專利名稱：超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模態(tài)試驗(yàn)裝置，尤其是一種超低頻模態(tài)試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
隨著航天航空技術(shù)的飛速發(fā)展，低頻、超低頻模態(tài)測試分析的需求日益增多。為了使航天器設(shè)計(jì)時(shí)有準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)可供參考，以避免引起共振等不必要的錯(cuò)誤，必須對航天器進(jìn)行模態(tài)分析試驗(yàn)。模態(tài)分析試驗(yàn)在對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行激振激勵(lì)的試驗(yàn)的基礎(chǔ)上來測試結(jié)構(gòu)體包括航天器結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、固有頻率、模態(tài)振型和阻尼、廣義質(zhì)量、廣義剛度等。失重是太空環(huán)境的一個(gè)主要特征。這就引出了模擬失重環(huán)境下對結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的經(jīng)典問題。負(fù)載的重力由懸掛系統(tǒng)懸掛力進(jìn)行平衡，并且要求在懸掛力的作用點(diǎn)處不能引入較大的動(dòng)態(tài)約束力。這些動(dòng)態(tài)約束力一般是由懸吊裝置的剛度、附加質(zhì)量、摩擦力或系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)等因素引起，這樣會改變試件的模態(tài)振型。能滿足這種精確模擬的條件稱之為自由-自由邊界條件。對于垂直方向上的模態(tài)測試試驗(yàn)，懸吊裝置垂直方向上的剛體運(yùn)動(dòng)頻率要低于試件基頻一個(gè)數(shù)量級是一個(gè)得到普遍認(rèn)可的原則。一般而言，當(dāng)試件基頻大于20Hz時(shí)，將試件懸吊在簡單的線性彈簧上即可以滿足要求，自由-自由邊界條件輕易就獲得。但是當(dāng)試件的基頻接近或低于IHz時(shí)，懸掛問題就變得極富有挑戰(zhàn)性。懸吊裝置的動(dòng)態(tài)約束力遠(yuǎn)小于試件剛度和慣性而產(chǎn)生的力是自由-自由邊界條件獲得的基礎(chǔ)。目前，美國CSA工程公司已經(jīng)成型的模態(tài)試驗(yàn)懸掛系統(tǒng)型號為60350-DA,該系統(tǒng)最大懸掛質(zhì)量621磅，垂直懸吊頻率為0. 1Hz，該系統(tǒng)已被美國NASA蘭利等研究中心所用。國內(nèi)改為自行研制模態(tài)裝置系統(tǒng)，申請?zhí)枮?00710071515.0的“氣浮磁動(dòng)無摩擦懸吊裝置”公布了一種能滿足頻率準(zhǔn)則、附加質(zhì)量足夠小、非線性影響小、測試精度高的垂直方向模態(tài)懸吊裝置，申請?zhí)枮?01020214510. 6的“超低頻模態(tài)試驗(yàn)懸掛系統(tǒng)”做了進(jìn)一步改進(jìn)，公布了一種全數(shù)字式控制、提高工作頻率、提升控制精度，并降低附加部件對模態(tài)試驗(yàn)的影響的超低頻模態(tài)試驗(yàn)懸掛系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心部分是無摩擦氣缸活塞。與一般的空氣軸承不同，無摩擦氣缸活塞的工作間隙比普通的空氣軸承要大，所以氣體的泄漏流量相對就會較大，使得無摩擦氣缸的穩(wěn)定性難以控制，高精度氣壓控制設(shè)計(jì)的難度增加。對于普通氣浮軸承而言，氣體的流經(jīng)方向都是從節(jié)流孔進(jìn)入，從間隙的兩端流到大氣環(huán)境，但無摩擦氣缸活塞的進(jìn)氣口包括活塞表面節(jié)流孔、活塞底端缸壁與活塞的間隙?；钊纳隙嗣媾c缸壁間的間隙為氣體的出口方向，這樣的工作形式就導(dǎo)致活塞的下半部分(也屬于高壓腔部分)的壓強(qiáng)比上半部分高，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生偏心或傾向時(shí)，使得大間隙一側(cè)的節(jié)流孔失去作用，從而不能形成有效地抗側(cè)向能力。另外，由于在軸向上布置有多排孔，軸向上節(jié)流孔節(jié)流后的氣體壓強(qiáng)不同，使得氣壓在軸向上分布不均，存在一定的設(shè)計(jì)缺陷。對于水平方向上的模態(tài)試驗(yàn)，自由-自由邊界條件的主要約束為摩擦力、附加質(zhì)量的慣性影響和鐘擺效應(yīng)，懸掛裝置須平衡被測對象重力，達(dá)到平面跟隨運(yùn)動(dòng)基本無約束。目前還沒有成熟的水平模態(tài)試驗(yàn)懸掛裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有模態(tài)試驗(yàn)裝置的無法實(shí)現(xiàn)水平方向模態(tài)測試、氣浮裝置設(shè)計(jì)的不足，本發(fā)明提供一種平面運(yùn)動(dòng)基本無約束的、無摩擦力和慣性力影響的超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，包括水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置、垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置、安裝底座、支架和移動(dòng)調(diào)整座，所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置安裝在安裝底座上，所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置通過支架安裝在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置的上方，所述移動(dòng)調(diào)整座安裝在安裝底座的下方；
