小型閥門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)三向工裝設(shè)計(jì)研究

呂寶西 張連萬(wàn) 王細(xì)波 謝 乾 丁建春

小型閥門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)三向工裝設(shè)計(jì)研究

呂寶西1,2張連萬(wàn)1,2王細(xì)波1謝 乾1,2丁建春1

(1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

航天運(yùn)載火箭的閥門(mén)類(lèi)產(chǎn)品上箭前的振動(dòng)試驗(yàn)多為三個(gè)振動(dòng)方向，為減少換方向所需時(shí)間以及人力、設(shè)備的消耗，提出一種三向合一振動(dòng)試驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)一次振動(dòng)代替三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了兩種工裝方案，分別完成了工裝設(shè)計(jì)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)此方法進(jìn)行了模態(tài)分析，該方法擬應(yīng)用于后續(xù)小型閥門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)上。

三向振動(dòng)；試驗(yàn)；閥門(mén)

1 引言

運(yùn)載火箭在上升過(guò)程中承受?chē)?yán)酷力學(xué)環(huán)境，因此需對(duì)其進(jìn)行整體或單機(jī)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。對(duì)于閥門(mén)類(lèi)產(chǎn)品，火箭發(fā)射后高量級(jí)的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞或性能下降，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致發(fā)射失利，因此需要在發(fā)射前做力學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。閥門(mén)類(lèi)振動(dòng)試驗(yàn)通常進(jìn)行三個(gè)振動(dòng)方向，且多為通氣或高低溫振動(dòng)試驗(yàn)。更換振動(dòng)方向時(shí)，涉及到倒換振動(dòng)臺(tái)及工裝方向；對(duì)于通氣振動(dòng)試驗(yàn)，需要考慮如何固定管路及管路走向；對(duì)于需要振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品啟閉動(dòng)作的試驗(yàn)（比如電磁閥），每一個(gè)方向的振動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致一定量的氣體損失，同時(shí)增加因管路拆裝產(chǎn)生多余物的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此本文提出一種三向合一振動(dòng)試驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)一次振動(dòng)代替三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)已有多維振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)用，吳家駒分析了該方法及應(yīng)用[2]。用三個(gè)振動(dòng)方向互相垂直的振動(dòng)臺(tái)同時(shí)連接產(chǎn)品，此試驗(yàn)技術(shù)含量較高，比單維振動(dòng)試驗(yàn)具有更高的有效性，但在產(chǎn)品連接等操作上較復(fù)雜，且對(duì)于小型產(chǎn)品應(yīng)考慮是否經(jīng)濟(jì)。

2 試驗(yàn)需求

振動(dòng)試驗(yàn)通常是根據(jù)真實(shí)環(huán)境制定，運(yùn)載火箭相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)是根據(jù)發(fā)射后遙測(cè)數(shù)據(jù)得到的。單機(jī)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)通常包含正弦掃描試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，分別模擬火箭起飛時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)和整個(gè)飛行過(guò)程中最嚴(yán)酷的振動(dòng)狀態(tài)。

通過(guò)振動(dòng)工裝將產(chǎn)品固定在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)可選擇水平或豎直振動(dòng)方向，通過(guò)調(diào)節(jié)完成方向轉(zhuǎn)變，振動(dòng)工裝按形狀可人為分為平板形和L形，一般形狀的產(chǎn)品需進(jìn)行三個(gè)方向振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)于平板型工裝，通過(guò)在水平臺(tái)將工裝帶產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)90°以及改變振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)；對(duì)于L形振動(dòng)工裝，可以將產(chǎn)品由固定在底板上改為固定在工裝垂直板上，代替改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)方向，即在水平臺(tái)上完成三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。多次試驗(yàn)表明，將產(chǎn)品固定在L形工裝的垂直板上，增加了控制難度，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)偏離實(shí)際較多，且L形工裝加工成本較高，因此不推薦使用。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)形狀的產(chǎn)品，比如單向閥，要求僅進(jìn)行軸向和徑向的振動(dòng)試驗(yàn)，用徑向加倍時(shí)間的方式代替另一個(gè)徑向，即使必須進(jìn)行三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)，也可以繞軸旋轉(zhuǎn)90°得到第三個(gè)方向，僅需用到水平臺(tái)。

3 設(shè)計(jì)原理及方案

3.1 一體工裝設(shè)計(jì)

為保證分解后的三個(gè)大小相等的矢量方向與試驗(yàn)要求的三個(gè)方向相符，擴(kuò)展臺(tái)斜面上工裝安裝需按橢圓中心旋轉(zhuǎn)45°，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1，圖中8個(gè)圓孔用于工裝與振動(dòng)臺(tái)連接，斜面T型槽仿照原工裝設(shè)計(jì)。

圖1 方案一工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.2 組合工裝設(shè)計(jì)

按上述理論加工一個(gè)35.2644°斜面的振動(dòng)工裝并將其安裝在安裝豎直振動(dòng)臺(tái)上，可以認(rèn)為振動(dòng)方向分成了大小相等、互相垂直的三個(gè)方向，但如考慮被測(cè)件形狀，這三個(gè)方向僅有沿斜面向上的方向與要求一致，其它2方向均與要求方向成45°夾角。

對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)形狀的試件，將軸向向沿著斜面向上，其余2個(gè)方向（徑向）可任意指定，只要相互垂直即可，則該工裝滿足要求，僅需要考慮如何將產(chǎn)品固定在工裝上。

