精密離心機(jī)平臺(tái)的復(fù)合離心機(jī)，可用于慣性儀表發(fā)射與再入階段加速度-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境的模擬。目前，國(guó)內(nèi)尚未有在離心機(jī)上采用壓電激振器的報(bào)道。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外典型加速度—高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外典型加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)Table 1 Representative combined acceleration and high- frequency vibration environment simulator domestic and overseas

3 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

為保障電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)或壓電激振器工作在高線加速度環(huán)境中正常工作，對(duì)激振器和離心機(jī)均提出了更高的要求。

3.1 高效的冷卻系統(tǒng)研制

冷卻系統(tǒng)制約激振器在更高線加速度環(huán)境下使用，甚至造成激振器損壞，在 Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研制歷程中，可以充分說明這一點(diǎn)。Sandia實(shí)驗(yàn)室在壓電激振器與離心機(jī)的復(fù)合試驗(yàn)中，對(duì)激振器的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制激振器持續(xù)工作的時(shí)間，以避免激振器損毀[23]。目前報(bào)道的離心-電動(dòng)振動(dòng)復(fù)合設(shè)備上的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)均采用強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)，但隨著電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的出力和功率增加，發(fā)熱量也越來越大，需要高效的冷卻系統(tǒng)，目前最有發(fā)展?jié)摿Φ氖撬浼夹g(shù)。早期 Sandia實(shí)驗(yàn)室研制的第一臺(tái)離心-電動(dòng)振動(dòng)復(fù)合設(shè)備上存在離心場(chǎng)下供水困難的問題，但是隨著離心-電液激振器復(fù)合設(shè)備的發(fā)展，在離心場(chǎng)下提供液體的問題已經(jīng)解決。目前仍存在困難的是離心場(chǎng)下電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的線圈密封以及絕緣可靠性問題。

3.2 變負(fù)載平衡對(duì)中技術(shù)與導(dǎo)向支承技術(shù)

對(duì)于順臂振動(dòng)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，在高線加速度環(huán)境下，動(dòng)圈受離心力作用偏向極限位置而無法振動(dòng)，因此需要在不同加速度環(huán)境和負(fù)載質(zhì)量下使動(dòng)圈回到平衡位置。Sandia實(shí)驗(yàn)室在電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)備中采用氣囊（Air bag）平衡對(duì)中技術(shù)，即根據(jù)位移傳感器的反饋信號(hào)控制氣動(dòng)伺服閥對(duì)氣囊充放氮?dú)猓瑥亩{(diào)節(jié)氣囊中的壓力大小，以實(shí)時(shí)平衡動(dòng)圈離心力。中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所王寶乾根據(jù)氣囊平衡對(duì)中技術(shù)并結(jié)合工作實(shí)際，提出了一種“伺服氣壓彈簧補(bǔ)償法”，通過調(diào)節(jié)氣缸活塞桿兩側(cè)的壓力，可以實(shí)現(xiàn)雙向平衡[35]。浙江大學(xué)的復(fù)合環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)也采用類似的原理[41—42]，如圖6所示，并證實(shí)氣囊具有較大的靜承載能力和較小的動(dòng)剛度。目前，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)已將變負(fù)載平衡對(duì)中系統(tǒng)集成至激振器中。大負(fù)載電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)采用油氣彈簧和蓄能器組合進(jìn)行負(fù)載平衡對(duì)中，通過充放液壓油實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓的控制，具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。北京強(qiáng)度環(huán)境研究所研制的離心機(jī)上的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)均采用類似的“油氣彈簧”原理平衡負(fù)載。

圖6 氣囊式位移反饋動(dòng)圈糾偏系統(tǒng)Fig.6 Smart armature correction system with gas cell displacement feedback

Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)離心機(jī)上的壓電激振器采用“變負(fù)載對(duì)中技術(shù)”（The variable load centering technique），如圖3和圖7所示。其核心是用配重質(zhì)量與試件質(zhì)量近似相等，配重和試件同處于相同的離心場(chǎng)下，能夠在不同加速度環(huán)境下始終保持對(duì)中。其中尼龍繩具有一定的減振隔振效果，這種變負(fù)載對(duì)中技術(shù)在試驗(yàn)中取得成功[23]。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)于不同質(zhì)量的試件需要制作不同的配重，此外這種技術(shù)只適用與小質(zhì)量負(fù)載，對(duì)于大質(zhì)量負(fù)載，對(duì)尼龍繩的強(qiáng)度和負(fù)載對(duì)中柱的剛度要求很高。

對(duì)于垂臂振動(dòng)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，在高線加速度環(huán)境下，動(dòng)圈受離心力作用偏向定圈，導(dǎo)致動(dòng)圈與定圈之間摩擦力過大，這樣大幅降低了激振器的輸出力，甚至無法振動(dòng)導(dǎo)致線圈燒毀。美國(guó) Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用空氣靜壓支承（Air bearing）解決這一難題[21]。此外，順臂振動(dòng)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)也需導(dǎo)向支承以克服負(fù)載和動(dòng)圈引起的傾覆力矩。目前商用的大推力電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)多采用液體靜壓軸承。