所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置包括氣浮環(huán)安裝板、接近開關(guān)、氣浮環(huán)、氣浮平板、卡繩組件、減負(fù)掛柱、線型導(dǎo)軌、線性滑軌、導(dǎo)軌滑塊、彈簧秤、槽鋼、主機(jī)底座和激光位移傳感器，所述氣浮環(huán)固定在氣浮環(huán)安裝板上，所述氣浮環(huán)安裝板上安裝接近開關(guān)，所述氣浮環(huán)安裝板兩側(cè)安裝減負(fù)掛柱，所述氣浮環(huán)安裝板沿直線導(dǎo)軌方向的兩側(cè)中心處安裝激光位移傳感器，所述氣浮平板放置在氣浮環(huán)的正上方，所述氣浮環(huán)安裝板底部與導(dǎo)軌滑塊固定，所述導(dǎo)軌滑塊可在線型導(dǎo)軌上滑動(dòng)，所述線型導(dǎo)軌固定在主機(jī)底座上，所述氣浮環(huán)安裝板側(cè)面與用以帶動(dòng)氣浮環(huán)安裝板移動(dòng)的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；
所述氣浮平板上方有一組與支架座固定且平行于線性導(dǎo)軌的線性滑軌，所述左右兩個(gè)線性滑軌上的滑塊之間通過槽鋼連接，所述彈簧秤一端鉤掛在減負(fù)掛柱上，另一端與槽鋼連接且保持豎直狀態(tài)，所述滑塊帶動(dòng)槽鋼跟隨氣浮環(huán)安裝板的運(yùn)動(dòng)；所述氣浮環(huán)安裝板中心有圓形通孔，所述圓形通孔的內(nèi)徑小于氣浮環(huán)的內(nèi)徑，所述氣浮環(huán)安裝板上有一圈進(jìn)氣凹槽，所述進(jìn)氣凹槽與氣浮環(huán)上節(jié)流孔相通，從氣浮環(huán)安裝板側(cè)面打孔通向進(jìn)氣凹槽形成進(jìn)氣孔，所述氣浮環(huán)安裝板、氣浮環(huán)上有氣浮環(huán)安裝螺紋孔，所述氣浮環(huán)與氣浮環(huán)安裝板通過螺紋連接，所述氣浮環(huán)安裝板上有接近開關(guān)、激光位移傳感器安裝孔，所述氣浮環(huán)上均布一圈節(jié)流孔，所述節(jié)流孔的進(jìn)氣口與氣浮環(huán)安裝板上的凹槽相通，所述氣浮環(huán)節(jié)流孔出氣口處設(shè)有三圈環(huán)形槽，所述環(huán)形槽有兩組相切且切點(diǎn)過節(jié)流孔出氣口，另一個(gè)環(huán)形槽以節(jié)流孔為圓心并與另兩組環(huán)形槽相通，所述氣浮環(huán)節(jié)流孔進(jìn)氣口兩側(cè)有環(huán)形凹槽，所述環(huán)形凹槽與氣浮環(huán)安裝板上的進(jìn)氣凹槽相互隔離；
所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置，包括機(jī)架、安裝框架、移動(dòng)橫梁、導(dǎo)向桿、主桿、空氣軸承、限位裝置、激光位移傳感器、負(fù)載傳感器、氣浮系統(tǒng)和磁動(dòng)系統(tǒng)，所述氣浮系統(tǒng)包括兩個(gè)無摩擦氣缸、儲氣罐、精密減壓閥和氣壓傳感器，無摩擦氣缸連接氣管，所述磁動(dòng)系統(tǒng)包括長行程音頻動(dòng)圈、長行程動(dòng)圈力傳感器和激勵(lì)鐵芯，所述機(jī)架的上部固定安裝框架，下部有下安裝板，所述安裝框架有底板和頂板，所述頂板上安裝有兩個(gè)導(dǎo)向桿的導(dǎo)向空氣軸承、主桿的導(dǎo)向大空氣軸承、激光位移傳感器、吊環(huán)，所述底板的下方安裝有主桿的導(dǎo)向大空氣軸承、所述安裝框架的底板上方對稱的安裝兩個(gè)無摩擦氣缸、所述無摩擦氣缸與儲氣罐通過連接氣管連通，所述壓縮氣源的通過精密減壓閥與儲氣罐連接，無摩擦氣缸的活塞桿桿與移動(dòng)橫梁通過鉸鏈連接，移動(dòng)橫梁由對稱的兩部分組成，所述主桿和兩個(gè)導(dǎo)向桿與移動(dòng)橫梁連接，所述兩根導(dǎo)向桿位于主桿的兩側(cè)，所述主桿的頂端安裝激光位移傳感器的感光板，主桿和導(dǎo)向桿均為空心管，長行程音頻動(dòng)圈的內(nèi)孔可上下運(yùn)動(dòng)的套裝在激勵(lì)鐵芯上，激勵(lì)鐵芯安裝在安裝框架的底板和頂板之間，上下運(yùn)動(dòng)的長行程音頻動(dòng)圈與移動(dòng)橫梁距離保持一致，長行程音頻動(dòng)圈內(nèi)孔與激勵(lì)鐵芯的間隙一致，所述長行程動(dòng)圈力傳感器一面固定在移動(dòng)橫梁的側(cè)面，另一面連接長行程音頻動(dòng)圈的安裝支架，負(fù)載力傳感器一端固定在主桿上，另一端連接懸掛鋼纜，所述安裝框架兩側(cè)各安裝一套限位裝置，所述限位裝置包括每套各二個(gè)限位齒形塊和斜面微調(diào)件，一個(gè)限位齒形條，所述限位齒形塊及斜面微調(diào)件均與限位齒形條可移動(dòng)連接。