適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振裝置研制

毛勇建， 李明海， 何穎波， 嚴(yán) 俠， 劉 謙， 凌明祥， 康 甜

（1. 中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2. 中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽 621999）

1 引 言

在航空航天領(lǐng)域，氣動(dòng)力誘發(fā)的加速度和振動(dòng)環(huán)境對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)和功能都可能造成影響。已有研究表明，加速度和振動(dòng)環(huán)境對(duì)飛行器具有顯著的耦合作用［1-2］。單一環(huán)境未激發(fā)出的故障，可能在耦合環(huán)境中得以暴露，因此加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)逐漸得到學(xué)界和業(yè)界的接受和重視［3-9］。然而，傳統(tǒng)的加速度-振動(dòng)綜合試驗(yàn)以穩(wěn)態(tài)（或緩變）加速度與平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)綜合為主，尚未對(duì)兩種環(huán)境的時(shí)變特性進(jìn)行模擬。但現(xiàn)實(shí)情況是，慣性器件、組件和系統(tǒng)的功能性能，往往與其經(jīng)歷的環(huán)境歷程相關(guān)，不僅對(duì)加速度、振動(dòng)幅值敏感，同時(shí)還對(duì)其變化過程、變化率敏感。因此，慣性器件、組件和系統(tǒng)的功能性能及其可靠性考核，需要較真實(shí)地復(fù)現(xiàn)具有動(dòng)態(tài)特性的加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)與試驗(yàn)設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)。

美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室早期采用電磁式激振，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境模擬，但負(fù)載僅2.25 kg、振動(dòng)加速度3grms［3］；近年來采用壓電激振方法，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載22.5 kg、振動(dòng)加速度15grms的穩(wěn)態(tài)加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境模擬［4-5］，并最終用于試驗(yàn)考核［5-6］。國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)與中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所合作，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)加速度下的電磁式激振［10-11］；浙江大學(xué)通過在離心機(jī)上安裝電磁振動(dòng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了1 kg 負(fù)載的穩(wěn)態(tài)加速度-振動(dòng)綜合［12］；重慶大學(xué)通過多體動(dòng)力學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境的理論模擬［13］；中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所與北京強(qiáng)度環(huán)境研究所合作，研制出推力達(dá)20～50 kN 的穩(wěn)態(tài)加速度-電動(dòng)振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)［9，14］。此外，隨著電液伺服振動(dòng)技術(shù)的日益成熟，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于土工離心機(jī)上的低頻激振［15-16］。

回顧加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展歷程，不難得出如下認(rèn)識(shí)：（1）前期所有的加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境模擬，其離心機(jī)平臺(tái)均屬穩(wěn)態(tài)，不具有動(dòng)態(tài)加速度性能［3-6，9-16］；（2）在追求寬頻激振（一般為10～2 000 Hz）的過程中，均采用了電磁振動(dòng)臺(tái)，但由于其輕量化困難、線圈容易失效、冷卻系統(tǒng)復(fù)雜等，應(yīng)用受到較大局限［3，10-12］；（3）壓電激振裝置具有輕量化、模塊化的特點(diǎn)，但只能實(shí)現(xiàn)中高頻激振，在100～300 Hz 以下因位移小，無工程實(shí)用價(jià)值［4-5］；（4）液壓激振具有重量輕、推力大的特點(diǎn)，但只能實(shí)現(xiàn)中低頻激振，其上限頻率一般在200 Hz 左右［15-16］。由此可見，幾種傳統(tǒng)的激振方法和裝置存在“寬頻不輕量、輕量不寬頻”的問題。

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境模擬，需具有快加減速性能的動(dòng)態(tài)離心機(jī)作為動(dòng)態(tài)加速度加載平臺(tái)。動(dòng)態(tài)離心機(jī)的電機(jī)功率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等規(guī)模相關(guān)指標(biāo)需遠(yuǎn)高于同等容量的穩(wěn)態(tài)離心機(jī)，并隨負(fù)載的增加而急速增長(zhǎng)，對(duì)激振裝置的重量具有嚴(yán)格約束。因此，如何解決“寬頻不輕量、輕量不寬頻”的矛盾，設(shè)計(jì)重量輕、頻帶寬且對(duì)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)不敏感的激振裝置，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加速度-振動(dòng)綜合環(huán)境模擬的關(guān)鍵所在。

