多臺(tái)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)若干探討

彭建蘭，田運(yùn)普，王麗娟，劉保紅（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，華陰 714200）

多臺(tái)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)若干探討

彭建蘭，田運(yùn)普，王麗娟，劉保紅
（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，華陰 714200）

從當(dāng)前實(shí)施的振動(dòng)試驗(yàn)不足與缺陷引出多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)，并對(duì)多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)的技術(shù)原則、試驗(yàn)方法、國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景等進(jìn)行了論述，指出在國(guó)軍標(biāo)中有必要制定多臺(tái)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為多臺(tái)激勵(lì)的振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用提供必要的技術(shù)支撐和知識(shí)儲(chǔ)備。

環(huán)境試驗(yàn)；多臺(tái)振動(dòng)；控制

引言

目前實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)設(shè)備在臺(tái)體推力、臺(tái)面尺寸及復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品壽命期內(nèi)多軸向的響應(yīng)上都無(wú)法滿足被試產(chǎn)品的試驗(yàn)要求。隨著航天、航空、國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)不規(guī)則等特點(diǎn)，越來(lái)越多需要多臺(tái)多激勵(lì)的振動(dòng)試驗(yàn)方式。因此多臺(tái)多軸向振動(dòng)激勵(lì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也對(duì)多軸向振動(dòng)試驗(yàn)也提出了的許多指導(dǎo)性意見(jiàn)。在常規(guī)兵器試驗(yàn)領(lǐng)域，為完成復(fù)雜產(chǎn)品的振動(dòng)考核試驗(yàn)及更真實(shí)模擬產(chǎn)品壽命期內(nèi)的振動(dòng)環(huán)境，多臺(tái)激勵(lì)具有不可替代的作用。

1　多臺(tái)激勵(lì)的技術(shù)原則和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)條件的制定

由于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有多軸向振動(dòng)的譜型規(guī)范，因此比照單軸向振動(dòng)試驗(yàn)的方法，在每個(gè)軸向上分別給出相應(yīng)的試驗(yàn)條件實(shí)施振動(dòng)，在控制技術(shù)上需要消除各軸向耦合引起的多余運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各軸向上試驗(yàn)條件的控制。

1.2典型三軸振動(dòng)試驗(yàn)

典型的三軸振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備是由分別處于X、Y、Z軸向的三個(gè)振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)連接頭與振動(dòng)臺(tái)面連接，在振動(dòng)控制器上輸入各軸向的自譜和互譜控制條件及參數(shù)（通常由試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)形成的試驗(yàn)要求）。

1.2.1試驗(yàn)參考譜和控制方法

在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立科學(xué)、實(shí)用的振動(dòng)試驗(yàn)條件，按照測(cè)試要點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)和振動(dòng)試驗(yàn)條件制定方法，通過(guò)計(jì)算得出各軸向的振動(dòng)規(guī)范譜。在控制方法上按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的各位置安裝控制傳感器，從控制傳感器的加速度響應(yīng)中提取出產(chǎn)品的自由度加速度響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的均勻控制。

1.2.2三軸與單軸振動(dòng)比較分析

為了對(duì)單軸順序加載和三軸同時(shí)加載兩種振動(dòng)模式對(duì)產(chǎn)品引起的不同效果有比較直觀、定性的認(rèn)識(shí)，我們采用ANSYS軟件對(duì)典型模型在三軸與單軸在隨機(jī)振動(dòng)條件下的加速度與應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了仿真，也對(duì)兩者所造成的疲勞損傷進(jìn)行對(duì)比：?jiǎn)屋S振動(dòng)總損傷小于三軸振動(dòng)；三軸同時(shí)振動(dòng)時(shí)加速度總響應(yīng)大于單軸每一方向，都在一階頻率處發(fā)生速度響應(yīng)峰值，但在特定軸向下的響應(yīng)均方根值不一定大于單軸振動(dòng)。

因此多軸振動(dòng)與傳統(tǒng)的單臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)相比，能更加真實(shí)地模擬實(shí)際振動(dòng)環(huán)境，有利于暴露潛在缺陷。