進(jìn)一步，更進(jìn)一步，所述無摩擦氣缸包括缸筒、端蓋、底座、活塞和活塞桿，所述活塞與活塞桿一端固定連接，所述缸筒一端安裝底座，所述缸筒的另一端安裝端蓋，所述底座上設(shè)有氣源進(jìn)氣口，所述活塞桿穿過端蓋，缸筒的有桿腔設(shè)有出氣口，所述無摩擦氣缸有桿腔為低壓腔，無桿腔為高壓腔，所述活塞徑向設(shè)置均布的節(jié)流孔，所述活塞外圓柱面靠近無桿腔一側(cè)設(shè)有一圈凹槽形成卸壓槽，從卸壓槽上方沿徑向打盲孔，再沿活塞壁向有桿腔方向打通孔形成卸壓孔，所述卸壓孔與節(jié)流孔之間相互隔離，所述卸壓槽靠近無桿腔一端設(shè)有傾斜坡度，至少兩組卸壓孔均布在活塞壁中，所述活塞設(shè)有至少兩組徑向方向均布的節(jié)流孔。當(dāng)然，也可以選用其他無摩擦氣缸。更進(jìn)一步，所述氣浮環(huán)安裝板呈正方形，所述接近開關(guān)安裝在氣浮環(huán)安裝板的四個(gè)角上。所述氣浮環(huán)安裝板也可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)成其他形狀，所述氣浮環(huán)上的環(huán)形凹槽也可以開成其他形式，能夠均衡氣浮環(huán)上壓力即可。所述移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲杠螺母座、滾珠絲桿和電機(jī)，所述氣浮環(huán)安裝板的側(cè)面通過絲杠螺母座與滾珠絲桿連接，所述滾珠絲杠通過軸承座安裝在主機(jī)底座上，電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接。所述氣浮平板下表面平整光滑，所述氣浮平板上表面有加強(qiáng)肋。氣浮平板采用輕質(zhì)設(shè)計(jì)。再進(jìn)一步，所述卡繩組件包括卡繩底盤、穿繩半錐卡、鎖緊卡、鎖緊卡座，所述卡繩底盤與氣浮平板中心固定，所述卡繩底盤中心有錐形通孔，所述卡繩底盤從中心錐形通孔沿徑向開有條形槽，所述穿繩半錐卡有兩只，所述兩只穿繩半錐卡合在一起與卡繩底盤中心錐形通孔匹配，所述懸掛繩穿過穿繩半錐卡的中心錐形孔且穿繩半錐卡合攏時(shí)通過外錐面推力卡緊懸掛繩，所述鎖緊卡座固定在卡繩底盤上，所述鎖緊卡合攏穿繩半錐卡后插入鎖緊卡座，所述鎖緊卡另一端通過螺栓固定在卡繩底盤上。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為如果采用一套設(shè)備完整解決與地面垂直方向和水平方向無摩擦隨動(dòng)，會使得設(shè)備隨動(dòng)部分重量接近被測試件，導(dǎo)致附加質(zhì)量太大。所以采用兩套設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)垂直隨動(dòng)氣浮懸掛和平面隨動(dòng)氣浮懸掛，降低附加質(zhì)量。吊掛板子的懸掛繩穿過水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置中心孔后吊掛在垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置上。水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置的卡繩組件不安裝，使得不與懸掛繩連接。僅垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置起作用。垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置使用完畢后，利用卡繩組件卡緊懸掛繩，懸掛繩吊掛在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置上，脫開懸掛繩與垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置的連接。這樣僅水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置起作用。卡繩組件均采用輕質(zhì)設(shè)計(jì)，卡繩底盤上有沿徑向的條形槽，能夠方便地將卡繩底板安裝到氣浮平板中心孔內(nèi)，再通過穿繩半錐卡卡緊懸掛繩，將鎖緊卡合攏穿繩半錐卡后插入鎖緊卡座，鎖緊卡的另一端通過螺栓與卡繩底盤固定，即實(shí)現(xiàn)了一次吊掛，兩次測試。將氣浮環(huán)倒過來使用，上面裝一塊面積大于氣浮環(huán)的氣浮平板，氣浮墊支撐氣浮平板，這樣氣浮平板在氣浮墊上能平面運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一套兩維氣浮隨動(dòng)裝置，中間穿懸掛繩，有固定機(jī)構(gòu)能將穿過的懸掛繩鎖住。氣浮環(huán)與氣浮平板間通過節(jié)流孔形成氣膜，高壓氣體從氣浮環(huán)安裝板進(jìn)氣口進(jìn)入進(jìn)氣凹槽，在通過氣浮環(huán)上的節(jié)流孔噴出，在氣浮環(huán)節(jié)流孔出氣口出有環(huán)形槽，環(huán)形槽起到均壓的作用，高壓氣體從氣浮環(huán)兩側(cè)流出，存在壓力梯度，承載能力增強(qiáng)。氣浮環(huán)安裝板底部安裝導(dǎo)軌滑塊，側(cè)面通過絲杠螺母座與滾珠絲杠連接，通過電機(jī)控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)可控制氣浮環(huán)安裝板在線型導(dǎo)軌上移動(dòng)。