在此背景下，本文結(jié)合壓電和液壓激振的優(yōu)點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)下壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振方法，研制出適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的輕量寬頻激振裝置，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加速度和時(shí)變振動(dòng)（具有時(shí)變統(tǒng)計(jì)特性的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)）的綜合力學(xué)環(huán)境模擬，為飛行器慣性器件、組件和系統(tǒng)的功能性能及其可靠性考核提供了高效經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)室手段。

2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振裝置在動(dòng)態(tài)離心機(jī)上的安裝關(guān)系見圖1，總體結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。激振裝置的主要技術(shù)指標(biāo)為：在離心加速度不低于60g、加速度變化率不低于15g/s 條件下，可分別實(shí)現(xiàn)至少50 kg 負(fù)載、6grms振動(dòng)加速度、10～2 000 Hz 頻帶的寬頻激振。

圖1 動(dòng)態(tài)加速度-振動(dòng)模擬系統(tǒng)Fig.1 Dynamic overload-vibration simulation system

圖2 串聯(lián)復(fù)合激振裝置結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig.2 Sketch of structure and principle of series hybrid vibration exciter

如圖2（a）所示，激振裝置主要包括兩個(gè)模塊：多單元壓電并聯(lián)激振模塊、適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的液壓激振模塊。圖2（b）分別為液壓激振、壓電激振、壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振的力學(xué)模型、載荷頻域特征和時(shí)域特征，展示了串聯(lián)復(fù)合激振裝置的工作原理。由力學(xué)模型可知，串聯(lián)型激振系統(tǒng)的位移、速度、加速度以及受到的激振力由各組成部分疊加而成。因此其優(yōu)勢(shì)在于可以將不同幅值、相位和頻率成分的振動(dòng)載荷進(jìn)行疊加，形成更大的位移、速度和加速度以及更寬的頻帶。本文壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振裝置結(jié)合液壓激振模塊的中低頻段（10～200 Hz）性能與壓電激振模塊的中高頻段（100～2 000 Hz）性能，形成了寬頻帶（10～2 000 Hz）的激振能力。同時(shí)，二者均有結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)勢(shì)，可以滿足動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)下的輕量化、寬頻帶設(shè)計(jì)要求。與之不同的是，并聯(lián)型激振系統(tǒng)的各組成部分，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)必須保持一致，因此只適合單純?cè)龃蠹ふ窳Φ那闆r，后文多單元壓電并聯(lián)激振模塊就屬于這種情況。

2.1 多單元壓電并聯(lián)激振模塊

壓電陶瓷在電壓作用下會(huì)產(chǎn)生形變，該特性被廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與定位［17-20］、能量俘獲［21-22］、振動(dòng)控制［23-24］等。由于壓電陶瓷的緊湊、輕量特性，美國(guó)Sandia 實(shí)驗(yàn)室將其用于加速度場(chǎng)下的中高頻激振［4-7］。壓電陶瓷的位移極小，通常在0.1%～0.2%，且不能受拉，需采用柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大并提供預(yù)緊力，其實(shí)物圖與典型的輸出功率譜密度（Power Spectral Density， PSD）曲線如圖3（a）所示。為增大激振推力，本文采用六個(gè)壓電激振單元并聯(lián)，并采用兩個(gè)剛性圓盤夾持固定為一體，其實(shí)物圖（上圓盤未安裝）與典型振動(dòng)輸出如圖3（b）所示。

前期，由于菱形位移放大機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析主要基于靜力學(xué)和剛體假設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，本團(tuán)隊(duì)提出菱形位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大比與固有頻率解析模型［25］以及頻率域動(dòng)力剛度模型［26-27］，從而為菱形位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了計(jì)算手段。其中，位移放大比解析模型為：

