一种隔振装置低频传递特性测试系统及测试方法与流程

1.本发明涉及一种隔振装置低频传递特性测试系统及测试方法，属于航天器减隔振领域。


背景技术：

2.为实现星上敏感组件对微振动环境达到mg量级，星上敏感组件需配置低刚度高阻尼隔振装置，隔振装置频率将在2hz以下，远低于一般隔振装置频率(不低于20hz)。在隔振效率测试中，传统模拟测试系统无法实现20hz以下激励模拟及隔振装置低频传递特性测试，进而无法评估隔振装置低频段隔振效率，直接影响到隔振装置隔振性能的评估与产品交付。
3.常规的隔振装置隔振性能评估一般采用模拟测试平台，通过激励系统模拟干扰源干扰力输出，实现对隔振装置的隔振性能评估。基于现有隔振装置刚度特点及隔振效率测试平台，无法实现隔振装置低频段隔振效率测试，仅能实现20hz以上隔振效率测试与评估。针对该类测试，一般采用在真实使用环境下进行测量评估，但该方法耗时大，成本高，对产品设计改进具有严重的滞后性。
4.结合隔振装置低频段隔振效率测试与隔振性能评估的需求，设计并构建一套针对隔振装置低频传递特性测试的测试系统及实施方法，用于产品设计、研制与验证阶段传递特性测试，评估产品的隔振性能、隔振效率及其技术指标的符合性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种隔振装置低频传递特性测试系统及测试方法，通过模拟真实扰振源特性、真实结构传递特性，测试隔振装置在低频段(20hz及以下)隔振效率，用于评估隔振装置隔振效率，判断隔振装置隔振指标符合性。
6.实现本发明的技术方案如下：
7.一种隔振装置低频传递特性测试系统，包括：扰振源模拟器、被隔振组件、航天器模拟小舱、小舱卸载装置、被隔振组件卸载装置、悬吊装置、质心配平组件以及微振动测量装置；
8.其中，所述扰振源模拟器安装在航天器模拟小舱侧板上，所述航天器模拟小舱通过所述小舱卸载装置悬挂于悬吊装置上；所述被隔振组件用于设置在待测试的隔振装置上，通过所述被隔振组件卸载装置悬挂于悬吊装置上；所述质心配平组件安装在所述航天器模拟小舱的底板上；所述微振动测量装置用于测试不同位置的微振动参数以及试验系统频率特性；
9.所述小舱卸载装置包括多个悬吊装置，每一悬吊装置由绳索、弹簧和高度调解装置构成，用于使航天器模拟小舱处于卸载状态；
10.所述被隔振组件卸载装置主要由悬吊绳索、高度调节装置、弹簧以及测力装置构成；用于对被隔振组件进行卸载，模拟被隔振组件在轨飞行状态。
11.进一步地，本发明所述每一悬吊装置中的弹簧为多个，多个弹簧串联。
12.进一步地，本发明所述单根弹簧刚度k0满足如下关系：
[0013][0014]
其中，m1为单根悬吊装置的承载质量，l为弹簧允许的最大变形量。
[0015]
进一步地，本发明所述悬吊绳索长度l满足如下关系：
[0016]
pl0+l+δl《h
[0017]
其中，δl为高度调节装置可调节高度，h为悬吊高度，pl0为p根弹簧总长度。
[0018]
进一步地，本发明所述为振动测量装置包括多种类型测量传感器和相应测量数采系统组成，分别设置于振动传递路径上，用于对振动传递路径上的振动特性进行测量。
[0019]
一种隔振装置低频传递特性测试方法，包括如下具体过程：
[0020]
(1)判断测试系统是否满足测试条件：
[0021]
a)被隔振组件卸载频率判断：测量被隔振组件卸载后的频率是否满足测试要求，当不满足时，通过调整弹簧刚度，确保卸载频率满足测试要求；
[0022]