氣浮環(huán)安裝板四周安裝有接近開關(guān)，沿直線導(dǎo)軌方向的兩側(cè)中心安裝激光位移傳感器，激光位移傳感器可測得氣浮平板在水平方向上的位移，并將信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過電機(jī)控制氣浮環(huán)安裝板在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)跟隨吊掛點(diǎn)移動(dòng)，保證氣浮平板處于有效的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)長距離無摩擦的平面運(yùn)動(dòng)。接近開關(guān)起到近一步保護(hù)作用，當(dāng)氣浮平板的運(yùn)動(dòng)超過運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)將信號反饋給控制系統(tǒng)從而限制導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)。底座上安裝一組滑軌，滑軌通過彈簧秤與氣浮安裝板連接，并跟隨氣浮安裝板的運(yùn)動(dòng)，起到負(fù)載減重的作用，提高了直線導(dǎo)軌的承載能力，避免因負(fù)載過重使得導(dǎo)軌發(fā)生彎曲而影響平面氣浮的運(yùn)動(dòng)。所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置包由兩個(gè)并行的子系統(tǒng)構(gòu)成，一個(gè)是氣動(dòng)子系統(tǒng)，另一個(gè)是電磁子系統(tǒng)，氣動(dòng)子系統(tǒng)又稱為被動(dòng)子系統(tǒng)，電磁子系統(tǒng)又稱為主動(dòng)子系統(tǒng)。被動(dòng)子系統(tǒng)由無摩擦氣缸一活塞、外部儲氣罐、精密氣壓控制裝置等構(gòu)成。主動(dòng)子系統(tǒng)由長行程動(dòng)圈作動(dòng)器和配套的功率放大器、激光位移傳感器、負(fù)載傳感器以及壓力波動(dòng)計(jì)算機(jī)處理電路、計(jì)算機(jī)控制裝置等構(gòu)成。氣動(dòng)子系統(tǒng)提供恒定的懸掛力以平衡試件的重力，懸掛力的大小是作用在活塞上的氣壓和活塞面積的乘積，由于活塞面積不變，懸掛力與氣壓成正比，氣壓必須很高精度，電磁子系統(tǒng)提供非接觸的電磁力以滿足懸掛裝置對微小力的各種需求，特別是提供補(bǔ)償壓力波動(dòng)的電磁力，以有效地降低懸掛頻率。在測試前，先將空氣軸承通入壓縮空氣，使空氣軸承內(nèi)孔與導(dǎo)向桿及主桿間形成有剛度的氣膜，從而使導(dǎo)向桿及主桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力基本為0，然后在鋼纜上懸掛被測試件，接著通過精密減壓閥向儲氣罐通入壓縮空氣，儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣通過與氣缸內(nèi)孔直徑相等的無摩擦氣缸連接氣管進(jìn)入無摩擦氣缸，氣缸內(nèi)壓縮空氣對無摩擦氣缸活塞的壓力通過活塞桿、連接鉸鏈、移動(dòng)橫梁、主桿、負(fù)載力傳感器、懸掛鋼纜作用于被測試件，調(diào)整精密減壓閥，使無摩擦氣缸內(nèi)壓力與測試件及氣浮磁動(dòng)無摩擦懸吊裝置的隨動(dòng)部件重力平衡時(shí)，通過控制系統(tǒng)調(diào)整磁動(dòng)系統(tǒng)長行程動(dòng)圈內(nèi)電流，被測試件處于振動(dòng)平衡中心位置，由于移動(dòng)橫梁上的安裝在小空氣軸承內(nèi)的兩個(gè)導(dǎo)向桿限制了移動(dòng)橫梁只能做上下平動(dòng)，而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，長行程動(dòng)圈通過長行程動(dòng)圈安裝支架、長行程動(dòng)圈力傳感器固定在移動(dòng)橫梁的側(cè)面，因而只要保證激振器鐵芯安裝時(shí)與移動(dòng)橫梁側(cè)面平行，就能保證在運(yùn)動(dòng)中長行程動(dòng)圈內(nèi)孔與激振器鐵芯間的間隙即磁隙始終保持一致，當(dāng)被測試件受到外界強(qiáng)迫激振力時(shí)，由于氣浮系統(tǒng)提供的力始終等于重力，所以可模擬失重狀態(tài)，而被測試件懸掛在懸掛鋼纜下，可以做三個(gè)自由度的自由-自由邊界條件下的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行被測試件的振型測試，檢測傳感器系統(tǒng)包括激光位移傳感器、氣壓傳感器、長行程動(dòng)圈力傳感器、負(fù)載傳感器；在測試過程中，分別向控制系統(tǒng)提供氣浮磁動(dòng)無摩擦懸吊裝置隨動(dòng)部件的位移和加速度信息、無摩擦氣缸內(nèi)氣壓波動(dòng)信息、被測試件受力信息及長行程動(dòng)圈作用于隨動(dòng)部件的作用力信息，以便對長行程動(dòng)圈的電流進(jìn)行調(diào)整，提供合適的電磁力。
