气浮支撑预载系统和方法
技术领域
本发明实施例涉及振动试验技术领域，尤其涉及一种气浮支撑预载系统和方法。
背景技术
随着振动测量领域的不断发展，研究人员越来越关注被测元件的振动传递特性。振动传递特性是指振动传递率与频率之间的关系，其随预载荷大小变化，为了模拟被测元件在不同载荷下的工况，需要引入预载系统，以检测振动传递特性随载荷的变化特征。
传统的预载系统多采用液压系统作为传动装置，将动力机构的输入通过介质(水、矿物油等)的压力能转换为机械能，实现直线往复运动或回转运动。得益于体积小、重量轻、换向容易、寿命长等诸多优点，受到了工业应用的广泛青睐。
然而，采用液压预载系统时，由于液压系统具有较大刚度，会与其他结构形成强耦合关系，形成新的传递路径，容易引入期望之外的振动，对输入或输出造成干扰。尤其是在高频振动测试过程中，由于测试振动幅度小，液压预载系统形成的传递路径引入的振动可能会破坏试验的精度与准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种气浮支撑预载系统和方法，以解决液压预载系统引入新的传递路径，破坏测试精度的问题。
为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种气浮支撑预载系统，包括控制组件、执行机构及感测组件，控制组件分别与执行机构和感测组件连接，执行机构与感测组件连接，执行机构包括气源、气室、膜片和活塞，气室一端开口，膜片设置在开口处，活塞的第一端设置在膜片外侧，活塞的第二端用于和待预载设备连接，气源和气室连通，用于向气室内输送气体以抬升活塞；
控制组件包括控制器和气阀，气阀连接在气源与气室之间；
感测组件包括位移检测单元和压力检测单元，位移检测单元和压力检测单元均与控制器电连接，位移检测单元用于检测活塞的位移量，压力检测单元用于检测活塞与待预载设备之间的压力；
控制器用于根据位移量和压力控制气阀的开闭，以改变气源和气室之间的连通状态。
可选的，膜片中间设有连通孔，连通孔用于连通气室和活塞，以使气室和活塞形成可形变的密闭空间。
可选的，气室在位于开口处设置有向开口外侧的延伸部，延伸部用于限制活塞的水平向移动。
可选的，活塞的侧壁和延伸部的侧壁之间设置有滚珠导轨，滚珠导轨内部设置有多个滚珠，滚珠与活塞的侧壁接触。
可选的，气阀包括电磁阀和气压阀，电磁阀和气压阀沿气流方向依次连接在气源与气室之间。
可选的，气阀包括流量阀和气压阀，气压阀和流量阀沿气流方向依次连接在气源与气室之间。
可选的，压力检测单元包括至少一个压力传感器，且压力传感器设置在活塞的第二端。
可选的，位移检测单元包括非接触式位移传感器。
另一方面，本发明实施例还提供一种气浮支撑预载方法，应用在气浮支撑预载系统上，方法包括以下步骤：
设定气浮预载系统的目标载荷；
在对气室内加压时，分别测量气浮预载系统中活塞受到的压力和活塞的位移量；
当压力达到目标载荷，停止继续加压。
可选的，气浮预载系统至少有两个时，分别测量气浮预载系统中活塞受到的压力和活塞的位移量，具体包括：
设定目标载荷，设定各气浮预载系统之间位移差阈值；
向各气浮预载系统加压；
测量不同气浮预载系统中活塞的位移量，并根据位移量获得各气浮预载系统中活塞的位移量差值，判断位移量差值是否大于位移差阈值；
若位移量差值大于位移差阈值，则停止给位移量过大的气浮预载系统加压；
重复上述步骤直到待预载设备受到的载荷达到所述目标载荷时，停止加压。
本发明实施例，通过气源向密闭空间内加压带动膜片运动，从而将运动传递给活塞，活塞再将压力传递给待预载设备，实现对待预载设备施加预载力的目的，采用气浮支撑的预载系统不会给被支撑结构引入新的振动传递路径，也就不会引入新的干扰，从而保证了测量结果的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的自动化液压预载系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种气浮支撑预载系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的一种气浮支撑预载方法的流程示意图；