b)被隔振组件卸载力判断：通过被隔振组件上测力装置判断被隔振组件是否完全卸载，当未完全卸载时，通过调整悬吊高度实现对被隔振组件卸载；
[0023]
c)试验系统卸载频率：模拟小舱试验系统卸载后，判断系统频率是否满足试验要求；当不满足要求时，通过调整弹簧刚度确保卸载频率满足测试要求；
[0024]
(2)模拟小舱模态测试
[0025]
开展模拟扰振源安装局部结构模态测试和隔振装置、被隔振组件安装局部结构模态测试，若不满足设定要求时，进行局部结构的改进；
[0026]
(3)测试系统背景噪声测试
[0027]
对整个试验系统进行振动噪声测试，当噪声不满足要求时，进行背景噪声的调节；
[0028]
(4)在上述步骤(1)-(3)的测试满足要求时，开展隔振装置低频传递特性测试。
[0029]
进一步地，本发明在进行隔振装置、被隔振组件安装局部结构模态测试时，判断局部结构刚度特性是否与真实结构刚度偏差在10hz以内，若是，则判定满足要求。
[0030]
进一步地，本发明所述系统背景噪声是否满足测量要求的条件为：系统噪声低频段峰峰值不高于0.5mg。
[0031]
进一步地，本发明所述对整个试验系统进行振动噪声测试为：
[0032]
首先，将采集到的噪声信号通过ad转换器转换成数字信号；
[0033]
其次，对测量噪声数据进行低通滤波，去除45hz以上的噪声信号；
[0034]
最后，对数据进行判读，若噪声不满足要求，分析噪声信号主要特征及来源。
[0035]
有益效果：
[0036]
(1)本发明通过对小舱卸载装置和被隔振组件卸载装置进行设计，利用小舱卸载装置实现对模拟小舱卸载，利用被隔振组件卸载装置实现对被隔振组件卸载，利用质心配平组件实现对测试系统质心配平，从而确保系统能够实现对隔振装置的低频段(20hz及以下)隔振效率进行测试。
[0037]
(2)本发明在设计时对小舱卸载装置中弹簧刚度和绳索的长度进行约束，从而进一步确保所设计的系统能够满足低频段(20hz及以下)隔振效率进行测试的要求。
[0038]
(3)本发明在测试前，通过对被隔振组件卸载频率、被隔振组件卸载力、试验系统卸载频率、模拟小舱模态及测试系统背景噪声进行判断，从而确保隔振装置低频传递特性测试的准确性。
[0039]
(4)在对整个试验系统进行振动噪声测试时，对采集的噪声数据进行判读，分析噪声信号主要特征及来源，从而便于对背景噪声进行调整，使得测试环境噪声满足低频测试的要求。
[0040]
(5)本发明在进行隔振装置、被隔振组件安装局部结构模态测试时，要求局部结构刚度特性是否与真实结构刚度偏差在10hz以内，因此可真实模拟扰振源特性、扰振源在结构上的传递特性，获取扰振源传递至被隔振组件安装处附近的微振动环境，实现航天器系统级微振动试验的间接模拟；
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0042]
图1为隔振装置低频传递特性测试系统构成图；
[0043]
图2为隔振参数测量装置组成图；
[0044]
图3为模拟小舱构成图及对外接口；
[0045]
图4为小舱卸载装置构成图；
[0046]
图5为被隔振组件卸载装置构成图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0048]
本发明提供了一种隔振装置低频传递特性测试系统，如图1所示，包括：扰振源模拟器1、被隔振组件3、航天器模拟小舱4、小舱卸载装置5、被隔振组件卸载装置6、悬吊装置7、质心配平组件8以及微振动测量装置9；
[0049]
