張智杰，崔修斌，張炳春，劉倫榮

（天津航天瑞萊科技有限公司，上海 201100）

引言

振動試驗工裝的設(shè)計需要結(jié)合產(chǎn)品的應(yīng)用場景和試驗要求來綜合設(shè)計，同時也應(yīng)兼顧經(jīng)濟與效率。本文通過兩個案例來分析總結(jié)振動試驗工裝設(shè)計的關(guān)鍵要求，可以指導經(jīng)驗相對缺乏的工程師迅速建立振動試驗夾具設(shè)計的認識和實操思路。

1 軌道列車空調(diào)的振動試驗工裝設(shè)計分析

軌道交通產(chǎn)品在交付使用前，都要進行型式試驗，其中振動沖擊試驗是型式試驗的重要一項。是考核產(chǎn)品在列車行駛過程抗振動能力的試驗，本試驗依據(jù)GB/T 21563-2018《軌道交通 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》進行測試。空調(diào)實際安裝是通過8個安裝位置，用螺釘安裝到車體上；為了模擬產(chǎn)品的安裝情況，需要設(shè)計試驗工裝，將產(chǎn)品按照實際裝車狀態(tài)安裝到振動臺上面進行試驗；為了控制加工周期和成本，選用市場標準的H型鋼和空心方鋼，設(shè)計的工裝在三個方向的強度和剛度都要滿足試驗要求。設(shè)計完成后，用有限元分析驗證工裝的是否符合試驗要求。

1.1 強度分析

主要分析工裝的強度能否滿足試驗要求，產(chǎn)品重量為640 kg。簡化分析產(chǎn)品按照GB/T 21563-2018標準時所受的載荷，載荷為試驗振動和沖擊帶來的慣性力和產(chǎn)品重量在垂向的重力。分析方式為線性靜分析。分析載荷見表1。

表1 振動載荷簡化信息表

工裝材料：45鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，各向同性。

約束：底部平面固支約束

加載位置：均布在8個安裝塊的上表面

分析結(jié)果：

垂向最大應(yīng)力為13.2 MPa，結(jié)果見圖1；

圖1 垂向靜載分析結(jié)果圖

縱向最大應(yīng)力為6.48 MPa，結(jié)果見圖2；

圖2 縱向靜載分析結(jié)果圖

橫向最大應(yīng)力為9.63 MPa，結(jié)果見圖3；

圖3 橫向靜載分析結(jié)果圖

根據(jù)振動結(jié)果可知垂向沖擊為最危險的方向。垂向沖擊試驗的量級為30 m/s2，用靜載荷分析方式，載荷垂向應(yīng)為25 600 N。分析結(jié)果垂向沖擊最大應(yīng)力為35.3 MPa，結(jié)果見圖4。

圖4 垂向沖擊分析結(jié)果圖

由于工裝加工工藝，連接方式，約束方式和模型的理想分析有一定的差異，因此引入0.8的系數(shù)作為分析結(jié)果的修正；即最大應(yīng)力為35.3 MPa/0.8=44.2 MPa，45鋼的屈服極限約為355 MPa，大于分析結(jié)果，強度符合試驗要求。

1.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析時，工裝底部安裝孔約束固定，產(chǎn)品質(zhì)量為640 kg，用重心高出工裝上平面200 mm的集中質(zhì)量來模擬，通過8個安裝塊，將集中質(zhì)量的重量分布在工裝上，分析模型見圖5。

圖5 模態(tài)分析模型

分析結(jié)果：

一階79 Hz，二階117 Hz，三階131 Hz。前兩階模態(tài)結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 模態(tài)分析結(jié)果一階

圖7 模態(tài)分析結(jié)果二階

圖9 副翼作動器工裝

1.3 分析結(jié)論

工裝的強度滿足要求，但是剛度稍微差一些，根據(jù)標準要求，空調(diào)振動試驗頻率為（3.9～117）Hz，工裝的共振頻率應(yīng)盡量高于試驗頻率，從結(jié)果可以看出一階為兩邊的支撐梁較弱，可以通過增加兩邊支撐和擇大一點的型材作為主受力結(jié)構(gòu)，以提高一階共振頻率以及工裝振動的幅值。最終達到控制滿足標準要求。