圖7 Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室變負(fù)載對(duì)中技術(shù)Fig.7 The variable load centering technique

3.3 離心機(jī)轉(zhuǎn)臂平衡系統(tǒng)及隔振系統(tǒng)

對(duì)于電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)具有體積、質(zhì)量大且出力小的缺點(diǎn)，因而對(duì)離心機(jī)也提出了更高的要求。要求離心機(jī)具有更高的載荷容量、更高的結(jié)構(gòu)剛度以承受大的振動(dòng)載荷。要求電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)備上應(yīng)用高效的轉(zhuǎn)臂平衡系統(tǒng)，能夠快速調(diào)整配重，具有高精度的不平衡探測(cè)器和適用于連續(xù)工作的重型軸承系統(tǒng)。

振動(dòng)容易激發(fā)離心機(jī)臂的固有頻率，并且會(huì)將激振力傳遞給轉(zhuǎn)臂支承和傳動(dòng)系統(tǒng)，因此復(fù)合大推力振動(dòng)臺(tái)的離心機(jī)必須具備隔振系統(tǒng)。離心機(jī)的隔振系統(tǒng)是研制的難點(diǎn)。目前常用隔振方式有以下幾種[43—45]。

1）橡膠隔振。這是一直以來最常用的隔振方式，具有承載小、剛度和阻尼大的特點(diǎn)，可在壓縮和剪切兩種狀態(tài)使用，但是其具有易老化、易蠕變的缺點(diǎn)。王保乾提出一種剪切減震器系統(tǒng)，如圖8所示，其核心是利用橡膠隔振，使得振動(dòng)臺(tái)-剪切減震器系統(tǒng)的固有頻率為5 Hz左右。并設(shè)計(jì)壓力補(bǔ)償缸平衡振動(dòng)臺(tái)的離心力，避免橡膠隔振墊被壓緊，這種隔振方式對(duì)順臂或垂臂振動(dòng)均有效[35]。董龍雷等人提出了一種圓柱型橡膠減震器，以實(shí)現(xiàn)離心機(jī)與激振器的三個(gè)方向減振，在剪切橡膠方向?qū)崿F(xiàn)主減振[46]。目前橡膠隔振有許多成熟的系列化的產(chǎn)品。

圖8 激振器與離心機(jī)臂之間的隔振方式Fig.8 Vibration isolation between actuator and centrifuge arm

2）柔性帶（柔性板）隔振。將振動(dòng)臺(tái)通過柔性帶或柔性板懸吊在離心機(jī)上。柔性板可以用彈簧鋼板制成，為了取得更好的隔振效果，可安裝阻尼器增加系統(tǒng)阻尼。

3）鋼絲繩隔振[47]。鋼絲繩屬于非線性隔振器，中國(guó)工程物理研究院周桐在振動(dòng)加速環(huán)境下分析其特性，發(fā)現(xiàn)過載量級(jí)和振動(dòng)量級(jí)均會(huì)改變隔振系統(tǒng)的共振頻率[48]，但目前尚未有用于離心機(jī)上的報(bào)道。

4）空氣彈簧隔振?？諝鈴椈删哂谐休d力大剛度低的優(yōu)點(diǎn)。目前，該隔振方式廣泛用于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與地基之間的隔振，中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所正在研究將此隔振方式應(yīng)用到多個(gè)型號(hào)的離心機(jī)上。離心機(jī)上復(fù)合大推力電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)要求將整個(gè)離心機(jī)臂作為反振質(zhì)量以達(dá)到激振器額定輸出推力值，因此空氣彈簧很適合用于加速度-高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的隔振。

5）彈簧阻尼隔振。通常由金屬?gòu)椈珊妥枘崞鹘M成，也可由彈簧經(jīng)阻尼處理單獨(dú)構(gòu)成，多用于車輛減振，具有承載大、變形量大的特點(diǎn)。其水平剛度小，易晃動(dòng)，不適用于精密隔振。浙江大學(xué)在其自研的電動(dòng)振動(dòng)-離心-熱環(huán)境綜合環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)采用這類隔振系統(tǒng)[2]。

上述隔振方式均為被動(dòng)隔振。被動(dòng)隔振對(duì)高頻段振動(dòng)抑制效果良好，但對(duì)于低頻段和超低頻段隔振效果不理想，因此可將主動(dòng)隔振與被動(dòng)隔振結(jié)合使用[49—50]?？蓪弘娀虺胖律炜s主動(dòng)隔振與被動(dòng)隔振方式結(jié)合起來解決離心機(jī)上寬頻隔振問題。離心-振動(dòng)復(fù)合會(huì)引入科式加速度，引起系統(tǒng)多方向耦合振動(dòng)，因此需對(duì)寬頻振動(dòng)在離心機(jī)上的傳遞過程及耦合途徑進(jìn)行深入分析，然后確定合理的隔振系統(tǒng)布局以盡量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)解耦。