其中，所述扰振源模拟器1安装在航天器模拟小舱4侧板上；所述航天器模拟小舱4通过所述小舱卸载装置5悬挂于悬吊装置7上；所述被隔振组件3用于设置在待测试的隔振装置2上，通过所述被隔振组件卸载装置6悬挂于悬吊装置7上；所述质心配平组件8安装在所述航天器模拟小舱4的底板上；所述微振动测量装置9用于测试不同位置的微振动参数以及试验系统频率特性；
[0050]
所述小舱卸载装置5包括多个悬吊装置，每一悬吊装置由绳索5-1、弹簧5-2和高度调解装置5-3构成；用于使航天器模拟小舱处于卸载状态；
[0051]
所述被隔振组件卸载装置6主要由悬吊绳索6-1、高度调节装置6-2、弹簧6-3以及测力装置6-4构成；用于对被隔振组件进行卸载，模拟被隔振组件在轨飞行状态。
[0052]
本实施例通过对小舱卸载装置5和被隔振组件卸载装置6进行设计，利用小舱卸载装置5实现对模拟小舱4卸载，利用被隔振组件卸载装置6实现对被隔振组件3卸载，利用质心配平组件8实现对测试系统质心配平，从而确保系统能够实现对隔振装置的低频段(20hz及以下)隔振效率进行测试。
[0053]
下面对该系统的每一组成部分进行详细说明：
[0054]
常见电磁激励源仅能模拟20hz以上的激励模拟，本方案使用的扰振源模拟器1可采用扰振源真实产品、电性能产品或者模拟件(与真实件一致的干扰源进行模拟低频段干扰特性，使其能够模拟出20hz以下的测试环境)，如图2中1-1，实现对扰振特性模拟(包含扰振频率特性和幅值特性等)，扰振源模拟器1可以直接安装在模拟小舱侧板上，也可通过支架如图2中1-2所示，安装在模拟小舱3侧板上。
[0055]
隔振装置2为待测试的真实产品，被隔振组件3为质量模拟件，模拟被隔振组件质量、惯量，如图2所示，隔振装置2安装在模拟小舱4底板上，被隔振组件3安装在隔振装置2上。
[0056]
航天器模拟小舱4，如图3所示，为半封闭结构，为扰振源模拟器、隔振装置、被隔振组件提供安装支撑结构，采用与真实结构力学特性一致的结构板，结构板局部刚度与扰振源、被隔振组件在航天器上局部安装结构的刚度特性一致，不失一般性，小舱大小、尺寸均可根据扰振源、隔振装置、被隔振组件在航天器上安装处局部结构特性进行适应性改进设计而成；模拟小舱提供三类接口，包括扰振源模拟器1接口3-1，隔振装置安装接口3-2，质心配平组件安装接口3-3。
[0057]
小舱卸载装置5，由若干个弹簧组件组成，每个弹簧组件构成如图4所示，单根弹簧组件由若干个悬吊绳索(5-1)、高度调节装置(5-2)和若干个弹簧(5-3)构成，弹簧可以由若干根串联组成，卸载装置的重点是弹簧选型和刚度估算。
[0058]
弹簧刚度选择方法:
[0059]
假设试验系统(小舱+敏感组件组合体)质量为m，频率要求为低于f，试验系统由n个悬吊点进行卸载，单根悬吊装置的刚度为k1，则并联弹簧系统刚度为nk1，单根悬吊装置的承载质量为m1，系统固有频率为:
[0060][0061]
则:
[0062][0063]
假设单根悬吊装置由p根刚度为k0弹簧串联而成，则有为：
[0064][0065]
则有：
[0066]
k0≤4π2f2m1p
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(1)
[0067]
同时，为保证弹簧具有足够的承载能力，假设单根弹簧允许的最大变形l,则单根弹簧刚度应满足如下条件：
[0068][0069]
式中g为重力加速度，一般取9.8m/s2。
[0070]
在选择弹簧需要根据式1和式2综合设计弹簧选型；
[0071]