2 飛機副翼作動器的振動工裝設(shè)計分析[1]

飛機的副翼，其作用是使飛機產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，以保證飛機具有橫側(cè)的操縱性。飛機的副翼作動器的結(jié)構(gòu)及性能要求比較嚴格，這樣才能在工作環(huán)境下精確控制飛機的飛行動作。為了能夠滿足所述要求，對飛機的副翼作動器進行振動試驗，首先要設(shè)計副翼作動器的試驗工裝。工裝的設(shè)計要結(jié)合系統(tǒng)的功能，而不僅僅是裝卡產(chǎn)品，整個振動試驗系統(tǒng)如圖8所示。因此本次工裝設(shè)計需要解決以下的問題：

圖8 副翼作動器振動試驗系統(tǒng)

1）由于產(chǎn)品副翼作動器有伸縮及轉(zhuǎn)動的部件，故將工裝設(shè)計為三個部分，試驗時，通過螺栓將三個部分連接起來。如圖所示，第1部分為主體部分，實現(xiàn)作動器的主要約束；第2部分為作動器伸縮部分，安裝軸承軸套和連接工裝，實現(xiàn)做動桿的前后伸縮；第3部分為副翼調(diào)整角度旋轉(zhuǎn)的部分，安裝一個橢圓襯套，實現(xiàn)副翼的轉(zhuǎn)動及微小的上下擺動；

2）工裝夾具需要滿足作動器的靈活動作和剛性連接，同時要求工裝的一階固有頻率能夠避開副翼作動器在振動中的危險頻率，需要前期有限元分析及后期的試驗驗證，上面例子已經(jīng)舉了有限元分析的過程，本例不再贅述，最終的工裝是參考分析結(jié)果修改定型的；

3）本試驗系統(tǒng)設(shè)計信號采集，高壓油路的連接，通信線纜接口的連接，故工裝設(shè)計需要考慮油路及線纜布線，最終實現(xiàn)振動，高壓供給，驅(qū)動動作，信號采集完整系統(tǒng)功能。

3 試驗工裝設(shè)計的要點

試驗工裝的設(shè)計對試驗的順利開展有著至關(guān)重要的影響，因此試驗人員在工裝設(shè)計之前應(yīng)充分了解產(chǎn)品的特性，多積累相關(guān)經(jīng)驗，以下為個人的總結(jié)：

3.1 工裝要模擬實際安裝

工裝的設(shè)計應(yīng)能實現(xiàn)產(chǎn)品按照安裝實際情況進行裝卡，這樣試驗才能更真實的考核產(chǎn)品，不應(yīng)產(chǎn)生過約束或欠約束。安裝精度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求來設(shè)計，對于有平面度，同軸度等公差要求的產(chǎn)品，設(shè)計加工時應(yīng)考慮周全，不能使產(chǎn)品安裝后產(chǎn)生預應(yīng)力；對于有運動部件的產(chǎn)品，工裝應(yīng)能實現(xiàn)產(chǎn)品需要的動作或功能，安裝緊固可靠，裝卸應(yīng)方便。

3.2 工裝應(yīng)能滿足試驗要求

不同試驗對工裝的要求不一樣，對于功能調(diào)試工裝，結(jié)構(gòu)要求盡量簡單，能實現(xiàn)可靠安裝即可。

對于靜態(tài)載荷試驗工裝，應(yīng)保證工裝在載荷方向有足夠的剛度和強度，同時應(yīng)注意保護操作人員的安全，如果有剛度值測量的要求，必須要考慮工裝變形帶來的形變量；