2　國(guó)內(nèi)外振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展

2.1國(guó)外多臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)目前實(shí)施的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是2008年改版的MIL-STD-810G，在該版本中專門列出了多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并定義了兩個(gè)基本程序：?jiǎn)屋S多臺(tái)激勵(lì)（MESA）程序Ⅰ——時(shí)域參考標(biāo)準(zhǔn)和多點(diǎn)多軸向激勵(lì)（MEMA）程序Ⅱ——頻譜參考標(biāo)準(zhǔn)。

1）單軸多臺(tái)激勵(lì)。與傳統(tǒng)的單軸單點(diǎn)振動(dòng)試驗(yàn)（如圖1所示）相比，兩點(diǎn)單軸激勵(lì)（圖2）振動(dòng)試驗(yàn)，主要是解決在推力、夾具等難以實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)試驗(yàn)，及更好完成有延伸的裝備在單一軸向矢量上其前部分和后部分都需要激勵(lì)的試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室里多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)比單臺(tái)能得到更好的部分復(fù)現(xiàn)效應(yīng)。

2） 多點(diǎn)多軸向激勵(lì)。多點(diǎn)多軸向激勵(lì)試驗(yàn)又可分為兩種類型，多點(diǎn)單軸向但不同步激勵(lì)，各點(diǎn)激勵(lì)的譜型不同，且各譜型的相位存在差異。如很多導(dǎo)彈運(yùn)輸或機(jī)載類產(chǎn)品就屬于此類情況。多點(diǎn)多軸向激勵(lì)試驗(yàn)，各點(diǎn)激勵(lì)的譜型和相位可以相同也可以不相同，譜型來(lái)源于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算并形成的包絡(luò)線。在三個(gè)振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)方向是互相垂直時(shí)就形成了非常典型的三軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3），如目前應(yīng)用于慣性設(shè)備的精度考核多維振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.2國(guó)內(nèi)實(shí)施的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

圖1　單點(diǎn)單軸與激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)

圖2　二兩點(diǎn)單軸激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)

圖3　多軸向多臺(tái)（三臺(tái)）激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)裝置

目前我國(guó)軍用產(chǎn)品執(zhí)行的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》，其中明確提到：組合外掛和導(dǎo)彈的掛飛、自由飛在垂直和橫向激勵(lì)外掛時(shí)，通常會(huì)引起縱向振動(dòng)。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)通常只能進(jìn)行單軸向振動(dòng)，因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：需要在3個(gè)相互獨(dú)立的正交軸向上進(jìn)行振動(dòng)的試驗(yàn)，當(dāng)振動(dòng)施加在某一軸向時(shí)采用下式進(jìn)行，即在各個(gè)軸向上的量級(jí)相對(duì)有所增加。

式中R為要求的試驗(yàn)量級(jí)，A為響應(yīng)量級(jí)，下標(biāo)數(shù)字代表軸向。通過(guò)多年的振動(dòng)試驗(yàn)積累，目前我們用現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)的過(guò)程中主要遇到以下一些情況：

1）在細(xì)長(zhǎng)體振動(dòng)試驗(yàn)中，兩端的大位移擺動(dòng)、高頻超差而導(dǎo)致試驗(yàn)被迫中斷；也遇到了較重的產(chǎn)品進(jìn)行大量級(jí)的試驗(yàn)時(shí)推力達(dá)不到而無(wú)法實(shí)施試驗(yàn)；

2）產(chǎn)品不規(guī)則且形狀復(fù)雜，在夾具上無(wú)法保證產(chǎn)品有效固定在振動(dòng)臺(tái)面上；

3）不能滿足多譜型輸入，也曾激發(fā)過(guò)產(chǎn)品實(shí)際使用過(guò)程中不存在的故障模式。

2.3多臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適用條件

在單臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)下一般有以下幾種情況：

1）在控制方式上，超過(guò)一個(gè)軸向上的多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)提供給產(chǎn)品的振動(dòng)或振動(dòng)能量分布不依賴于裝備自身的動(dòng)力學(xué)分布。

2）當(dāng)裝備的物理結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度直徑比大且當(dāng)單臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)取決于產(chǎn)品力學(xué)能量分布時(shí)可以選取多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)。

3）對(duì)體積大而重的產(chǎn)品，給試驗(yàn)樣品提供足夠能量的多臺(tái)激勵(lì)是必須的。

4）在對(duì)阻抗匹配和產(chǎn)品使用中的邊界條件做出說(shuō)明時(shí)，多臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)允許多個(gè)自由度。