圖2 方案二工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

對(duì)于非軸對(duì)稱(chēng)形狀試件，提出以下解決方案：另加工一個(gè)工裝，底面安裝于擴(kuò)展臺(tái)上，頂面（產(chǎn)品安裝面）與擴(kuò)展臺(tái)斜面成45°夾角，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2，左側(cè)工裝外圓8孔連接于振動(dòng)臺(tái)上，右側(cè)工裝連接于左側(cè)工裝的中間螺紋孔上，斜面T型槽仿照原工裝設(shè)計(jì)。

4 方案對(duì)比分析

4.1 比對(duì)方法

運(yùn)載火箭使用閥門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)包括正弦掃描試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，正弦掃描試驗(yàn)掃頻范圍一般不大于100Hz，該頻率小于產(chǎn)品一階自振頻率，僅掃描一次，通常不會(huì)危害產(chǎn)品性能，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，正弦掃描監(jiān)測(cè)曲線與參考曲線基本重合。因此本文僅比對(duì)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)比對(duì)振動(dòng)時(shí)三個(gè)方向的曲線和均方根加速度選擇最優(yōu)方案。

試驗(yàn)安裝狀態(tài)見(jiàn)圖3，控制傳感器的粘貼方向可選擇三個(gè)方向中的任何一個(gè)，本次選擇垂直于斜面方向(位于圖3左右兩圖中的最左和最右)，監(jiān)測(cè)傳感器方向均分別為垂直于斜面方向、平行于斜面沿槽方向、平行于斜面垂直于槽方向。按照這種安裝方式，雖然監(jiān)測(cè)傳感器方向不同，最終監(jiān)測(cè)到的功率譜密度曲線和均方根加速度值理論上應(yīng)是相同的。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 兩個(gè)方案產(chǎn)品安裝狀態(tài)

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

4.2 設(shè)備選擇

本文選用航天希爾公司生產(chǎn)的4T電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)設(shè)備，振動(dòng)傳感器選擇PCB公司生產(chǎn)的357B21型號(hào)和ENDEVCO公司生產(chǎn)的7221A型號(hào)，振動(dòng)臺(tái)和傳感器都在一年的校驗(yàn)期內(nèi)，誤差精度≤5%，滿足使用要求。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按圖3安裝試驗(yàn)產(chǎn)品和傳感器，按表1設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，圖4～圖6是試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到的曲線和均方根值。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，就曲線而言，兩種方案都比較理想，僅在800Hz以上的高頻段出現(xiàn)偏差，在控制上使用組合工裝得到的結(jié)果較好。

圖4 沿槽方向監(jiān)測(cè)曲線圖

圖5 斜面內(nèi)垂直于槽方向監(jiān)測(cè)曲線圖

圖6 垂直于斜面方向監(jiān)測(cè)曲線圖

將兩個(gè)方案監(jiān)測(cè)到的均方根值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，使用組合工裝的振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的均方根加速度偏差較小。

表2 方案比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)

4.4 模態(tài)計(jì)算

圖7 模態(tài)分析圖

兩種方案比對(duì)表明，使用組合工裝監(jiān)測(cè)偏差較小，因此利用Abaqus[3]針對(duì)該工裝開(kāi)展了仿真分析，計(jì)算了組合體工裝前4階模態(tài)，見(jiàn)圖7，前4階固有頻率為1816Hz、1927Hz、3233Hz、3577Hz，該計(jì)算結(jié)果基本滿足使用要求。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析，使用組合工裝控制較好，監(jiān)測(cè)到的偏差較小，三個(gè)方向中的最大偏差僅為5.96%，優(yōu)于一體工裝。經(jīng)分析，造成一體工裝數(shù)據(jù)較差的原因是整體重心偏離了振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈的軸心，給動(dòng)圈增加了一個(gè)傾覆力矩，導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)控制較差。后期在工裝改進(jìn)上可考慮仍采用一體工裝，減少工裝間的螺接，但要使整體重心和動(dòng)圈軸心重合。

5 結(jié)束語(yǔ)

a. 提出了單方向振動(dòng)代替三方向振動(dòng)的工裝設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)兩種可行性方案，并試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

b. 試驗(yàn)結(jié)果顯示組合工裝方案優(yōu)于一體工裝方案，橫向監(jiān)測(cè)最大誤差為5.96%，在單向閥、電磁閥等小型閥門(mén)類(lèi)產(chǎn)品上具備應(yīng)用條件。

1 王亞軍. 運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)[M]. 中國(guó)宇航出版社，2020

2 吳家駒. 多維振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)方法[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2003(4)：27～32

3 莊茁，由小川. 基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009

Research on Three-direction Tooling Design of Small Valve Vibration Experiment

Lv Baoxi1, 2Zhang Lianwan1, 2Wang Xibo1Xie Qian1, 2Ding Jianchun1

(1. Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076;2. Beijing Key Laboratory of Cryogenic Technology Research, Beijing 100076)

At present, the vibration experiments of valve products before installed on the rocket used in space launch vehicles are mostly three vibration directions. To reduce the time required to change directions and the consumption of manpower and equipment, a three-way synthesis of one direction vibration experimental method is proposed. It realized vibration experiment in place of three directions. Two design schemes for frock are proposed. The frock designs were completed and tests were verified. The optimal design method is obtained by comparison, which is carried out by modal analysis. This method is intended to be applied to the subsequence small valve vibration experiments.

three-way vibration；experimental；valve

V416.2

A

呂寶西（1986），碩士，工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)；研究方向：環(huán)境試驗(yàn)。

2021-11-19