對于振動工裝，要求較為復雜，一般要求工裝要有良好的力學性能，能將振動臺的運動不失真的傳遞給試驗產(chǎn)品。工裝的一階頻率應(yīng)該大于試驗頻率上限，振幅偏差應(yīng)能控制在規(guī)定范圍內(nèi)，根據(jù)GB/T 2423.10-2008《環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗FC：振動（正弦）》的要求，基準點振動加速度的控制允差要求15 %，而國GJB 150標準的要求則是10 %。因此設(shè)計工裝時一定要把握好工裝的使用頻率，選擇合適的材料和合適的設(shè)計以滿足要求，下面對振動工裝的加工總結(jié)會說到這一點。另外，工裝應(yīng)避免重心集中在一側(cè)，導致振動時偏心引起不平衡，使得控制結(jié)果不理想，甚至損壞振動設(shè)備[2]。這里需要提出，一些大型的工裝很難保證一階共振頻率要大于試驗頻率上限，這時一定要注意加強工裝的結(jié)構(gòu)，使得即使工裝發(fā)生共振或反共振時，振幅依然能夠控制在容差要求范圍內(nèi)。

3.3 通用性要求

同類產(chǎn)品的工裝經(jīng)常比較類似，因此應(yīng)考慮工裝的通用性設(shè)計，避免反復加工造成浪費。可以通過設(shè)計框架工裝，L型工裝，H型工裝等來滿足不同樣品的重復使用。在滿足要求的情況下，安裝位置可以采用可調(diào)式設(shè)計，這樣提高容差率的情況下，可以實現(xiàn)不同間距產(chǎn)品的安裝要求，或者安裝位置的分塊設(shè)計，不同產(chǎn)品只要加工其中不同的安裝塊與主體結(jié)構(gòu)安裝。

小型工裝可以用整體加工的方式設(shè)計，這樣強度和精度都能很好保證，大型工裝的設(shè)計應(yīng)考慮加吊裝，結(jié)構(gòu)盡量簡單，方便人員操作，裝卸和運輸。

3.4 振動工裝加工

工裝選擇材料時應(yīng)選比剛度大的，意味著質(zhì)量輕而剛度大,則工裝對推力影響小而其頻響可展寬,故工裝對振動試驗影響小而傳遞力或參數(shù)的性能卻很好。常用金屬的材料有鋁合金和鋼材，相對來說比剛度比其他材料大[3]，其次是美鋁合金，其比剛度和鋁合金接近，也有較好的力學性能，但是費用相對高，采購周期長，應(yīng)根據(jù)實際情況進行選擇。

工裝的加工方式整體加工性能最好，其次焊接，鉚接和螺栓連接相對差一些，不是不得已不用壓塊壓緊的連接方式。

工裝加工時應(yīng)選擇統(tǒng)一的基準面，對產(chǎn)品的安裝有要求的，應(yīng)在圖紙中標注明白，如平面度，垂直度，同軸度等要求。

3.5 綜合設(shè)計

一定要明確工裝的使用技術(shù)要求，從總體系統(tǒng)出發(fā)考慮設(shè)計工裝，在保證滿足要求的同時應(yīng)選用經(jīng)濟成本低，效率高的材料加工，復雜的工裝需要編寫是使用說明書。

3.6 工裝設(shè)計的步驟

明確工裝的技術(shù)要求；

構(gòu)思工裝的合適的構(gòu)造，材料，加工方式和安裝方式；

利用CAD等軟件完成設(shè)計；

初步進行有限元仿真分析并優(yōu)化工裝；

加工完成后進行驗證；

最終交付使用。

4 總結(jié)

隨著機電產(chǎn)品可靠性試驗的重要性逐步提升，工裝設(shè)計經(jīng)驗的積累和推廣也越重要。振動試驗工裝的設(shè)計需要結(jié)合產(chǎn)品的應(yīng)用場景和試驗要求來綜合設(shè)計，同時也應(yīng)兼顧經(jīng)濟與效率。設(shè)計工程師應(yīng)多總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，并將具體經(jīng)驗方法固化下來指導新的工程師進行工裝的設(shè)計。