所述無摩擦氣缸中，活塞與氣缸間存在極小的間隙，底座與缸筒末端固定，所述缸筒、底座在活塞的一端形成高壓腔，在另一端形成低壓腔。在活塞靠近高壓腔的一端設(shè)計(jì)有卸壓槽，將從高壓腔進(jìn)入活塞與缸筒間隙的氣體流經(jīng)過一定的縫隙節(jié)流阻尼減壓后從卸壓槽內(nèi)排出到低壓腔，不影響活塞上節(jié)流孔形成的氣膜；活塞徑向上設(shè)置勻布的節(jié)流孔，節(jié)流孔的數(shù)量可布置一組或多組；活塞外圓柱面靠近高壓腔一側(cè)設(shè)計(jì)有一圈凹槽，從凹槽上方沿徑向打盲孔，再沿活塞壁向低壓腔方向打通孔形成卸壓槽，一組或多組卸壓槽均布在活塞壁中，與節(jié)流孔之間不相通；卸壓槽凹槽近高壓腔一端成一定的坡度，因此，從高壓腔進(jìn)入活塞與氣缸間隙的氣流直接從卸壓槽流入到低壓腔內(nèi)；卸壓槽也可以開成其他的形式，能方便導(dǎo)出高壓腔壓人的氣流即可；高壓腔內(nèi)的氣體經(jīng)節(jié)流孔在活塞與氣缸間隙間形成氣膜，氣膜氣體部分沿著活塞與缸筒間隙直接流入低壓腔，其余的經(jīng)卸壓槽流入低壓腔。而從高壓腔進(jìn)入間隙的氣體不影響活塞與缸筒間的氣膜。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置由于極低摩擦力，使得吊掛的載荷能夠在平面內(nèi)近乎自由地移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置在鉛垂地面方向提供恒定的能平衡試件重力的懸掛力，并能在鉛垂地面方向無摩擦隨動(dòng)，即提供超低懸掛頻率。無摩擦氣缸靠近高壓腔的一端設(shè)計(jì)有卸壓槽，有效避免高低壓氣流對氣膜產(chǎn)生影響，提高了無摩擦氣缸的抗側(cè)向力和抗彎矩的能力，加強(qiáng)了垂直隨動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)的控制精度穩(wěn)度、負(fù)載能力和懸掛頻率。本發(fā)明不僅可提供超低頻的懸掛剛體頻率，還可以平衡重力并抑制懸掛裝置對試件的附加質(zhì)量、附加剛度及附加摩擦力的影響，充分模擬試件的失重狀態(tài)，而又不引入會改變試件模態(tài)振型的動(dòng)態(tài)約束力從而確保在地面的模態(tài)試驗(yàn)中測試數(shù)據(jù)有效、可信。


圖1是一種超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)二維圖。圖2是水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置部分示意圖。圖3是水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置的氣浮裝置示意圖。圖4是水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置減重部分示意圖。圖5是氣浮環(huán)安裝板示意圖。圖6是氣浮環(huán)反面示意圖。圖7是氣浮環(huán)正面示意圖。圖8是氣浮平板及卡繩組件示意圖。圖9是垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置示意圖。圖10是無摩擦氣缸平面示意圖。圖11是活塞結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是圖11的A-A截面示意圖。圖13是圖11的C-C截面示意圖。圖14是無摩擦氣缸工作氣流流向原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖f圖14，一種超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，包括水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置4、垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置6、安裝底座2、支架5和移動(dòng)調(diào)整座3，所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置4安裝在安裝底座2上，所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置6通過支架5安裝在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置4的上方，所述移動(dòng)調(diào)整座3安裝在安裝底座2的下方。水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置4包括氣浮環(huán)安裝板10、接近開關(guān)12、氣浮環(huán)20、氣浮平板14、卡繩組件、減負(fù)掛柱17、線型導(dǎo)軌18、線性滑軌21、滑塊23、彈簧秤24、槽鋼22、主機(jī)底座13和激光位移傳感器，所述氣浮環(huán)20通過螺栓固定在氣浮環(huán)安裝板10上，所述氣浮環(huán)安裝板10四個(gè)角上安裝接近開關(guān)12，所述氣浮環(huán)安裝板10兩側(cè)安裝減負(fù)掛柱17，所述氣浮環(huán)安裝板10沿直線導(dǎo)軌方向的兩側(cè)中心處安裝激光位移傳感器，所述氣浮平板14放置在氣浮環(huán)20的正上方。其中，所述卡繩組件包括卡繩底盤15、穿繩半錐卡16、鎖緊卡34、鎖緊卡座35，所述卡繩底盤15與氣浮平板14中心固定，所述卡繩底盤15中心有錐形通孔，所述卡繩底盤15從中心錐形通孔沿徑向開有條形槽，所述穿繩半錐卡16有兩只，所述兩只穿繩半錐卡16合在一起與卡繩底盤15中心錐形通孔匹配，所述懸掛繩穿過穿繩半錐卡16的中心錐形孔且穿繩半錐卡16合攏時(shí)通過外錐面推力卡緊懸掛繩，所述鎖緊卡座35固定在卡繩底盤15上，所述鎖緊卡34合攏穿繩半錐卡16后插入鎖緊卡座35，所述鎖緊卡34另一端通過螺栓固定在卡繩底盤15上。