[发明专利]超低频模态试验重力平衡系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种模态试验装置，尤其是一种超低频模态试验装置。

背景技术

随着航天航空技术的飞速发展，低频、超低频模态测试分析的需求日益增多。为了使航天器设计时有准确的模态参数可供参考，以避免引起共振等不必要的错误，必须对航天器进行模态分析试验。模态分析试验在对结构件进行激振激励的试验的基础上来测试结构体包括航天器结构的动态特性、固有频率、模态振型和阻尼、广义质量、广义刚度等。

失重是太空环境的一个主要特征。这就引出了模拟失重环境下对结构件动态试验的经典问题。负载的重力由悬挂系统悬挂力进行平衡，并且要求在悬挂力的作用点处不能引入较大的动态约束力。这些动态约束力一般是由悬吊装置的刚度、附加质量、摩擦力或系统振动模态等因素引起，这样会改变试件的模态振型。能满足这种精确模拟的条件称之为自由-自由边界条件。

对于垂直方向上的模态测试试验，悬吊装置垂直方向上的刚体运动频率要低于试件基频一个数量级是一个得到普遍认可的原则。一般而言，当试件基频大于20Hz时，将试件悬吊在简单的线性弹簧上即可以满足要求，自由-自由边界条件轻易就获得。但是当试件的基频接近或低于1Hz时，悬挂问题就变得极富有挑战性。悬吊装置的动态约束力远小于试件刚度和惯性而产生的力是自由-自由边界条件获得的基础。

目前，美国CSA工程公司已经成型的模态试验悬挂系统型号为60350-DA，该系统最大悬挂质量621磅，垂直悬吊频率为0.1Hz，该系统已被美国NASA兰利等研究中心所用。国内改为自行研制模态装置系统，申请号为200710071515.0的“气浮磁动无摩擦悬吊装置”公布了一种能满足频率准则、附加质量足够小、非线性影响小、测试精度高的垂直方向模态悬吊装置，申请号为201020214510.6的“超低频模态试验悬挂系统”做了进一步改进，公布了一种全数字式控制、提高工作频率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响的超低频模态试验悬挂系统。该系统的核心部分是无摩擦气缸活塞。与一般的空气轴承不同，无摩擦气缸活塞的工作间隙比普通的空气轴承要大，所以气体的泄漏流量相对就会较大，使得无摩擦气缸的稳定性难以控制，高精度气压控制设计的难度增加。对于普通气浮轴承而言，气体的流经方向都是从节流孔进入，从间隙的两端流到大气环境，但无摩擦气缸活塞的进气口包括活塞表面节流孔、活塞底端缸壁与活塞的间隙。活塞的上端面与缸壁间的间隙为气体的出口方向，这样的工作形式就导致活塞的下半部分（也属于高压腔部分）的压强比上半部分高，在活塞运动过程中产生偏心或倾向时，使得大间隙一侧的节流孔失去作用，从而不能形成有效地抗侧向能力。另外，由于在轴向上布置有多排孔，轴向上节流孔节流后的气体压强不同，使得气压在轴向上分布不均，存在一定的设计缺陷。

对于水平方向上的模态试验，自由-自由边界条件的主要约束为摩擦力、附加质量的惯性影响和钟摆效应，悬挂装置须平衡被测对象重力，达到平面跟随运动基本无约束。目前还没有成熟的水平模态试验悬挂装置。

发明内容

为了克服已有模态试验装置的无法实现水平方向模态测试、气浮装置设计的不足，本发明提供一种平面运动基本无约束的、无摩擦力和惯性力影响的超低频模态试验重力平衡系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种超低频模态试验重力平衡系统，包括水平激励模态悬挂装置、垂直随动模态悬挂装置、安装底座、支架和移动调整座，所述水平激励模态悬挂装置安装在安装底座上，所述垂直随动模态悬挂装置通过支架安装在水平激励模态悬挂装置的上方,所述移动调整座安装在安装底座的下方；

所述水平激励模态悬挂装置包括气浮环安装板、接近开关、气浮环、气浮平板、卡绳组件、减负挂柱、线型导轨、线性滑轨、导轨滑块、弹簧秤、槽钢、主机底座和激光位移传感器，所述气浮环固定在气浮环安装板上，所述气浮环安装板上安装接近开关，所述气浮环安装板两侧安装减负挂柱，所述气浮环安装板沿直线导轨方向的两侧中心处安装激光位移传感器，所述气浮平板放置在气浮环的正上方，所述气浮环安装板底部与导轨滑块固定，所述导轨滑块可在线型导轨上滑动，所述线型导轨固定在主机底座上，所述气浮环安装板侧面与用以带动气浮环安装板移动的移动驱动机构连接；