适应动态加速度场的压电-液压串联复合激振装置研制

毛勇建; 李明海; 何颖波; 严侠; 刘谦; 凌明祥; 康甜

doi:10.37188/OPE.20233122.3318

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适应动态加速度场的压电-液压串联复合激振装置研制

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-11-28

- 适应动态加速度场的压电-液压串联复合激振装置研制
- Development of a piezoelectric-hydraulic series hybrid vibration exciter undergoing dynamic overloads
- 光学精密工程 2023年31卷第22期页码：3318-3330
- 作者机构：
  
  1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621999
  2.中国工程物理研究院，四川绵阳 621999
- 作者简介：
  
  [ "毛勇建（1976-），男，四川简阳人，博士，研究员，2010年于西北工业大学获得博士学位，主要从事环境试验技术与冲击动力学相关研究。E-mail： maoyj@caep.cn" ]
  [ "何颖波（1966-），男，四川仪陇人，硕士，研究员，1986年于北京大学获得学士学位，1989年于北京科技大学获得硕士学位，主要从事结构与材料冲击动力学研究、重大装备研制等相关工作。E-mail： heyb@caep.cn" ]
- 基金信息：
  
  国防技术基础重点项目资助(JSHS2018212C001)
- DOI：10.37188/OPE.20233122.3318
  中图分类号： TH113.2;TN384
- 收稿日期：2023-04-13，
  
  修回日期：2023-06-13，
  
  纸质出版日期：2023-11-25
- 稿件说明：
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毛勇建,李明海,何颖波等.适应动态加速度场的压电-液压串联复合激振装置研制[J].光学精密工程,2023,31(22):3318-3330.

MAO Yongjian,LI Minghai,HE Yingbo,et al.Development of a piezoelectric-hydraulic series hybrid vibration exciter undergoing dynamic overloads[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(22):3318-3330.
毛勇建,李明海,何颖波等.适应动态加速度场的压电-液压串联复合激振装置研制[J].光学精密工程,2023,31(22):3318-3330. DOI： 10.37188/OPE.20233122.3318.

MAO Yongjian,LI Minghai,HE Yingbo,et al.Development of a piezoelectric-hydraulic series hybrid vibration exciter undergoing dynamic overloads[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(22):3318-3330. DOI： 10.37188/OPE.20233122.3318.

摘要

为了实现动态加速度与时变振动环境的综合模拟，研制了一套适应动态加速度场的轻量宽频激振装置。首先提出了压电-液压串联复合激振方法和装置构型，解决了传统激振方法“宽频不轻量、轻量不宽频”的难题。设计了六单元并联压电激振模块，建立了精密装调工艺，并联激振效率达到74.2%。为满足动态加速度环境下的宽频激振需求，提出液压内嵌式定中方案，研制了具有“缸中缸”构型的液压激振模块。基于分频器，提出了串联复合激振系统的分频控制方法，实现了压电、液压激振模块的协调工作、均衡出力。以力平衡控制结合零位移反馈补偿控制，提出了液压激振模块定中控制方法，实现了动态加速度环境下的精确定中。提出了变增益、长时波形再现两种时变振动控制方法，研制了一体化的控制系统。测试结果表明，串联复合激振装置在离心加速度不低于60

、加速度变化率不低于15

/s工况下，分别实现了50 kg负载下的6

rms

振动加速度、10~2 000 Hz频率范围的宽频激振。该装置已应用于多项惯性器件、组件和系统的环境试验考核，载荷控制效果良好。相比飞行试验，本文成果为飞行器制导、控制系统功能性能考核提供了高效经济的实验室手段，特别在大样本数据获取方面具有优势。

Abstract

A light-weight and wide-bandwidth vibration exciter operating in dynamic overload environments was developed to conduct combined simulations of dynamic overload and time-varying vibration. A piezoelectric-hydraulic series hybrid vibration excitation method and corresponding configuration are proposed to solve the problem of narrow bandwidth with light weight or heavy weight with wide bandwidth. A six-element piezoelectric parallel excitation module was designed and the corresponding precise assembly technology was built， achieving a parallel excitation efficiency of 74.2%. A hydraulic embedded centering method is also proposed for the hydraulic actuator to operate in dynamic overload environments. In addition， a hydraulic excitation module with a novel cylinder-in-cylinder configuration was developed. The frequency-division control method for series hybrid excitation systems was designed based on a frequency divider， with the hydraulic and piezoelectric vibration excitation modules working coordinately and loading with equilibrium. Combining force balance control with zero-displacement feedback compensation， a centering control method was designed for the hydraulic excitation module. Thus， precise centering in dynamic overloads was accomplished. Two time-varying vibration control methods， namely variable gain and long-duration waveform replication methods， are proposed， and the integrative control system was developed as well. Performance tests show that the developed hydraulic-piezoelectric series hybrid vibration exciter features excitation abilities of acceleration over 6

rms

and frequency band covering 10-2 000 Hz for a payload over 50 kg in centrifugal overload exceeding 60

and overload rate exceeding 15

/s， respectively. The exciter was installed on a dynamic centrifuge and applied in a number of tests for inertial sensors， assemblies， and systems with good load control effects. In comparison to real flight tests， the dynamic overload-vibration simulation technique presented in this paper provides a more efficient and more economical laboratory approach for testing functional properties of guidance and control systems of aircrafts and spacecrafts， especially for large sample test data accumulation.

关键词

Keywords

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