所述氣浮環(huán)安裝板10底部與導(dǎo)軌滑塊固定，所述導(dǎo)軌滑塊可在線型導(dǎo)軌18上滑動(dòng)，所述線型導(dǎo)軌18固定在主機(jī)底座13上，所述氣浮環(huán)安裝板10與用于用以帶動(dòng)氣浮環(huán)安裝板移動(dòng)的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。所述移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括包括絲杠螺母座11、滾珠絲桿9和電機(jī)19，所述氣浮環(huán)安裝板10的側(cè)面通過絲杠螺母座11與滾珠絲桿9連接，所述滾珠絲杠9通過軸承座8安裝在主機(jī)底座13上，所述電機(jī)19通過聯(lián)軸器7與滾珠絲杠9連接。所述氣浮平板14上方有一組與支架5座固定且平行于線性導(dǎo)軌18的線性滑軌20，所述左右兩個(gè)線性滑軌20上的滑塊23之間通過槽鋼22連接，所述彈簧秤24 —端鉤掛在減負(fù)掛柱17上，另一端與槽，22連接且保持豎直狀態(tài)，所述滑塊23帶動(dòng)槽鋼跟隨氣浮環(huán)安裝板10的運(yùn)動(dòng)。所述氣浮環(huán)安裝板10呈正方形，所述氣浮環(huán)安裝板10中心有圓形通孔，所述圓形通孔的內(nèi)徑稍小于氣浮環(huán)20的內(nèi)徑，所述氣浮環(huán)安裝板上有一圈進(jìn)氣凹槽27，所述進(jìn)氣凹槽與氣浮環(huán)20上節(jié)流孔30相通，從氣浮環(huán)安裝板10側(cè)面打孔25通向進(jìn)氣凹槽27形成進(jìn)氣孔26，所述氣浮環(huán)安裝板10、氣浮環(huán)20上有氣浮環(huán)安裝螺紋孔28、32，所述氣浮環(huán)20與氣浮環(huán)安裝板10通過螺紋連接，所述氣浮環(huán)安裝板10上有接近開關(guān)、激光位移傳感器安裝孔29，所述氣浮環(huán)20上均布一圈節(jié)流孔30，所述節(jié)流孔30的進(jìn)氣口與氣浮環(huán)安裝板10上的凹槽27相通，所述氣浮環(huán)節(jié)流孔出氣口處銑出三圈環(huán)形槽33，所述環(huán)形槽33有兩組相切且切點(diǎn)過節(jié)流孔出氣口，另一個(gè)環(huán)形槽以節(jié)流孔為圓心并與另兩組環(huán)形槽相通，所述環(huán)形槽33也可以開成其他形式。所述氣浮環(huán)節(jié)流孔30進(jìn)氣口兩側(cè)有環(huán)形凹槽31，所述環(huán)形凹槽31與氣浮環(huán)安裝板10上的進(jìn)氣凹槽27相互隔離(即不相通)，所述氣浮平板14下表面平整光滑，上表面有加強(qiáng)肋，氣浮平板14采用輕質(zhì)設(shè)計(jì)。
所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置，包括機(jī)架36、安裝框架38、移動(dòng)橫梁37、導(dǎo)向桿39、主桿40、空氣軸承42及43、限位裝置45、激光位移傳感器、負(fù)載傳感器49、氣浮系統(tǒng)和磁動(dòng)系統(tǒng)，所述氣動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)無摩擦氣缸46、儲氣罐1、精密減壓閥、氣壓傳感器、無摩擦氣缸連接氣管48，所述磁動(dòng)系統(tǒng)包括長行程音頻動(dòng)圈、長行程動(dòng)圈力傳感器、激勵(lì)鐵芯44。所述機(jī)架36的上部固定安裝框架38，下部有下安裝板47，所述安裝框架38有底板和頂板，所述頂板上安裝有兩個(gè)導(dǎo)向桿39的導(dǎo)向空氣軸承43、主桿40的導(dǎo)向大空氣軸承42、激光位移傳感器、吊環(huán)41，所述底板的下方安裝有主桿40的導(dǎo)向大空氣軸承42、所述安裝框架38的底板上方對稱的安裝兩個(gè)無摩擦氣缸46、所述無摩擦氣缸46與儲氣罐I通過連接氣管48連通，所述壓縮氣源的通過精密減壓閥與儲氣罐I連接，無摩擦氣缸46的活塞桿桿與移動(dòng)橫梁37通過鉸鏈連接，移動(dòng)橫梁37由對稱的兩部分組成，所述主桿40和兩個(gè)導(dǎo)向桿39與移動(dòng)橫梁37連接，所述兩根導(dǎo)向桿39位于主桿40的兩側(cè)，所述主桿40的頂端安裝激光位移傳感器的感光板,主桿40和導(dǎo)向桿39均為空心管。長行程音頻動(dòng)圈的內(nèi)孔可上下運(yùn)動(dòng)的套裝在激勵(lì)鐵芯44上，激勵(lì)鐵芯44安裝在安裝框架38的底板和頂板之間，上下運(yùn)動(dòng)的長行程音頻動(dòng)圈與移動(dòng)橫梁37距離保持一致，長行程音頻動(dòng)圈內(nèi)孔與激勵(lì)鐵芯44的間隙一致，所述長行程動(dòng)圈力傳感器一面固定在移動(dòng)橫梁37的側(cè)面，另一面連接長行程音頻動(dòng)圈的安裝支架，負(fù)載力傳感器49 一端固定在主桿40上，另一端連接懸掛鋼纜。所述安裝框架38兩側(cè)各安裝一套限位裝置45，所述限位裝置包括每套各二個(gè)限位齒形塊和斜面微調(diào)件，一個(gè)限位齒形條，所述限位齒形快及斜面微調(diào)件能在限位齒形條上位置變化移動(dòng)。所述無摩擦氣缸包括缸筒52、端蓋51、底座56、活塞54和活塞桿50，所述活塞54與活塞桿50 —端固定連接,所述缸筒52 —端安裝底座56,所述缸筒的另一端安裝端蓋51,所述底座56上設(shè)有氣源進(jìn)氣口 57，所述活塞桿50穿過端蓋51，缸筒52的有桿腔設(shè)有出氣口 58，所述無摩擦氣缸有桿腔53為低壓腔，無桿腔55為高壓腔，所述活塞54徑向設(shè)置均布的節(jié)流孔59，所述活塞54外圓柱面靠近無桿腔一側(cè)設(shè)有一圈凹槽形成卸壓槽60，從卸壓槽60上方沿徑向打盲孔，再沿活塞壁向有桿腔方向打通孔形成卸壓孔61，所述卸壓孔61與節(jié)流孔59之間相互隔離，所述卸壓槽靠近無桿腔一端設(shè)有傾斜坡度，至少兩組卸壓孔61均布在活塞壁中，所述活塞設(shè)有至少兩組徑向方向均布的節(jié)流孔59。當(dāng)然，也可以采用其他無摩擦氣缸。