附图标记说明：
101：控制器一；
102：动力泵；
103：调节阀；
104：液压缸；
105：液压杆；
106：力传感器；
1：压力检测单元；
2：位移检测单元；
3：滚珠导轨；
4：气室；
5：活塞；
6：膜片；
7：流量阀；
8：气压阀；
9：气源；
10：控制器二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为现有的自动化液压预载系统的结构示意图，如图1所示，现有的自动化液压预载系统包括控制器一101、动力泵102、调节阀103、液压缸104、液压杆105和力传感器106，其工作原理是：设定预载载荷值F，控制器一101控制动力泵102和调节阀103，对液压缸104进行加压，液压杆105在压力作用下向上输出力，再由力传感器106测量液压杆105与被测元件之间的压力，并作为反馈信号输出给控制器一101进行调节，使得液压缸最终的出力达到预定力F。如此，就完成了整个液压预载系统的预载过程，实现了对被测元件进行预定载荷的加载，最后，通过控制器一101调节调节阀103以改变液体的流量，从而产生不同的压力，进而产生对被测元件的不同预加载荷，以模拟被测元件在不同载荷下的振动传递特性。
对于现有的液压预载装置而言，由于其使用的加载介质是水、矿物油等液体，这些液体的刚度较大，这种大刚度特性会与周围的其他结构形成强耦合关系，从而形成新的传递路径，液压缸104内的液体会与液压缸104以及上方的液压杆105形成强耦合关系，从而会建立一种新的传递路径，不仅会将自身的振动传递给周围的环境中，而且容易将周围的振动引入其中，从而产生期望之外的振动，对输入及输出都造成一定的干扰。尤其是在高频振动测试过程中，由于测试振动幅度小，液压预载装置形成的传递路径引入的振动可能会破坏试验的精度与准确性，可见，对于精密测量而言，必须考虑到避免新的传递路径的问题。
液压装置的控制精度仅能达到1.5％，难以实现高精度的预载控制。此外，由于液体介质容易泄露，在振动测试过程中，容易出现污染周围试验环境的问题，同样也容易混入杂质，如空气、尘屑等，影响液压性能。同时，液压元件的制造精度要求较高，使得成本居高不下，同时，出现故障时，不易检出，维护成本高。
为了解决上述提到的液压预载装置存在的控制精度低、制造成本高的问题，本发明基于气浮支撑原理发明了一种新的解耦式预载系统，既能提供大预载力，同时与周围其他结构只形成弱耦合关系，不形成主要传递路径，从而保证了测试的精度和准确性。
下面将通过不同的实施例对本发明提到的基于气浮支撑的解耦式预载系统进行详细说明：
实施例一
图2为本发明实施例一提供的一种气浮支撑预载系统的结构示意图，如图2所示，一种气浮支撑预载系统，包括控制组件、执行机构及感测组件，控制组件分别与执行机构和感测组件连接，执行机构与感测组件连接，控制组件用于控制执行机构的运转，感测组件用于测量执行机构的变化量并将测得的量反馈给控制组件，控制组件再根据反馈量对执行机构进行控制，使其最终达到预设值。
具体的，执行机构包括气源9、气室4、膜片6和活塞5，气室4一端开口，膜片设置在开口处，活塞5的第一端设置在膜片6的外侧，活塞5的第二端用于和待预载设备连接。
气源9和气室4连通，用于向气室内输送气体以抬升活塞5。
控制组件包括控制器二10和气阀，气阀连接在气源9与气室4之间，调节气阀的开闭可以改变气源与气室之间的连通状态，进而可以控制气室4内的气流量，不同的气流量可以为待预载设备提供不同的预载力。
可选的，气阀包括流量阀7和气压阀8，气压阀8和流量阀7沿气流方向依次连接在气源9与气室4之间，通过流量阀7和气压阀8的配合可以更准确地控制从气源9到气室4之间气体的流量，进而可以为活塞5提供较为精准的预载量，提高了整个预载系统的控制精度。
感测组件包括位移检测单元2和压力检测单元1，位移检测单元2和压力检测单元1均与控制器二10电连接，位移检测单元1用于检测活塞5的位移量，压力检测单元1用于检测活塞5与待预载设备之间的压力。