其中：A和I為柔性梁的橫截面面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ為柔性梁的方位角，L為柔性梁的長(zhǎng)度。

根據(jù)激振裝置的研制技術(shù)指標(biāo)，確定本文中菱形位移放大機(jī)構(gòu)的柔性梁厚度為4 mm，機(jī)構(gòu)方位角為15°，位移放大比為3.1。

此外，由于壓電疊堆陶瓷和菱形位移放大機(jī)構(gòu)加工不可避免地存在一定誤差，裝配不佳可能會(huì)出現(xiàn)“矮子偷懶”問題，輸出推力大打折扣。為此通過反復(fù)研究和測(cè)試，建立了精密調(diào)工藝流程，如圖4 所示，確保了壓電疊堆陶瓷和菱形柔性機(jī)構(gòu)以及剛性盤之間無間隙及應(yīng)力平衡，并最終實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)激振的推力最大化。表1 給出了激振性能測(cè)試數(shù)據(jù)，可得6 個(gè)壓電激振單元的并聯(lián)激振效率為74.2%。

表1 壓電激振單元和模塊測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Results measured in piezoelectric excitations of single element and 6-element parallel module

圖4 壓電激振模塊的精密裝調(diào)工藝流程Fig.4 Precise assembly technology for piezoelectric excitation module

2.2 適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的液壓激振模塊

液壓激振在道路運(yùn)輸、地震模擬［15-16］等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其主要原理是利用電液伺服閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成具有相應(yīng)極性并呈比例的介質(zhì)流量，以驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成振動(dòng)載荷［28］。然而，在動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)中，必須有隨加速度變化而實(shí)時(shí)調(diào)整的作用力來保證液壓作動(dòng)器在工作位（也稱中位、零位）附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要適應(yīng)離心機(jī)的緊湊、輕量設(shè)計(jì)要求。

為此，本文提出一種內(nèi)嵌式的液壓定中方法，研發(fā)了具有“缸中缸”構(gòu)型的液壓激振模塊，其原理如圖5 所示。其中，上部結(jié)構(gòu)為壓電激振模塊及試驗(yàn)件，下部結(jié)構(gòu)為液壓激振模塊。激振液壓缸內(nèi)裝激振作動(dòng)器并與壓電激振模塊下圓盤相連。激振液壓缸被作動(dòng)器活塞分隔為上下兩個(gè)油腔，通過伺服閥控制進(jìn)入兩個(gè)油腔中的介質(zhì)流量及極性，可實(shí)現(xiàn)二者的動(dòng)態(tài)壓差，推動(dòng)作動(dòng)器及與之相連的壓電激振模塊運(yùn)動(dòng)，形成液壓激振與壓電激振的串聯(lián)復(fù)合激振。激振液壓作動(dòng)器被設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，從而形成定中液壓缸，內(nèi)裝定中作動(dòng)器并與壓電激振模塊上圓盤相連。類似地，定中液壓缸被作動(dòng)器的活塞分隔為上下兩個(gè)油腔，通過另一組伺服閥產(chǎn)生和控制兩個(gè)油腔的動(dòng)態(tài)壓差，形成隨加速度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的定中力，用以平衡離心力作用，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)激振作動(dòng)器的工作中位保持。

圖5 液壓激振模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural sketch of hydraulic excitation module

3 控制系統(tǒng)

激振裝置的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，并與動(dòng)態(tài)離心機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)以及相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)相互耦合。下文對(duì)其中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 串聯(lián)復(fù)合激振分頻控制