權(quán)利要求
1.一種超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，其特征在于包括水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置、垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置、安裝底座、支架和移動(dòng)調(diào)整座，所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置安裝在安裝底座上，所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置通過支架安裝在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置的上方，所述移動(dòng)調(diào)整座安裝在安裝底座的下方； 所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置包括氣浮環(huán)安裝板、接近開關(guān)、氣浮環(huán)、氣浮平板、卡繩組件、減負(fù)掛柱、線型導(dǎo)軌、線性滑軌、導(dǎo)軌滑塊、彈簧秤、槽鋼、主機(jī)底座和激光位移傳感器，所述氣浮環(huán)固定在氣浮環(huán)安裝板上，所述氣浮環(huán)安裝板上安裝接近開關(guān)，所述氣浮環(huán)安裝板兩側(cè)安裝減負(fù)掛柱，所述氣浮環(huán)安裝板沿直線導(dǎo)軌方向的兩側(cè)中心處安裝激光位移傳感器，所述氣浮平板放置在氣浮環(huán)的正上方，所述氣浮環(huán)安裝板底部與導(dǎo)軌滑塊固定，所述導(dǎo)軌滑塊可在線型導(dǎo)軌上滑動(dòng)，所述線型導(dǎo)軌固定在主機(jī)底座上，所述氣浮環(huán)安裝板側(cè)面與用以帶動(dòng)氣浮環(huán)安裝板移動(dòng)的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接； 所述氣浮平板上方有一組與支架座固定且平行于線性導(dǎo)軌的線性滑軌，所述左右兩個(gè)線性滑軌上的滑塊之間通過槽鋼連接，所述彈簧秤一端鉤掛在減負(fù)掛柱上，另一端與槽鋼連接且保持豎直狀態(tài)，所述滑塊帶動(dòng)槽鋼跟隨氣浮環(huán)安裝板的運(yùn)動(dòng)；所述氣浮環(huán)安裝板中心有圓形通孔，所述圓形通孔的內(nèi)徑小于氣浮環(huán)的內(nèi)徑，所述氣浮環(huán)安裝板上有一圈進(jìn)氣凹槽，所述進(jìn)氣凹槽與氣浮環(huán)上節(jié)流孔相通，從氣浮環(huán)安裝板側(cè)面打孔通向進(jìn)氣凹槽形成進(jìn)氣孔，所述氣浮環(huán)安裝板、氣浮環(huán)上有氣浮環(huán)安裝螺紋孔，所述氣浮環(huán)與氣浮環(huán)安裝板通過螺紋連接，所述氣浮環(huán)安裝板上有接近開關(guān)、激光位移傳感器安裝孔，所述氣浮環(huán)上均布一圈節(jié)流孔，所述節(jié)流孔的進(jìn)氣口與氣浮環(huán)安裝板上的凹槽相通，所述氣浮環(huán)節(jié)流孔出氣口處設(shè)有三圈環(huán)形槽，所述環(huán)形槽有兩組相切且切點(diǎn)過節(jié)流孔出氣口，另一個(gè)環(huán)形槽以節(jié)流孔為圓心并與另兩組環(huán)形槽相通，所述氣浮環(huán)節(jié)流孔進(jìn)氣口兩側(cè)有環(huán)形凹槽，所述環(huán)形凹槽與氣浮環(huán)安裝板上的進(jìn)氣凹槽相互隔離； 所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置，包括機(jī)架、安裝框架、移動(dòng)橫梁、導(dǎo)向桿、主桿、空氣軸承、限位裝置、激光位移傳感器、負(fù)載傳感器、氣浮系統(tǒng)和磁動(dòng)系統(tǒng)，所述氣浮系統(tǒng)包括兩個(gè)無摩擦氣缸、儲氣罐、精密減壓閥和氣壓傳感器，無摩擦氣缸連接氣管，所述磁動(dòng)系統(tǒng)包括長行程音頻動(dòng)圈、長行程動(dòng)圈力傳感器和激勵(lì)鐵芯，所述機(jī)架的上部固定安裝框架，下部有下安裝板，所述安裝框架有底板和頂板，所述頂板上安裝有兩個(gè)導(dǎo)向桿的導(dǎo)向空氣軸承、主桿的導(dǎo)向大空氣軸承、激光位移傳感器、吊環(huán)，所述底板的下方安裝有主桿的導(dǎo)向大空氣軸承、所述安裝框架的底板上方對稱的安裝兩個(gè)無摩擦氣缸、所述無摩擦氣缸與儲氣罐通過連接氣管連通，所述壓縮氣源的通過精密減壓閥與儲氣罐連接，無摩擦氣缸的活塞桿桿與移動(dòng)橫梁通過鉸鏈連接，移動(dòng