4 發(fā)展趨勢(shì)及展望

目前，復(fù)合環(huán)境模擬系統(tǒng)正從某兩個(gè)因素復(fù)合朝更多因素復(fù)合發(fā)展，在加速度和振動(dòng)基礎(chǔ)上，陸續(xù)復(fù)合溫度、濕度、真空、噪聲、氣動(dòng)甚至輻射等因素。在加速度與振動(dòng)兩個(gè)因素復(fù)合的基本系統(tǒng)中，仍有許多改進(jìn)空間，總結(jié)如下。

1）提升測(cè)試負(fù)載容量。將測(cè)試能力從現(xiàn)在的一百多千克提升到一噸以上，實(shí)現(xiàn)從部件級(jí)測(cè)試到系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。同時(shí)將過載加速度提高到100g以上。

2）增加頻寬范圍[26]。將現(xiàn)有頻率范圍分別向更高頻段和更低頻段延伸，以更真實(shí)地模擬試件實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)。

3）將加速度、振動(dòng)與試件自旋運(yùn)動(dòng)復(fù)合[26]。加入多軸自旋運(yùn)動(dòng)以真實(shí)模擬某些航天器在再入段的真實(shí)狀態(tài)。

4）實(shí)現(xiàn)與過載加速度方向的任意夾角振動(dòng)?？稍陔x心機(jī)上設(shè)計(jì)滾轉(zhuǎn)框，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)方向的變化，可模擬航天器在機(jī)動(dòng)變軌中的載荷情況。

5）離心場(chǎng)快加速快減速。文獻(xiàn)[26]中提到由于大型離心機(jī)的慣量很大，兩個(gè)受載工況切換中，加速度下降不夠迅速，與火箭實(shí)際受載不符。盡管人們關(guān)心的是加速度上升階段，但是這也是一個(gè)潛在的改進(jìn)點(diǎn)。

6）壓電激振器的串聯(lián)、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)研究。壓電激振器存在的最大缺點(diǎn)就是振幅過小，因此可將多個(gè)壓電激振器串聯(lián)增大輸出位移，通過多個(gè)壓電激振器并聯(lián)可增大輸出力。

7）離心機(jī)上復(fù)合二維振動(dòng)。在航天器發(fā)射和再入過程中，除了發(fā)動(dòng)機(jī)引起振動(dòng)外，還有風(fēng)阻和噪聲引起的振動(dòng)，這些情況僅用一維振動(dòng)描述是不全面的，因此需引入二維振動(dòng)。目前在土工離心機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合二維振動(dòng)模擬地震，考率到電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與電液激振器的差異，目前在加速度—高頻振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)采用二維電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)難度很大，因此比較可行的方式是在電動(dòng)振動(dòng)-離心復(fù)合設(shè)備上再?gòu)?fù)合壓電激振器。

8）激振器、試驗(yàn)箱模塊化設(shè)計(jì)并統(tǒng)一與離心機(jī)的接口。離心機(jī)作為特種設(shè)備需求量小，并且服役壽命長(zhǎng)。在未來的復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)中要突出離心機(jī)為主體的地位，在設(shè)計(jì)中考慮離心機(jī)的改進(jìn)潛力。將離心機(jī)臂作為反振質(zhì)量并在離心機(jī)臂與主軸之間安裝隔振系統(tǒng)，將激振器、試驗(yàn)箱等作為離心機(jī)的附屬設(shè)備，這樣可以將兩種或多種環(huán)境因素自由組合。

5 結(jié)語

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的使用壽命和可靠性受到越來越多的關(guān)注。為了降低發(fā)射成本，要求航天器在保證安全可靠的前提下盡可能減少質(zhì)量，因此航天器在設(shè)計(jì)定型前，需要進(jìn)行振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)。近來我軍提出面對(duì)“實(shí)戰(zhàn)化”作戰(zhàn)要求，這就要求環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)盡可能真實(shí)反映實(shí)際環(huán)境，因此振動(dòng)離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢(shì)，未來在國(guó)內(nèi)外有較大的需求。

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A Survey of Combined Acceleration and Vibration Environment Simulator

HE Yang, JIANG Chun-mei, ZHANG Jian-quan
(Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China)

Focusing on the combined development of electrodynamic vibration shaker, piezoelectric actuator and centrifuge, the evolution and current development of combined acceleration and vibration environment simulator based on centrifuge home and abroad were summarized systematically in this paper. The key technology and difficulties in combining electrodynamic vibration shakers and centrifuge were emphatically introduced. Finally, the development trend and prospect of combined acceleration and vibration environment simulator were proposed.

combined environment testing; acceleration and vibration; high-frequency vibration; centrifuge; electrodynamic vibration shakers

JIANG Chun-mei(1976—), Femal, from Guangan, Sichuan, Master, Senior engineer, Research focus: centrifuge design.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.017

TJ86；V416

A

1672-9242(2016)06-0095-09

2016-06-12；

2016-07-15

Received：2016-06-12；Revised：2016-07-15

中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金（15cxj36）

Fund：Supported by the "Innovation and Evolution Fund of Institute of System Engineering, CAEP (15cxj36)"

何陽（1990—），男，四川射洪人，碩士，主要從事離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。

Biography：HE Yang(1990—), Male, from Shehong, Sichuan, Master, Research focus: centrifuge design.

蔣春梅（1976—），女，四川廣安人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。