總的來(lái)說(shuō)，所有的環(huán)境測(cè)量需要多軸響應(yīng)測(cè)量來(lái)完整描述。

3　多臺(tái)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用前景

3.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備通常有電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和電液振動(dòng)臺(tái)。電液伺服振動(dòng)臺(tái)主要用于地震模擬試驗(yàn)和汽車工業(yè)領(lǐng)域的路面仿真試驗(yàn)；電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)在工作頻段、承載范圍、波形、控制等諸多方面較電液振動(dòng)臺(tái)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受青睞，它主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。目前多軸振動(dòng)設(shè)備在航天領(lǐng)域已開(kāi)始展開(kāi)研究工作。而在兵器行業(yè)還沒(méi)有引進(jìn)三軸振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備。

3.2常規(guī)靶場(chǎng)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

常規(guī)靶場(chǎng)使用的振動(dòng)臺(tái)主要是電振動(dòng)臺(tái)，承擔(dān)單臺(tái)單軸向的大部分振動(dòng)試驗(yàn)，無(wú)法完成體積、尺寸、重量大產(chǎn)品的規(guī)定條件的振動(dòng)試驗(yàn)。2009年2月北京強(qiáng)度研究所研制的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)（頻率范圍為2~2 000 Hz，推力只有60 Kg，加速度為10 g）可以完成零部件產(chǎn)品的振動(dòng)、沖擊環(huán)境試驗(yàn)或應(yīng)力篩選、可靠性試驗(yàn)。圖3是某環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備廠三臺(tái)套單軸振動(dòng)設(shè)備組合形成的三軸振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，完成了GJB 150.6A中高速公路卡車振動(dòng)環(huán)境和組合式雙輪拖車振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行的三軸同振試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了較為精確的控制。

由于直接研制多軸向振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)具有難度大、成本高等制約條件，通過(guò)多臺(tái)組合可以達(dá)到多軸同振的目的，在節(jié)省試驗(yàn)成本、簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施配套也有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著振動(dòng)模擬的技術(shù)水平的發(fā)展，多軸向多自由度的振動(dòng)模擬試驗(yàn)是未來(lái)振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)展的方向。

4　結(jié)論

多臺(tái)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)代表著振動(dòng)模擬試驗(yàn)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)研究表明，它具有真實(shí)地模擬實(shí)際振動(dòng)環(huán)境、提高試驗(yàn)的有效性和故障激發(fā)率、縮短試驗(yàn)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)。因此我們有必要對(duì)多臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行一些基礎(chǔ)的試驗(yàn)技術(shù)研究，以發(fā)展內(nèi)外場(chǎng)結(jié)合的振動(dòng)環(huán)境可靠性鑒定試驗(yàn)新技術(shù)。

圖4　（組合式雙輪拖車）三軸向三臺(tái)激勵(lì)試驗(yàn)

［1］ GJB 150.16A-2009.軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn) ［S］.

［2］ MIL-STD-810G-2008，Method 527. ［S］.

［3］ 馮秉初.“3向”環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的比較［J］.強(qiáng)度與環(huán)境， 2001（2）：33-41.

［4］ 吳家駒， 榮克林. 多維振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)方法［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2003（4）：27-32.

［5］ 趙保平， 王剛， 高貴福. 多輸入多輸出振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用綜述［J］. 2006（3）：25-32.

［6］ 樊世超， 馮咬齊.多維動(dòng)力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)研究［J］. 航天器環(huán)境工程， 2006（1）：23-28.

彭建蘭（1972.08），女，湖南湘鄉(xiāng)，工程師，碩士，環(huán)境模擬。

田運(yùn)普（1986.09），男，河北，工程師，在讀碩士，環(huán)境模擬。

Some Discussions on Multi-Exciter Vibration Test

PENG Jian-lan， TIAN Yun-pu， WANG Li-juan， LIU Bao-hong
（Huayin Ordnance Test center， Huayin 714200）

This paper discusses applicative conditions and classification， technology principle， test method and application prospect. It points out that it was necessary to develop environmental standard for multi-shaker vibration test， and provides technical supports and knowledge reserves for vibration test at the target range.

environmental test； multi-shaker vibration； control

X593

A

1004-7204（2016）04-0016-04