飛行器隨機振動篩選試驗可靠性研究

王程霖 王辰星 吳 娜 朱光寧 白鳳雪 冀曉淵

飛行器隨機振動篩選試驗可靠性研究

王程霖 王辰星 吳 娜 朱光寧 白鳳雪 冀曉淵

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司,北京 100083）

隨機振動篩選試驗是保證飛行器質(zhì)量可靠性的有效手段，同時由于飛行器性能的特殊，其對篩選試驗提出了更高的要求，需要通過試驗過程的有效控制，保證試驗一次成功。本文對飛行器隨機振動篩選過程各影響參數(shù)進行試驗分析，通過一定的數(shù)據(jù)積累比對及影響參數(shù)試驗，確定了各參數(shù)控制范圍或者控制手段，從而提升了試驗過程的控制能力及試驗一次成功率。

隨機振動篩選試驗；可靠性；試驗參數(shù)

1 引言

飛行器的組成特點及產(chǎn)品特性要求其質(zhì)量具備高可靠性，因此在生產(chǎn)過程中需采取一定手段，保證質(zhì)量可靠性。振動篩選試驗作為一種環(huán)境與可靠性試驗，是通過對試驗產(chǎn)品施加環(huán)境應(yīng)力，迅速暴露產(chǎn)品中存在的設(shè)計及工藝缺陷，又不致影響正常產(chǎn)品性能和壽命的一種試驗方法[1]。其目的主要是剔除產(chǎn)品在設(shè)計階段、工藝制造階段的缺陷及其它原因可能帶來的潛在故障，提升產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，并為產(chǎn)品設(shè)計、工藝改進提供依據(jù)。因此，飛行器在艙段級別裝配后，一般都會進行振動篩選試驗，用于篩選出存在缺陷的產(chǎn)品，提高質(zhì)量保證能力。

2 振動篩選試驗技術(shù)

由力學(xué)機理分析，產(chǎn)品如存在制造工藝缺陷，其所能承受的力學(xué)環(huán)境與沒有缺陷的產(chǎn)品所承受的力學(xué)環(huán)境是存在差異的，因此通過一定的試驗條件，使產(chǎn)品處于一定量級的力學(xué)環(huán)境，可以快速激發(fā)潛在故障，同時又達不到損傷正常產(chǎn)品的程度。根據(jù)振動篩選目的及試驗過程，其關(guān)鍵要素主要分為篩選等級及量級、振動控制策略、傳感器位置選擇方法、產(chǎn)品振動方向及試驗夾具等幾個方面。

2.1 篩選等級及量級

篩選等級及量級是施加力學(xué)環(huán)境的核心要素，直接影響試驗結(jié)果?，F(xiàn)有確定篩選等級及量級的方法主要有以下四種[2]：

常規(guī)法：參考GJBl032等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的量級，結(jié)合試驗產(chǎn)品本身特點，并參考相似產(chǎn)品振動試驗的經(jīng)驗，確定試驗產(chǎn)品的篩選等級及量級。此方法是目前確定篩選等級及量級較為常用的方法。

定量法：常規(guī)法依靠經(jīng)驗確定篩選等級及量級，會存在一定的不足，因此根據(jù)產(chǎn)品特性建立應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，可以精確、定量地確定篩選等級及量級。

步進法：以逐步遞增的應(yīng)力試驗和故障分析手段確定篩選等級及量級的方法，由此得到的結(jié)果理論上最符合試驗產(chǎn)品真實情況。

加速法：以步進應(yīng)力試驗得到產(chǎn)品的工作極限和應(yīng)力破壞極限，然后將其按照一定比例降階用以確定等級及量級。

2.2 振動控制策略

振動過程的控制方法也稱作控制策略，主要是由振動控制系統(tǒng)在多點控制時的各控制點控制方法的不同區(qū)分，分為平均控制、最大控制、最小控制，控制策略的不同，主要試驗參數(shù)也會有所區(qū)別，主要針對平均控制論述。

2.3 傳感器位置選擇

在振動篩選試驗中，傳感器安裝位置有以下幾種：振動臺臺面、產(chǎn)品表面、夾具表面、電器元件表面。一般可選取振動臺、振動夾具表面作為試驗控制點，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，在相應(yīng)部位選擇控制點或者響應(yīng)點。常規(guī)試驗設(shè)計，以振動試驗最優(yōu)結(jié)果為目的，振動控制點位置應(yīng)選擇在夾具剛性較強的位置，同時緊鄰試驗產(chǎn)品，可以保證輸入給產(chǎn)品的譜型最大程度滿足試驗要求。