控制器二10用于根据位移量和压力控制气阀的开闭，以改变气源9和气室4之间的连通状态。
可选的，膜片中间设有连通孔，连通孔用于连通气室和活塞，以使气室和活塞形成可形变的密闭空间，从气室里进入的气体可以直接接触到活塞，以抬升活塞。
为了达到对待预载设备的精确加载，本实施例中，要求整个预载系统为对称结构，使得活塞5的第二端上表面为一水平面，以使待预载设备在承受一定的载荷之后不发生偏斜，从而保证了整个实验的有效性。
可选的，压力检测单元1包括至少一个压力传感器，且压力传感器设置在活塞5的第二端，当采用多个压力传感器时可以调高测试的准确性，系统抗偏载的能力。
可选的，位移检测单元2包括接触式位移传感器和非接触式位移传感器，只要能检测到活塞的位移量即可。
本实施例中，位移检测单元2为非接触式位移传感器，且位移传感器位于活塞5侧方，位移传感器用于监测活塞5的位移量，所述位移量与加载量直接相关，位移传感器将监测的位移量反馈给控制器二10，同时，控制器二10还可以根据位移量进行不同的预载系统之间的调平，使得多个预载系统在加装同一个待预载设备时活塞5的第二端上表面处于同一水平面上，避免待预载设备出现偏载、倾覆的现象。
可选的，本实施例中，位移传感器为激光位移传感器。
可选的，本实施例中，膜片6为橡胶膜片。气室4在位于开口处设置有向开口外侧的延伸部，延伸部用于限制活塞5的水平向移动，具体的，如图2所示，活塞5的侧壁和延伸部的侧壁之间设置有滚珠导轨3，滚珠导轨3内部设置有多个滚珠，滚珠与活塞5的侧壁接触以限制活塞5的水平向位移。
本实施例提供的气浮支撑预载系统相比液压装置，在同样能够施加大吨位预载的情况下，提供更高的控制精度，降低制造成本，并且，该装置只与结构形成弱耦合关系，不会对测试引入干扰，对于精密振动测试而言意义较大。
具体的，由于气体相较于液体，在提供大预载的同时，刚度较低，低的刚度使其与周围的结构会形成弱耦合的关系，即不会将自身的振动传递给周围的环境中，也不容易将周围的振动引入其中，从而很难产生期望之外的振动，对输入及输出造成的干扰较小。
本发明实施例对于振动测试领域，尤其是宽频带、高精度振动测试而言具有重要意义。其自解耦的特点能够避免对测试引入新的干扰，最大程度保证测试的精度。此外，相比传统的液压预载装置，其具有结构简单、精度高的优势。
本发明实施例提供一种气浮支撑预载系统，包括控制组件、执行机构及感测组件，控制组件分别与执行机构和感测组件连接，执行机构与感测组件连接，执行机构包括气源、气室、膜片和活塞，气室一端开口，膜片设置在开口处，活塞的第一端设置在膜片外侧，活塞的第二端用于和待预载设备连接，气源和气室连通，用于向气室内输送气体以抬升活塞；控制组件包括控制器和气阀，气阀连接在气源与气室之间；感测组件包括位移检测单元和压力检测单元，位移检测单元和压力检测单元均与控制器电连接，位移检测单元用于检测活塞的位移量，压力检测单元用于检测活塞与待预载设备之间的压力；控制器用于根据位移量和压力控制气阀的开闭，以改变气源和气室之间的连通状态。本发明实施例，通过气源向密闭空间内加压带动膜片运动，从而将运动传递给活塞，活塞再将压力传递给待预载设备，实现对待预载设备施加预载力的目的，采用气浮支撑的预载系统不会给被支撑结构引入新的振动传递路径，也就不会引入新的干扰，从而保证了测量结果的精确性。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的一种气浮支撑预载方法的流程示意图，该方法应用于上述实施例所述的气浮支撑预载系统，本实施例提供的方法可以包括如下步骤：
S101：设定气浮预载系统的目标载荷。
具体的，待预载设备的振动传递特性是随着载荷大小的变化而变化的，为了模拟待预载设备在不同载荷下的工况，需要设定预载系统的目标载荷，从而可以测量待预载设备在目标载荷下的振动传递特性，达到振动测试试验的目的。
S102：在对气室内加压时，分别测量气浮预载系统中活塞受到的压力和活塞的位移量。