)橫梁由對稱的兩部分組成，所述主桿和兩個(gè)導(dǎo)向桿與移動(dòng)橫梁連接，所述兩根導(dǎo)向桿位于主桿的兩側(cè)，所述主桿的頂端安裝激光位移傳感器的感光板，主桿和導(dǎo)向桿均為空心管，長行程音頻動(dòng)圈的內(nèi)孔可上下運(yùn)動(dòng)的套裝在激勵(lì)鐵芯上，激勵(lì)鐵芯安裝在安裝框架的底板和頂板之間，上下運(yùn)動(dòng)的長行程音頻動(dòng)圈與移動(dòng)橫梁距離保持一致，長行程音頻動(dòng)圈內(nèi)孔與激勵(lì)鐵芯的間隙一致，所述長行程動(dòng)圈力傳感器一面固定在移動(dòng)橫梁的側(cè)面，另一面連接長行程音頻動(dòng)圈的安裝支架，負(fù)載力傳感器一端固定在主桿上，另一端連接懸掛鋼纜，所述安裝框架兩側(cè)各安裝一套限位裝置，所述限位裝置包括每套各二個(gè)限位齒形塊和斜面微調(diào)件，一個(gè)限位齒形條，所述限位齒形塊及斜面微調(diào)件均與限位齒形條可移動(dòng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，其特征在于所述無摩擦氣缸包括缸筒、端蓋、底座、活塞和活塞桿，所述活塞與活塞桿一端固定連接，所述缸筒一端安裝底座，所述缸筒的另一端安裝端蓋，所述底座上設(shè)有氣源進(jìn)氣口，所述活塞桿穿過端蓋，缸筒的有桿腔設(shè)有出氣口，所述無摩擦氣缸有桿腔為低壓腔，無桿腔為高壓腔，所述活塞徑向設(shè)置均布的節(jié)流孔，所述活塞外圓柱面靠近無桿腔一側(cè)設(shè)有一圈凹槽形成卸壓槽，從卸壓槽上方沿徑向打盲孔，再沿活塞壁向有桿腔方向打通孔形成卸壓孔，所述卸壓孔與節(jié)流孔之間相互隔離，所述卸壓槽靠近無桿腔一端設(shè)有傾斜坡度，至少兩組卸壓孔均布在活塞壁中，所述活塞設(shè)有至少兩組徑向方向均布的節(jié)流孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的水平模態(tài)試驗(yàn)吊掛裝置，其特征在于所述氣浮環(huán)安裝板呈正方形，所述接近開關(guān)安裝在氣浮環(huán)安裝板的四個(gè)角上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，其特征在于所述移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲杠螺母座、滾珠絲桿和電機(jī)，所述氣浮環(huán)安裝板的側(cè)面通過絲杠螺母座與滾珠絲桿連接，所述滾珠絲杠通過軸承座安裝在主機(jī)底座上，電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接。
5.如權(quán)利要求1或2所述的超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，其特征在于所述氣浮平板下表面平整光滑，所述氣浮平板上表面有加強(qiáng)肋。
6.如權(quán)利要求1所述的超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，其特征在于 所述卡繩組件包括卡繩底盤、穿繩半錐卡、鎖緊卡、鎖緊卡座，所述卡繩底盤與氣浮平板中心固定，所述卡繩底盤中心有錐形通孔，所述卡繩底盤從中心錐形通孔沿徑向開有條形槽，所述穿繩半錐卡有兩只，所述兩只穿繩半錐卡合在一起與卡繩底盤中心錐形通孔匹配，所述懸掛繩穿過穿繩半錐卡的中心錐形孔且穿繩半錐卡合攏時(shí)通過外錐面推力卡緊懸掛繩，所述鎖緊卡座固定在卡繩底盤上，所述鎖緊卡合攏穿繩半錐卡后插入鎖緊卡座，所述鎖緊卡另一端通過螺栓固定在卡繩底盤上。
全文摘要
超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)，包括水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置、垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置、安裝底座、支架和移動(dòng)調(diào)整座，所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置安裝在安裝底座上，所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置通過支架安裝在水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置的上方,所述移動(dòng)調(diào)整座安裝在安裝底座的下方；所述水平激勵(lì)模態(tài)懸掛裝置包括氣浮環(huán)安裝板、接近開關(guān)、氣浮環(huán)、氣浮平板和卡繩組件，所述垂直隨動(dòng)模態(tài)懸掛裝置，包括機(jī)架、安裝框架、移動(dòng)橫梁、導(dǎo)向桿、主桿、空氣軸承、限位裝置、激光位移傳感器、負(fù)載傳感器、氣浮系統(tǒng)和磁動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明平面運(yùn)動(dòng)基本無約束的、無摩擦力和慣性力影響。
文檔編號G01M7/02GK103063392SQ201210593849
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者孫建輝, 周海清, 單曉杭 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)