用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统

摘要

本发明公开了一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统，包括加速度环境试验系统和振动环境试验系统，其中，加速度环境试验系统用于通过转臂旋转，来提供恒定线加速度环境应力，主要包括机座、电动机、传动系统、测速装置、工作转臂、集流环，电控系统；振动环境试验系统用于提供振动激励，主要包括电磁振动台台体、强制空气冷却系统和摄像系统，电磁振动台、强制空气冷却系统和摄像系统通过螺栓连接固定在离心机转臂上。本发明的环境试验系统具有结构简单、易于操控的优点，可用于向航天产品提供振动-加速度耦合动力学试验。

说明书

技术领域

本发明属于航天器动力学试验技术领域，具体来说，本发明涉及一种振动-加速度耦合环境试验设备。

背景技术

在国防工业中，航空航天产品普遍工作于振动和线加速度同时作用的耦合动态环境中，如航天器在发射阶段时，飞机在爬升、俯冲和盘旋时，战略导弹在主动段和通过再入段时，其设备和装置均受到加速度过载和发动机振动的耦合作用。但在目前的力学环境试验方面，由于耦合试验设备的缺失，振动试验和离心试验一般分时独立进行，分别在振动台上和离心机上考核产品对振动或线加速度单项应力的耐受能力。这与工程实际中振动和线加速度同时耦合作用的情况存在差异。美国桑地亚(Sandia)国家实验室的初步研究结论已经表明，加速度过载环境与振动环境的综合影响并不等于各因素的分别影响之和，在两种或多种环境应力的综合作用下产品会暴露出在单项应力试验中未发现的问题，因此用独立的试验手段不能预测复合环境影响下设备的可靠性。美军标810和国军标150A也均明确指出：“综合环境试验可能比一系列连续的单个试验更能代表实际环境效应。使用环境中遇到这些条件时，鼓励进行综合环境试验”。可以预见，在航空航天发展的新阶段，仪器设备将更加复杂和先进，对环境的敏感性将进一步增强，多应力耦合作用效应对产品任务可靠性的影响将进一步凸显。

此外，中国专利CN201510412857.9公开了一种能在航天器动力学离心状态下使用的电磁振动台，其主要包括由筒形的上部罩和筒形下部罩对接构成的外部壳体以及设置在外部壳体内的励磁部件、可沿轴向自由活动且底部设置有纵向轴的动圈、动圈支撑、导向部件、强制空气冷却风道；其中，动圈由上部的锥形主体和下部的支撑套筒构成，动圈整体与外部壳体同轴设置并支撑在动圈支撑上，动圈底部的纵向轴两侧分别设置有导向轮以限制动圈的径向位移，励磁部件围绕动圈固定在电磁振动台外部壳体的内壁上，主要包括上励磁线圈、下励磁线圈及上极板、下极板等部件，用于在供给的恒电压、恒电流的励磁电流作用下，在振动台的壳体内部产生足够强大的恒定磁场；上励磁线圈设置在动圈的锥形主体附近，下励磁线圈设置动圈的支撑套筒底部，上励磁线圈上方粘接有用于产生电磁场的上极板且下励磁线圈下方粘接有用于产生电磁场的下极板，上极板与锥形主体之间套设有抵靠锥形主体侧面的楔子，楔子顶部固定在外部壳体顶部设置的可翻折上导向装置并随着上导向装置翻折而上下移动，以和上导向装置一起对动圈的锥形主体上部进行限位，在动圈的支撑套筒内部额外加装一组直流线圈，直流线圈产生附加的平衡直流电来进行离心状态下动圈中心位置的调整。

为了适应航天产品任务可靠性测量的发展需求，避免航空航天产品在试验过程中考核不充分，不能充分暴露产品设计和制造缺陷，十分需要研制一套能够进行振动-加速度耦合环境试验的试验系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够进行振动-加速度耦合环境试验模拟装置，用于进行航天部组件产品的振动-加速度耦合环境模拟试验。