弹簧与悬吊绳索连接，悬吊绳索与悬吊装置、高度调节装置相连，通过初步计算后，确定悬吊绳索初步长度，进行系统装调，初步装配完成后，通过调整高度调节装置实现试验系统处于卸载状态。
[0072]
假设卸载中单根弹簧长度为l0(含弹簧变形量)，则整个悬吊装置弹簧的总长度为pl0，悬吊高度为h，悬吊绳索长度为l，高度调节装置可调节高度为δl，则有:
[0073]
pl0+l+δl《h
[0074]
在已知悬吊高度h和高度调节装置可调节高度δl的情况下，通过初步估算出pl0，计算悬吊绳索长度l，使得:
[0075]
pl0+l《h-δl
[0076]
在此基础上进行卸载装置初步装调，并通过调节高度装置确保试验系统处于卸载状态。
[0077]
小舱卸载装置5与模拟小舱4相连，实现对模拟小舱卸载，确保卸载后模拟小舱处于自由-自由状态，模拟航天器在轨飞行状态，确保测试频率低于5hz，避免试验系统边界条件模拟不准确，导致无法测试5-30hz的低频段测试，对试验结果产生影响。弹簧参数可根据模拟小舱质量、试验系统频率需求设计，试验系统一般要求三个轴向不大于5hz。
[0078]
被隔振组件卸载装置6，如图5所示，由悬吊绳索6-1、高度调节装置6-2、弹簧6-3以及测力装置6-4构成，用于对被隔振组件进行卸载，模拟敏感组件在轨飞行状态，确保敏感组件频率状态与飞行状态一致，避免敏感组件试验状态与飞行状态差异；该装置可根据隔振装置、被隔振组件特性进行选配，非必选装置，当被隔振组件需要卸载时可选择该装置，弹簧参数由被隔振组件测试频率要求确定，测力装置用于评估被隔振组件是否达到卸载要求，对于低频段传递特性测试，卸载后被隔振组件的频率不应高于在轨实际状态频率，如某被隔振组件卸载后频率要求不高于3hz。
[0079]
悬吊装置7，由试验场地提供，实现对小舱卸载装置、被隔振组件卸载装置的支撑与连接，悬吊高度需满足试验系统需求，试验系统悬吊高度需求由小舱卸载装置中弹簧位移、被隔振组件卸载装置弹簧位移以及各自悬吊绳索高度确定，取二者最高者，一般不低于3米。
[0080]
质心配平组件8，安装在模拟小舱底板或侧板上，用于配平试验系统质心位置，避免模拟小舱因质心不平出现偏心、倾斜现象，以适应多种扰振源和隔振装置测试，模拟小舱上预留质心配平组件接口。
[0081]
微振动测量装置9，如图2所示，由若干种类测量传感器(图2中9-1a、9-2a所示)及相应测量数采系统(图2中9-1b、9-2b所示)组成，可以布置在扰振源模拟器1、隔振装置2安装底板、被隔振组件3、模拟小舱4侧板、底板等传递路径上各个位置，实现对传递特性路径上参数测量，测量装置的数据采集系统(图2中9-1b、9-2b等)摆放在测试系统旁，实现对传感器测量信号的放大、采样以及数据处理与分析等，为评价试验系统、隔振装置隔振效率、模拟小舱结构力学传递特性等提供参数依据。
[0082]
上述部件完成系统搭建后，将按照以下步骤及方法开展隔振装置低频传递特性测试：
[0083]
1)判断试验系统是否满足测试条件
[0084]
a)被隔振组件卸载频率：通过激光测振等方法测量被隔振组件卸载后的频率是否满足测试要求，必要时，调整卸载弹簧刚度，确保卸载频率满足测试要求；
[0085]
b)被隔振组件卸载力：通过被隔振组件上测力装置判断被隔振组件是否完全卸载，必要时通过调整悬吊高度实现对被隔振组件卸载；
[0086]
c)试验系统卸载频率：模拟小舱试验系统卸载后，通过自由震荡法和随机激励法测量试验系统频率是否满足试验要求；不满足试验要求时，通过调整弹簧刚度(如更换弹簧，或通过弹簧串联组成满足刚度要求的弹簧组)，确保卸载频率满足测试要求。