2.4 振動方向

通常產(chǎn)品存在2～3個方向的振動布局，對于不同布局，產(chǎn)品所承受的振動應(yīng)力也不同，根據(jù)力學(xué)傳遞特性，平行于施力方向主要承受拉伸應(yīng)力，垂直于施力方向主要承受剪切應(yīng)力，根據(jù)相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)及實際受力特性，一般最少選取兩個方向以上篩選試驗，增強試驗效果。

2.5 試驗夾具

試驗產(chǎn)品與振動設(shè)備連接的部件稱為試驗夾具，由振動特性及試驗要求，試驗夾具首先要保證具備足夠的剛性，試驗產(chǎn)品所能受到的激振力都是由振動工裝傳遞至試驗產(chǎn)品，如果剛性不足，會導(dǎo)致傳遞效果衰減，甚至?xí)a(chǎn)生不同頻段的振動干擾，造成試驗頻譜的紊亂及試驗設(shè)備的負(fù)擔(dān)，一旦超出試驗?zāi)芰?，會造成試驗失敗，影響試驗效果?/p>

3 振動篩選試驗分析

產(chǎn)品在實際使用中所遇到的振動方式，絕大多數(shù)可以看作隨機性質(zhì)的振動，因此隨機振動試驗可以真實反映產(chǎn)品的耐振性能。隨機振動存在于一個連續(xù)的、頻率域跨度寬的頻譜，隨機在試驗頻段內(nèi)振動，其振動環(huán)境與實際工作狀態(tài)中承受的振動狀態(tài)相似度較高，相比其他振動模式，隨機振動的影響更嚴(yán)酷、真實和有效。

分析隨機振動的應(yīng)力篩選方法，并以某型號飛行器研究批生產(chǎn)隨機振動。

3.1 隨機振動

在隨機振動試驗中，由于試驗產(chǎn)品的各點都處于無規(guī)則運動的狀態(tài)，對于這種運動狀態(tài)不會存在不同時域的精確復(fù)制，如果對其相應(yīng)的測量，每次得到的記錄都存在差異，所以沒有任何固定的周期。在任意時刻，試驗產(chǎn)品某一點的振幅、頻率、相位都不能預(yù)判，因此不能采用簡單的周期函數(shù)和函數(shù)的組合描述。圖1為隨機振動時間歷程。

圖1 隨機振動時間歷程

隨機振動過程不具備周期特性，某一點的某一時態(tài)的狀態(tài)也無法預(yù)判。但是卻具備一定的數(shù)理統(tǒng)計特性，因此統(tǒng)計手段可作為隨機振動信號處理的方法和手段。

a.隨機振動試驗的試驗條件主要有以下四個：試驗頻率范圍（Hz）；功率譜密度（g2/Hz）及功率譜密度的頻譜；總均方根加速度（Grms）；試驗時間。

試驗頻率范圍是指振動臺激發(fā)振動且對試驗產(chǎn)品產(chǎn)生有效激勵的最高頻率和最低頻率范圍。低頻：取產(chǎn)品一階共振頻率的一半或其安裝平臺產(chǎn)生明顯振動的最低頻率；高頻：取產(chǎn)品最高共振頻率的兩倍或其安裝平臺產(chǎn)生明顯振動的最高頻率。

功率譜譜密度（g2/Hz）及功率譜密度的頻譜：隨機振動是以定義在相關(guān)頻率范圍內(nèi)的PSD功率譜密度及功率譜譜密度的頻譜的形式來表達。功率譜密度（加速度譜密度）指單位頻率上的能量，功率譜譜密度的頻譜指振動能量在整個頻率范圍內(nèi)的分布。

總均方根加速度（Grms）：通常存在一個認(rèn)識誤區(qū)，即采用總均方根加速度來衡量隨機振動試驗條件的高低或嚴(yán)酷程度。總均方根加速度值是實際振動控制譜在試驗頻段范圍內(nèi)面積的積分，與頻率無直接關(guān)系，因此，該參數(shù)通常用來進行試驗允差控制，以及根據(jù)試驗樣品的重量、體積、動態(tài)特性來計算所需試驗振動臺的理論最大推力。

試驗時間就是隨機振動的持續(xù)時間，通常分為功能（性能）和強度（耐久）二種試驗時間。對空中運載工具及空中運載工具上使用的設(shè)備，耐久試驗的時間通常為功能試驗時間的1.6倍。

b.隨機振動試驗容差

功率譜密度容差：控制點上的加速度譜密度的容差，整個頻率范圍內(nèi)應(yīng)在±3dB內(nèi)，該容差一般在低頻段容易做到，在高頻段由于樣品在高頻時易產(chǎn)生共振，而且有時還會有許多共振峰，所以不易達到。因此有的標(biāo)準(zhǔn)例如電子及電氣元件試驗方法國軍標(biāo)和美軍標(biāo)中的規(guī)定為：50～1000Hz為±1.5dB，1000～2000Hz為±3dB。