不同于傳統(tǒng)的單模式激振，壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振裝置需要將載荷實(shí)時(shí)合理地分配給液壓激振模塊和壓電激振模塊，使其協(xié)調(diào)工作且均衡出力。為此，以傳統(tǒng)液壓伺服控制為基礎(chǔ)，在三參量（位移、速度和加速度）控制單元之前增加一個(gè)分頻器，進(jìn)行自適應(yīng)頻率分割［29］，如圖6（a）所示。頻率分割后，將中高頻信號(hào)直接分配給壓電功放、放大為高頻驅(qū)動(dòng)高壓，驅(qū)動(dòng)壓電激振模塊產(chǎn)生中高頻振動(dòng)載荷，并通過反饋迭代修正獲得需要的振動(dòng)譜形或加速度時(shí)間歷程曲線；將中低頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為三參量進(jìn)行液壓伺服控制，驅(qū)動(dòng)液壓激振模塊產(chǎn)生中低頻振動(dòng)載荷，并通過反饋修正獲得需要的振動(dòng)譜形或加速度時(shí)間歷程曲線；在交叉重疊頻帶，對(duì)各自貢獻(xiàn)權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)，并通過反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。圖6（b）所示的PSD 控制測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)載荷整體平穩(wěn)，三個(gè)頻段（中低頻段、交叉頻段、中高頻段）具有較好的平衡性、協(xié)調(diào)性。

圖6 串聯(lián)復(fù)合激振分頻控制原理與典型結(jié)果Fig.6 Frequency-division control principle and typical results for series hybrid vibration excitation

3.2 液壓定中控制

圖7（a）給出了液壓定中的控制原理［30］，根據(jù)離心加速度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算平衡離心力所需的定中力，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，控制定中液壓缸的兩個(gè)油腔壓力差，并通過壓力差實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋修正。同時(shí)，為了防止定中作動(dòng)器位置漂移，加入了位移反饋補(bǔ)償控制，與定中力控制相互配合，效果更佳。圖7（b）給出了動(dòng)態(tài)加速度環(huán)境下典型的定中控制測(cè)試結(jié)果，易見，定中壓力實(shí)際值與目標(biāo)值跟隨良好，激振裝置臺(tái)面能夠較精確地保持在零位附近，位移值在±0.5 mm 以內(nèi)。

圖7 液壓定中控制原理與典型結(jié)果Fig.7 Hydraulic centering control principle and typical results

3.3 時(shí)變振動(dòng)控制

為了模擬統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)載荷，提出并實(shí)現(xiàn)了兩種時(shí)變振動(dòng)控制方法，并研制了一體化的控制系統(tǒng)，具體可根據(jù)試驗(yàn)條件和載荷特性等情況選用。

變?cè)鲆媸綍r(shí)變振動(dòng)控制的基本思路是采用歸一化的PSD 曲線控制譜形，在振動(dòng)過程中通過增益的變化來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)量級(jí)的改變［31］，如圖8（a）所示。在具體實(shí)施中，振動(dòng)量級(jí)的改變用均方根值時(shí)間歷程來表征。此外，由于振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，不可能對(duì)目標(biāo)載荷進(jìn)行一次性模擬，因此采用了分幀發(fā)送與幀搭接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)連續(xù)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)載荷的模擬。圖8（b）給出了控制算法框圖，圖8（c）給出了典型的控制測(cè)試結(jié)果，易見，PSD 譜線和均方根值時(shí)間歷程均模擬較好。

長(zhǎng)時(shí)波形再現(xiàn)式時(shí)變振動(dòng)控制的基本思路也是采用分幀發(fā)送和幀搭接技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)連續(xù)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的模擬，同時(shí)在迭代過程中對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別和更新，以提高模擬精度，如圖9（a）所示。圖9（b）給出了控制算法框圖，圖9（c）給出了典型的控制結(jié)果，易見，其時(shí)域波形復(fù)現(xiàn)具有較高精度。

圖9 長(zhǎng)時(shí)波形再現(xiàn)式振動(dòng)控制原理與典型結(jié)果Fig.9 Vibration control principle for long-duration waveform replication and typical results

4 性能測(cè)試

激振裝置研制完成后，先后將其安裝在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)離心機(jī)上，對(duì)主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試工況包括高加速度和高加速度變化率兩種。