本发明通过如下技术方案实现：

一种振动-加速度耦合环境试验系统，包括：加速度环境试验系统和振动环境试验系统；其中，加速度环境试验系统主要包括机座、电动机、传动系统、测速装置、工作转臂、集流环，电控系统；机座利用螺钉机械固定在水泥地面上，基座上设置电动机，电动机外壳利用螺钉机械固定在基座上，电动机的输出经传动系统传递并驱动竖直的旋转主轴旋转，工作转臂的中心与旋转主轴同轴螺接固定并绕其旋转；测速装置由测速电机通过同步齿形带与电动机相连，以直接检测驱动电机的转速，并将检测后的转速变为电信号输出给电控系统，进而控制和调节工作转臂的实际转速；工作转臂具有适当的旋转半径和两端的安装平面，通过旋转为两端的安装平面上的试验件提供给定的恒定线加速度；旋转主轴于工作转臂的上方设置有集流环(导电滑环)，用于旋转结构动静部件间的电导通。集流环由内外环组成，外环用钢支架螺接固定在地坑安全墙上，防止其随转臂一起旋转，并通过支架引出供电导线与电控系统相连，集流环内环固定在旋转主轴上，随旋转主轴同步旋转，并引出导线与电动机相连。振动环境试验系统主要包括电磁振动台和摄像系统，其特征在于，工作转臂一端的安装平面设置有航天器动力学离心状态下使用的电磁振动台，另一端的安装平面用于安装与电磁振动台同质量的配重；电磁振动台主要包括由筒形的上部罩和筒形下部罩对接构成的外部壳体以及设置在外部壳体内的励磁部件、可沿轴向自由活动且底部设置有纵向轴的动圈、动圈支撑、导向部件、强制空气冷却风道；摄像系统设置在试验件附近以用于在振动-加速度耦合环境试验系统工作时对试验件的状态进行观察检测。

其中，电磁振动台具有与中国专利CN201510412857.9里的电磁振动台相同的结构，在此将其全部内容以引证的方式并入本文。

其中，电动机通过弹性联轴器带动减速箱箱体内的一对锥齿轮进行减速，其中大锥齿轮设置在旋转主轴上，工作转臂也固定在旋转主轴上，带动工作转臂绕其旋转。

其中，机座通过脚螺栓固定在水泥地面上，用于提供离心机台体的基准安装面，并提供抗倾覆力矩以防止在运转过程中倾覆。

优选地，工作转臂为焊接刚性结构。

优选地，工作转臂两端安装平面上制作有安装孔，并装有标尺，以确定试验件的安装半径。

优选地，工作转臂与旋转主轴通过法兰盘刚性地连接在一起，以消除由于转臂上下波动而带来的恒加速度变化。

其中，强制空气冷却系统利用弹性风管将电动振动台与风机连接，利用风机带动电动振动台内空气强制对流，对电动振动台进行冷却。

优选地，电磁振动台的安装方式为顺臂固定连接，安装方向为动圈水平向外，使电磁振台提供的振动激励方向与离心机提供的恒定线加速度方向平行，同时使离心机工作时与振动台的相对位置保持固定。

优选地，电磁振动台的风机和电控系统的接线板通过螺接固定在工作转臂上，并尽量靠近旋转主轴，以减少试验过程中其上所受离心力。

优选地，电磁振动台通过螺接固定在工作转臂上，并在电磁振动台上设置有吊环，实现振动台的快速装拆。

优选地，整个振动-加速度耦合环境试验系统设置在试验地坑中，并采用安全墙隔离。

本发明具有如下的有益效果：

(1)结构简单：本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统无需对离心机和振动台进行过多改造，且振动台台体不用减震悬挂转置，而是通过一对L型支架固定在转臂上。各部件之间的连接主要依靠螺栓连接方式，可靠性高，且方便装拆更换。

(2)易于操控：本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统中，离心机与振动台分开进行控制，可在离心机转速稳定后再开启振动台，易于控制振动-加速度耦合试验的试验量级和时间。

(3)可提供振动-加速度耦合试验环境：有别于传统的力学试验系统，本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统是一种能够进行振动-加速度耦合环境试验模拟装置，可用于考核航天产品对振动-加速度耦合环境的耐受能力。

附图说明

图1为本发明的用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的正视图。

图2为本发明的用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的俯视图。

其中：1机座；2电动机；3测速装置；4联轴器；5减速器箱体；6旋转主轴；7工作转臂；8集流环；9配重；10电控系统的接线面板；11风机；12电磁振动台吊环；13电磁振动台；14钢支架；15地坑安全墙；16摄像系统；17转臂安装平面。