總方均根加速度容差：總方均根加速度是加速度譜密度曲線下的積分面積，由于加速度譜密度有±3dB的容差，為使其容差不發(fā)生在同一方向（例如正方向或負(fù)方向）上，即保證試驗所需的總的振動能量，要求總方均根加速度容差在±1dB的范圍內(nèi)，并在控制點上測量。

3.2 某型號飛行器批生產(chǎn)隨機振動試驗研究

根據(jù)隨機振動篩選的目的、應(yīng)用機理及試驗方法，對某型號飛行器批生產(chǎn)隨機振動開展試驗研究。由于該型號產(chǎn)品已經(jīng)屬于批產(chǎn)階段，試驗參數(shù)設(shè)計及試驗階段不闡述，主要分析隨機振動開展試驗過程及結(jié)果，定型分析試驗參數(shù)及試驗過程相關(guān)因素對結(jié)果的影響。

圖2 某型號飛行器部件振動篩選示意圖

a. 某型號飛行器隨機振動試驗條件。圖2為某型號飛行器部件振動篩選示意圖。該產(chǎn)品采用兩點平均控制，在10～2000Hz按照測試目標(biāo)譜進行隨機振動，功率譜密度容差為±3dB，采用電動振動試驗系統(tǒng)。

b. 某型號飛行器隨機振動試驗分析。振動試驗條件直接影響試驗結(jié)果，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)及過程分析，分析某型號飛行器隨機振動試驗。

篩選前應(yīng)摸底，確定安裝方式、控制策略等的響應(yīng)特性。

對于批產(chǎn)類產(chǎn)品，特性相對穩(wěn)定，但是個體的差異性不可避免的，尤其應(yīng)區(qū)分個體差異性造成的試驗結(jié)果不一致同產(chǎn)品缺陷造成的試驗結(jié)果不一致，該區(qū)分要進行大量的試驗統(tǒng)計分析。圖3為某型號飛行器部件振動篩選圖譜。

由圖3可知，該部件采用兩點平均控制，通過振動試驗系統(tǒng)采集兩控制點圖譜，由于產(chǎn)品特性，會在各點體現(xiàn)出不同的曲線分布；振動試驗系統(tǒng)的功率輸出頻域圖譜，在不同頻率，會體現(xiàn)出振動臺的工作特性。

因此，對于批產(chǎn)類產(chǎn)品，整體存在一致性，同時不可避免差異性，在篩選試驗前，應(yīng)該進行樣件的試振動，摸底各控制圖譜（功率譜密度曲線走向、高低點的分布、加速度均方根值等）、振動設(shè)備的工作情況（輸出功率曲線走向、功率輸出高低點的分布等），確認(rèn)正常振動時各參數(shù)范圍[3]。

夾具動力學(xué)特性變化對產(chǎn)品和振動臺造成影響。振動臺的運動部分稱為臺面，固定在動圈上，臺面有很多螺紋孔，采用埋頭螺釘將振動夾具牢牢固定在臺面上。試驗件連接在振動夾具上，因此試驗夾具是作為試驗件與振動臺面之間的過渡件，振動臺傳遞關(guān)系如圖4所示。

圖4 振動關(guān)系傳遞圖

試驗夾具的性能直接與試件的效果相關(guān)，在批生產(chǎn)試驗前，要進行夾具試振，如圖5所示為某型號飛行器部件振動夾具試振控制方式。

圖5 振動夾具試振圖

前期經(jīng)過試驗摸索，確定夾具試振時傳感器粘接方式，采用兩點平均控制檢查夾具振動情況，確認(rèn)夾具未發(fā)生影響試件振動效果的變化。

傳感器粘接對試驗效果的影響：傳感器作為對試件振動情況檢測及控制的重要模塊，其粘接位置和粘接質(zhì)量的好壞直接影響試驗的結(jié)果。對于批生產(chǎn)產(chǎn)品，傳感器粘接位置會確定大體位置，產(chǎn)品存在個體差異性以及人為粘接的誤差，不可能保證粘接位置完全一致，因此在操作人員粘接傳感器后，振動反饋的效果要進行定性判斷，防止因為粘接方式的原因，造成試驗結(jié)果超出包絡(luò)范圍（產(chǎn)品無缺陷的狀態(tài)下）。傳感器粘接示意圖如圖6所示。