4.1 高加速度工況

為測(cè)試激振裝置對(duì)高加速度環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)離心加速度不小于60g、負(fù)載不小于50 kg 工況下的激振性能進(jìn)行了測(cè)試。具體地，將激振裝置安裝在穩(wěn)態(tài)離心機(jī)上，在激振裝置臺(tái)面上安裝不小于50 kg 的負(fù)載，啟動(dòng)穩(wěn)態(tài)離心機(jī)，離心加速度緩慢上升，達(dá)到60g并保持穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)激振裝置、按照預(yù)定的PSD 譜形進(jìn)行逐級(jí)加載，測(cè)試其實(shí)際輸出的PSD 曲線。

高加速度工況的測(cè)試結(jié)果見圖10 和表2。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，在負(fù)載50.6 kg、離心加速度60.0g工況下，激振裝置輸出了頻率范圍為10～2 000 Hz、均方根值為6.03grms的振動(dòng)載荷，激振能力滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 激振裝置性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Performance test results of the exciter

圖10 高加速度下激振裝置性能測(cè)試結(jié)果Fig.10 Performance testing results of the vibration exciter under high overload

4.2 高加速度變化率工況

為測(cè)試激振裝置對(duì)高加速度變化率環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)離心加速度變化率不小于15g/s、負(fù)載不小于50 kg 工況下的激振性能進(jìn)行了測(cè)試。類似地，將激振裝置安裝在動(dòng)態(tài)離心機(jī)上，在激振裝置臺(tái)面上安裝不小于50 kg 的負(fù)載；啟動(dòng)激振裝置按照預(yù)定PSD 譜形進(jìn)行逐級(jí)加載，至PSD 曲線達(dá)到預(yù)定量級(jí)且保持穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)離心機(jī)、按照預(yù)定加速度載荷曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，考察其在離心加速度變化率不小于15g/s時(shí)實(shí)際輸出的PSD 曲線是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

高加速度變化率工況的測(cè)試結(jié)果見圖11 和表2。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，在負(fù)載50.6 kg、離心加速度變化率16.6g/s 工況下，激振裝置輸出了頻率范圍為10～2 000 Hz、均方根值為6.05grms的振動(dòng)載荷，激振能力滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖11 高加速度變化率下激振裝置性能測(cè)試結(jié)果Fig.11 Performance testing results of the vibration exciter under high overload rate

5 工程應(yīng)用

本文研制的激振裝置已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)慣性器件、組件和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加速度-時(shí)變振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)。這里結(jié)合文獻(xiàn)［32］報(bào)道的案例，展示其應(yīng)用特點(diǎn)和效果，其中各物理量（包括時(shí)間）均進(jìn)行了歸一化處理。圖12（a）為動(dòng)態(tài)加速度時(shí)間歷程曲線，包括試驗(yàn)條件和3 次試驗(yàn)的實(shí)際加載曲線。由圖12（a）可見，4 條曲線吻合非常好，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明全程控制誤差均在1%以內(nèi)。圖12（b）為振動(dòng)加速度均方根值時(shí)間歷程曲線，包括試驗(yàn)條件及其±3 dB 范圍、3 次試驗(yàn)的實(shí)際加載曲線。由圖12（b）可見，3 次試驗(yàn)的振動(dòng)加速度均方根值時(shí)間歷程曲線總體吻合較好，但在本底段（t＝0～0.52，動(dòng)態(tài)離心機(jī)和激振裝置均尚未運(yùn)行）有一定差別，第1 次試驗(yàn)本底明顯低于第2 次和第3 次，這是由測(cè)試系統(tǒng)在不同時(shí)段的本底噪聲不同所致。在過渡段（t＝0.52～0.61，動(dòng)態(tài)離心機(jī)開始運(yùn)行，激振裝置尚未運(yùn)行），動(dòng)態(tài)離心機(jī)啟動(dòng)形成的電磁干擾造成了振動(dòng)加速度本底噪聲水平提高。在試驗(yàn)段（t＝0.61～1.0，動(dòng)態(tài)離心機(jī)和激振裝置均運(yùn)行），動(dòng)態(tài)離心機(jī)進(jìn)入中高速階段后電磁干擾減弱，振動(dòng)加速度均方根值跟隨控制條件變化。正是由于電磁干擾的存在，在振動(dòng)量值較小時(shí)（t＝0.61～0.78），控制結(jié)果存在一定的正偏差，振動(dòng)量值增大（至與本底相當(dāng)）后，偏差減小，均控制在±3 dB 范圍內(nèi)。