图3为本发明的用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的减速器箱体的部分传动原理图。

其中：21箱体外壳；22加强型圆锥滚子轴承；23锥齿轮对中大齿轮；24锥齿轮对中小齿轮；25加强型圆锥滚子轴承；6旋转主轴；27加强型圆锥滚子轴承；4联轴器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图1-2，图1-2分别显示了本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的主视图和俯视图。根据附图显示可以知晓，本发明的振动-加速度耦合环境试验系统包括机座1；电动机2；测速装置3；联轴器4；减速器箱体5；旋转主轴6；工作转臂7；集流环8；配重9；电控系统的接线面板10；风机11；电磁振动台吊环12；电磁振动台13；钢支架14；地坑安全墙15；摄像系统16；转臂安装平面17。其中，本发明的用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的减速器箱体的结构示意图如图3所示，联轴器4通过螺接固定在锥齿轮对中小锥齿轮24的主轴上，大锥齿轮23与旋转主轴26固连，两个锥齿轮轴通过加强型圆锥滚子轴承22、25和27固定在减速器箱体外壳21上。当驱动电机带动联轴器4运转时，减速器箱体传动组件可实现转动的减速和转向，从而驱动旋转主轴6旋转。

在一实施方式中，本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的机座1通过脚螺栓安装在专用试验地坑中，电动机2和减速器箱体5通过螺接固定在机座1上。测速装置3固定在电动机2的外壳上，且测速电机轴与电动机机轴通过同步齿形带连接。联轴器4通过螺接一端固定在电动机2轴上，另一端固定在减速器箱体5中锥齿轮对的小锥齿轮轴上。当电动机2旋转时，通过联轴器4将转动传递到减速器箱体5内，并通过减速器箱体5内的传动组件驱动旋转主轴6旋转，同时带动测速装置3中的电机旋转，由于各传动机构的传动比已知，通过测速装置3中电机的转速便可测算出旋转主轴6的转速。工作转臂7通过螺接固定在旋转主轴6上，并随旋转主轴6一同旋转。集流环8由内外环组成，外环用钢支架14螺接固定在地坑安全墙15上，防止其随转臂一起旋转，并通过支架引出供电导线与电控系统相连，集流环内环固定在旋转主轴6上，随旋转主轴6同步旋转，并引出导线与电动机2相连。电控系统的接线面板10、风机11、转臂安装平面15分别螺接固定在工作转臂7上。工作转臂一端的安装平面17设计有一对L型支架，用于螺接安装、固定电磁振动台13和摄像系统16，当电动机2启动时，电磁振动台13随工作转臂7同步旋转，从而受到离心线加速度的作用。摄像系统16的摄像头正对电磁振动台13的载物台，用于在工作转臂7旋转的情况下观察受试产品的状况。同时安装平面17的L型支架上带有凸台，与电磁振动台13壳体上的凹形槽配合，用于电磁振动台13安装时的定位。电磁振动台13的壳体上螺接有吊环12，用于电磁振动台拆装时的起吊。电磁振动台13的出风口与风机11通过铝箔软管连接，风机11启动后用于电磁振动台13的强制风冷。转臂另一端的安装平面17上通过螺栓固定配重9，用以配平电磁振动台13的重量，消除旋转过程中主轴6受到的倾覆力矩。

本发明的一种用于航天器动力学试验的振动-加速度耦合环境试验系统的研制原理如下：

当离心机启动时，由于电磁振动台与离心机转臂刚性连接，因此电磁振动台随离心机转臂一同旋转，当离心机转速稳定后，电磁振动台及其上搭载的受试产品即受到恒定的线加速度作用。此时再开启电磁振动台，为受试产品提供额外的振动载荷激励，则受试产品即处于振动-加速度耦合试验环境中。

本发明的加速度环境试验系统和振动环境试验系统可同时工作，可进行正弦振动-加速度耦合试验、随机振动-加速度耦合试验和冲击-加速度耦合试验。试验中振动量级与时间、加速度量级与时间可分别单独指定。

其中，振动-加速度耦合环境试验能力：最大恒定线加速度20g；最大振动激振推力≥1000N(正弦振动、随机振动条件下)，≥2000N(冲击条件下)；满负荷连续工作时间优于30min。

集流环包括500V、5A360环，40A10环，10A8环，±10V24环，满足绝大部分航天部组件产品加电试验要求。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。