圖6 傳感器粘接示意圖

通過試驗及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，傳感器粘接往往是影響試驗效果的重要因素，主要包含以下兩點。

a. 傳感器自身反饋性能：傳感感受外力時通過電荷等傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，因此傳感器傳輸通路的性能及外部環(huán)境（絕緣要求等）要滿足試驗性能；

b. 傳感器位置：在粘接傳感器時，除了設(shè)計階段要進行控制策略摸索外，也需進行工程應(yīng)用上的歸納，人為因素等造成的傳感器位置偏差，有可能造成試驗數(shù)據(jù)的變化，由于局部共振的頻率和放大因子的不同，造成樣品內(nèi)部局部共振響應(yīng)。

振動系統(tǒng)對試驗結(jié)果的影響：

a. 試驗系統(tǒng)工作參數(shù)。某型號飛行器部件振動篩選采用的是較為常見的電動振動系統(tǒng)，振動臺工作時主要反饋參數(shù)為預(yù)估驅(qū)動電壓、實際驅(qū)動電壓、功放電壓，在大量試驗后，統(tǒng)計分析各項參數(shù)，如圖7～圖9所示。

圖7 預(yù)估電壓分布圖

圖8 實際驅(qū)動電壓分布圖

圖9 功放電壓分布圖

結(jié)合功率譜密度圖譜，歸納該產(chǎn)品正常振動篩選情況下振動系統(tǒng)的反饋參數(shù)。

垂直臺振動預(yù)估電壓值在2～4.5V之間（實際驅(qū)動及功放電壓隨著振動過程浮動），超出此范圍應(yīng)關(guān)注驅(qū)動曲線及控制圖譜，如有異常在滿量級之前，及時停止；在滿量級振動時，注意功放電流，如垂直臺振動電流超過15V時，注意曲線波動情況，如有異常，及時停止；振動過程注意驅(qū)動圖譜，如上下線超過0.001～1.00E-07范圍（穩(wěn)定后），注意驅(qū)動圖譜及功放電流有無異常情況，如范圍超過0.001～1.00E-09（穩(wěn)定后），及時停止振動。

避免因振動系統(tǒng)造成的試驗數(shù)據(jù)誤差。

b. 振動試驗環(huán)境。對于復(fù)雜試件產(chǎn)品，振動篩選過程涉及電路及信號等傳輸，且電動振動系統(tǒng)本身也有可能收到干擾，因此振動環(huán)境的電磁干擾也是振動篩選試驗需要考慮的環(huán)節(jié)。

地線干擾：根據(jù)振動篩選的產(chǎn)品，采用示波器的正負(fù)探頭分別連接控制設(shè)備端和廠房的接地點、試件端的接地點和廠房的接地點。利用示波器監(jiān)測接地點的信號對廠房地的電平差異。如圖10所示。

圖10 接地檢測示意圖

通過檢測地線干擾幅值及周期，結(jié)合試件產(chǎn)品對環(huán)境的抗干擾能力，確定振動環(huán)境與試件的匹配性。

漏磁干擾：對于部分試件，漏磁干擾也可能導(dǎo)致試驗異常，因此需要檢測加開勵磁后的動圈漏磁量。

在振臺起振過程中，對各頻率段的漏磁量進行檢測，對比試件的抗磁干擾能力，確定振動環(huán)境與試件的匹配性。

4 結(jié)束語

通過分析研究隨機振動篩選的響應(yīng)特性、夾具動力學(xué)特性、傳感器粘接及振動試驗環(huán)境，得出試驗前各影響參數(shù)的判別方法，可以用于指導(dǎo)批生產(chǎn)振動篩選試驗，增強試驗的有效性及一致性，同時也為其他環(huán)境與可靠性試驗提供借鑒。

1 GJB 150.A—2009 軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法振動試驗[S]

2 GJB—899290 國家軍用標(biāo)準(zhǔn)可靠性（I）[S]. 北京：國防科工委，1992

3 梁毅，孫秀京.高頻振動夾具的設(shè)計改進[J]. 航天制造技術(shù)，2004(6)：49～51

Reliability Study of Random Vibration Screening Test for Aircraft

Wang Chenglin Wang Chenxing Wu Na Zhu Guangning Bai Fengxue Ji Xiaoyuan

(Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100083)

The random vibration screening test is an effective means to ensure the quality reliability of the aircraft. At the same time, due to the special performance of the aircraft, it puts forward higher requirements for the screening test and needs to be effectively controlled through the test process, to make sure the experiment works once. In this paper, the influence parameters in the process of aircraft random vibration screening are tested and analyzed, and the control range or means of each parameter are determined by data accumulation comparison and influence parameter test, therefore, the control ability of the test process and the success rate of the test are improved.

radom vibration screening test；reliability test；experimental parameter

0324

A

王程霖（1987），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：隨機振動試驗技術(shù)。

2021-08-19