圖12 應(yīng)用案例的試驗(yàn)條件和控制結(jié)果Fig.12 Test conditions and control results in the application case

實(shí)際應(yīng)用案例表明，集成的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)加速度與時(shí)變振動(dòng)的協(xié)調(diào)加載；但同時(shí)也表明，試驗(yàn)系統(tǒng)有一定的電磁干擾，特別是在動(dòng)態(tài)離心機(jī)啟動(dòng)階段更加明顯，由此導(dǎo)致在低量級(jí)振動(dòng)（低于本底）加載時(shí)控制難度較大，這正是今后需要進(jìn)一步關(guān)注和改進(jìn)的問題。

需要指出的是，非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的控制難度較平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)要大得多。這是因?yàn)?，平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)控制可以從低量級(jí)到高量級(jí)逐級(jí)均衡修正、調(diào)整控制參數(shù)，最終在0 dB 量級(jí)上還可以繼續(xù)均衡和修正；非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)控制只能在載荷復(fù)現(xiàn)過程中實(shí)時(shí)地按照不斷變化的參數(shù)進(jìn)行控制，很少甚至沒有（視載荷變化快慢）均衡修正的時(shí)間。因此，對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)控制效果評(píng)價(jià)，不宜簡(jiǎn)單套用過去平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，這也是未來制定非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的關(guān)注重點(diǎn)之一。

6 結(jié) 論

針對(duì)航空航天領(lǐng)域的慣性器件、組件和系統(tǒng)的功能性能及其可靠性考核需求，研制出能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振裝置，并得到了良好工程應(yīng)用。提出采用液壓、壓電兩種激振方式實(shí)現(xiàn)壓電-液壓串聯(lián)復(fù)合激振，充分利用了兩種激振方式的優(yōu)點(diǎn)，成功研制了輕量寬頻的激振裝置?；诖耍疚难兄频募ふ裱b置工作頻帶（10～2 000 Hz）顯著寬于國(guó)外類似裝置（文獻(xiàn)［4］報(bào)道為300～2 000 Hz，文獻(xiàn)［5］報(bào)道為100～2 000 Hz）。其次，采用內(nèi)嵌式定中方式，研發(fā)了具有“缸中缸”構(gòu)型、能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度場(chǎng)的液壓激振模塊，并具有輕量緊湊的特點(diǎn)，支撐了串聯(lián)復(fù)合激振裝置用于動(dòng)態(tài)離心機(jī)。最后，研發(fā)了分頻控制、定中控制以及時(shí)變振動(dòng)控制的方法和程序，實(shí)現(xiàn)了激振裝置的精準(zhǔn)可靠控制。

本文成果的意義在于，形成的動(dòng)態(tài)加速度-時(shí)變振動(dòng)綜合環(huán)境模擬能力，可以在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)飛行彈道綜合力學(xué)環(huán)境的較真實(shí)模擬和復(fù)現(xiàn)，在較大程度上可替代實(shí)際裝備的飛行試驗(yàn)，為相關(guān)系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的大量子樣數(shù)據(jù)獲取提供了相比地面考核更加真實(shí)等效的、相比飛行試驗(yàn)更低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的實(shí)驗(yàn)室手段。正如美國(guó)人所說，這種手段可使試驗(yàn)“以更低成本獲得更豐富數(shù)據(jù)（Produces richer data， saves cost）”［6］。