活塞5受到的压力直接提供给待预载设备预加载荷，通过压力的测量可以监控预加载荷的大小，进而可以作为预加载荷是否达到目标载荷的判断标准。活塞5的位移量主要是用于判断不同的气浮支撑预载系统之间的位移差，目的是保证各个气浮支撑预载系统在同一个水平高度上，以保证多个气浮支撑预载系统同时对待预载设备加载时，待预载设备受到的各个气浮支撑预载系统的载荷不仅大小是相同的，并且是同步加载，从而保证了多个气浮预载系统加载时的可靠性。
S103：当所述压力达到所述目标载荷，停止继续加压。
可选的，气浮预载系统至少有一个，所述分别测量气浮预载系统中活塞5受到的压力和活塞5的位移量，具体包括：
设定目标载荷，设定各气浮预载系统之间位移差阈值；
向各所述气浮预载系统加压；
测量不同气浮预载系统中活塞5的位移量，并根据所述位移量获得各所述气浮预载系统中活塞5的位移量差值，判断位移量差值是否大于位移差阈值，若差值保持在一个很小的范围内，就说明各个气浮预载系统中活塞的上平面是在同一水平面上，证明待预载设备受到各个气浮预载系统的加载是同步的。
若所述位移量差值大于或等于高度差阈值，则停止给位移量过大的气浮预载系统加压。
重复上述步骤直到待预载设备受到的载荷达到目标载荷时，停止加压。
本实施例中，以两个气浮预载系统同时对待预载设备进行加载，即以两点支撑为例，对整个加载流程进行详细说明：
首先，将两个气浮预载系统对称地设置在待预载设备的下方，本实施例中，将两个气浮预载系统分别标记为A气浮预载系统和B气浮预载系统。
开始实验时，需要在控制器二10中设定目标载荷，假若试验中需要的预载力为F，采用两点支撑的情况下，每个节点设定的目标载荷则为F/2。同时，控制器二10中也需要设定两点支撑之间的位移差阈值ε，当两点支撑的位移差控制在阈值ε的范围内时，才算整个实验有效。
接着，控制器二10根据目标载荷F/2对A流量阀、A气压阀和B流量阀、B气压阀进行调节，以控制气源9向气室4内的充气量，不同的充气量可对待预载设备产生不同的预加载荷。
具体的，控制器二10根据待预载设备的质量m和预载力F，计算出所需压强，根据所需压强对气压阀进行相应调节，然后，控制流量阀对气室进行加压。
在控制加压的同时，A力传感器监测A气浮预载系统中活塞5的压力，A位移传感器监测A气浮预载系统中活塞5的位移量，即活塞5的浮起高度，同时，B力传感器监测B气浮预载系统中活塞5的压力，B位移传感器监测B气浮预载系统中活塞5的位移量，即活塞5的浮起高度。
接着，上述的A力传感器、A位移传感器、B力传感器和B位移传感器将监测到的数据反馈给控制器二10，控制器二10根据预设的目标载荷F/2，和位移差阈值ε对反馈的监测数据进行比较分析。
具体的，判断A力传感器监测的压力是否达到目标载荷F/2，若没有达到，继续通过调节A流量阀，直到A力传感器监测的压力达到目标载荷F/2为止。
判断B力传感器监测的压力是否达到目标载荷F/2，若没有达到，继续通过调节B流量阀，直到B力传感器监测的压力达到目标载荷F/2为止。
再判断A位移传感器监测的A气浮预载系统中的活塞的浮起高度和B位移传感器监测的B气浮预载系统中的活塞的浮起高度之差是否小于预设阈值ε，若不小于预设阈值ε，则停止对浮起高度较高的气浮预载系统加压，直到两者的活塞浮起高度之差小于预设阈值ε时，同步对A气浮预载系统和B气浮预载系统加压。
当A力传感器监测的压力达到目标载荷F/2，B力传感器监测的压力达到目标载荷F/2，且A位移传感器监测的A气浮预载系统中的活塞的浮起高度和B位移传感器监测的B气浮预载系统中的活塞的浮起高度之差小于预设阈值ε时，停止加载，即当三个条件都满足的时候，试验结束。
以上就是两点支撑时，整个振动测量实验的试验过程，除过两点支撑外，还可以根据待预载设备的质量和大小，设置多点支撑，但无论是几点支撑，都需要在保证各个支撑点达到预载力的同时，各个支撑点的活塞位移量之差保持在预设阈值之类。
采用多点气浮支撑预载系统，在保证对待预载设备的预加载的同时，不会对测试引入新的干扰，其自解耦的特点最大程度保证测试的精度。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