[0087]
2)模拟小舱模态测试
[0088]
a)模拟扰振源安装局部结构模态测试：采用随机激励法并利用测量装置，测量模拟扰振源安装局部结构刚度特性，判断结构特性与扰振源刚度特性是否耦合，必要时改进局部结构；
[0089]
b)隔振装置、被隔振组件安装局部结构模态测试：采用随机激励法，测试上述组件局部安装结构刚度特性，判断局部结构刚度特性是否与真实结构一致，刚度偏差控制在10hz以内，必要时改进局部结构；
[0090]
3)试验系统背景噪声测试
[0091]
在完成对低频传递特性测试系统卸载频率测试步骤1)和模拟小舱模态测试步骤2)并满足测试要求后，对整个试验系统进行振动噪声测试，首先将采集到的噪声信号通过ad转换器转换成数字信号，然后对测量噪声数据进行低通滤波，去除45hz以上的噪声信号，其次对数据进行判读，若噪声不满足要求，分析主要噪声信号特征及可能的来源，如空调噪声、吊车系统、信号干扰等，对这些可能导致噪声偏大的来源进行排查和清除，确保噪声满足测试要求；在低频传递特性测试中，系统噪声低频段(45hz以内)峰峰值应不高于0.5mg；
[0092]
4)隔振装置低频传递特性测试
[0093]
完成步骤1～3)测试系统特性测试并满足要求后，开展隔振装置低频传递特性测试，测试中通过控制扰振源模拟器输出开展不同工况下隔振装置的隔振效率测试，主要测试工况(但不限于该类工况)：
[0094]
a)、0.5～100hz扫频测试，频率扫描上限可根据扰振源实际工作频率上限确定；
[0095]
b)、5至30hz定频率测试，测试频率间隔5hz，测试时间不低于30s；
[0096]
c)、0.5hz～5hz定频测试，测试频率间隔0.5hz，测试时间不低于30s；
[0097]
d)、必要时，可增减0.5～30hz的扫频测试；
[0098]
各工况测试中，通过微振动测量装置测量各类传感器微振动测量参数。
[0099]
5)数据分析与判读
[0100]
完成各工况测试后，按照相关数据处理要求及标准对测量数据进行分析与处理，并对隔振装置隔振效率进行评估计算，判断隔振装置隔振效率是否满足研制要求。
[0101]
具体实施例
[0102]
某卫星为了满足高精度加速度的测量需求，配置了高精度加速度计，卫星针对该加速度计微振动抑制需求，配置了一套隔振装置，以确保经隔振后的微振动环境满足加速度计的抑制需求。
[0103]
为测试隔振装置低频段(30hz及以下频段)传递特性，按照本发明研制了一套隔振装置低频传递特性测试系统，并按照测试方法进行测试，对试验系统测试结果如下：
[0104]
试验系统三轴刚体模态均小于0.6hz，满足不大于5hz要求；
[0105]
被隔振组件卸载后刚体模态2.6hz，满足不大于3hz要求；
[0106]
扰振源安装结构局部模态为45hz，被隔振组件安装处局部模态为70hz，与航天器真实结构特性一致；
[0107]
试验系统背景噪声最大为0.424mg，满足不大于0.5mg要求；
[0108]
在试验系统满足测试要求条件下，按照规定测试工况对隔振装置低频段各个测试频点进行测试，测试结果如表1所示，在低频段各个频点隔振装置的隔振效率均在95％以上，满足隔振效率不低于90％的要求，且隔振后产品的加速度响应均小于0.1mg，满足被隔振组件不大于0.5mg的隔振需求。
[0109]
表1隔振后各个工况加速度响应参数。
[0110][0111]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。