小型夾具隨機(jī)振動試驗高頻超差問題研究

許紅衛(wèi)，馬嘯宇，周 建，宋少偉

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

振動試驗主要考核產(chǎn)品的可靠性，暴露產(chǎn)品在設(shè)計、工藝、質(zhì)量等方面的缺陷。隨機(jī)振動試驗中，要求控制信號必須平穩(wěn)、各態(tài)歷經(jīng)并在規(guī)定的容差范圍內(nèi)。但實際試驗中往往會出現(xiàn)控制曲線高頻部分超出容差帶的限制(簡稱為高頻超差)[1-4]，從而影響試驗考核結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。在某發(fā)動機(jī)測控電纜隨機(jī)振動試驗中，偶爾會出現(xiàn)高頻超差現(xiàn)象，為提高試驗考核準(zhǔn)確性，有必要對測控電纜隨機(jī)振動試驗中出現(xiàn)高頻超差的問題進(jìn)行相關(guān)研究，分析原因并找出小型夾具隨機(jī)振動試驗高頻超差相應(yīng)的解決方案。

1 高頻超差原因分析

振動試驗高頻超差的原因有很多，如人員、設(shè)備、產(chǎn)品、試驗方法和環(huán)境等因素，通過對測控電纜長期的跟蹤試驗分析發(fā)現(xiàn)，高頻超差原因主要可以歸結(jié)為振動試驗夾具設(shè)計不合理及滑臺與振動試驗夾具之間的連接問題，主要影響因素有以下幾方面。

1.1 連接螺栓數(shù)量少

測控電纜振動試驗夾具有多種，主要為矩形條狀夾具，如圖1所示，測控電纜振動試驗夾具與滑臺之間采用兩根螺栓連接。測控電纜隨機(jī)振動試驗中最高頻率為2 000 Hz，按照振動試驗夾具設(shè)計的一般要求[5-7]，在振動臺上安裝夾具后，其一階頻率要大于2 000 Hz，對于一些質(zhì)量小、重心低的夾具容易實現(xiàn)該要求，而對于質(zhì)量大、重心高的夾具，采用兩根螺釘連接，其一階頻率通常會低于2 000 Hz，容易在共振點處發(fā)生超差現(xiàn)象。

圖1 振動試驗夾具Fig.1 Vibration test fixture

1.2 連接面平面度較差

試驗中發(fā)現(xiàn)，將圖1所示的試驗夾具與兩個不同的振動臺滑臺相連，隨機(jī)振動控制曲線分別如圖2和圖3所示。從圖中可見，在1#振動臺上出現(xiàn)了控制曲線高頻超差現(xiàn)象，而在2#振動臺上控制曲線全部在誤差帶內(nèi)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，1#振動臺滑臺存在微變形，中間出現(xiàn)突起，導(dǎo)致連接面不平整，使得臺面到振動試驗夾具控制點的傳遞特性較差，由此引發(fā)高頻超差問題。

圖2 1#振動臺上控制響應(yīng)曲線Fig.2 Control spectrum curve on 1# vibrostand

圖3 2#振動臺上控制響應(yīng)曲線Fig.3 Control spectrum curve on 2# vibrostand

1.3 滑臺與振動試驗夾具連接剛度影響

用2#振動臺對圖1所示的夾具進(jìn)行x向與y向白噪聲隨機(jī)振動試驗，獲取振動臺滑臺到夾具上表面控制點之間的傳遞特性曲線，如圖4所示。從圖4中可見，在2#振動臺上進(jìn)行x向隨機(jī)振動試驗時，夾具一階頻率為1 017 Hz，進(jìn)行y向隨機(jī)振動試驗時，一階頻率為1 647 Hz。從宏觀上看，x向與y向振動試驗中，雖然夾具近似對稱，其傳遞特性卻相差很大。以上結(jié)果表明：看似相同的兩個方向振動試驗，其傳遞特性可能相差較大，即使同一方向的振動試驗，不同的振動臺上得到的傳遞特性曲線也可能不一樣。由此解釋了試驗過程中，看似兩個方向一樣的振動試驗，一個方向控制響應(yīng)效果較好，而另一個方向卻出現(xiàn)高頻超差問題，其主要原因在于夾具和臺面構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)生了改變。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性變化主要原因在于滑臺與振動試驗夾具的連接剛度發(fā)生了改變，這從宏觀上是無法考慮的[8-10]。進(jìn)一步的試驗通過在滑臺與振動夾具之間加入1 mm厚的毛氈，其傳遞特性如圖5所示。由圖5可知，在加入毛氈后，兩個方向的傳遞特性基本一致。

圖4 2#振動臺上傳遞特性曲線Fig.4 Transfer curve on 2# vibrostand

圖5 2#振動臺上加墊后傳遞特性曲線Fig.5 Transfer curve on 2# vibrostand with the felt

1.4 滑臺與振動試驗夾具連接非線性特性影響

測控電纜隨機(jī)振動試驗過程中還會出現(xiàn)一種現(xiàn)象，即在低量級振動試驗時控制響應(yīng)曲線很好，隨著量級的不斷增大，有時也會出現(xiàn)高頻超差現(xiàn)象，圖6顯示了在-12 dB時的控制響應(yīng)曲線，圖7顯示了在0 dB時的控制響應(yīng)曲線。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因在于滑臺與振動試驗夾具的連接非線性，在進(jìn)行隨機(jī)振動控制時，控制系統(tǒng)在小量級下獲得傳遞特性曲線，然后進(jìn)行迭代循環(huán)控制，由于滑臺和振動試驗夾具間的連接非線性，在高量級時，其傳遞特性曲線會發(fā)生改變，這就導(dǎo)致迭代過程出現(xiàn)誤差，發(fā)生高頻超差現(xiàn)象。

圖6 -12 dB量級時的控制響應(yīng)曲線Fig.6 Control spectrum cure at-12 dB

圖7 0 dB量級時的控制響應(yīng)曲線Fig.7 Control spectrum cure at 0 dB

1.5 滑臺與振動試驗夾具之間的連接阻尼影響

在3#振動臺上對圖1所示的夾具進(jìn)行隨機(jī)振動試驗時，其控制響應(yīng)曲線如圖7所示，高頻出現(xiàn)超差現(xiàn)象，而當(dāng)在滑臺與振動試驗夾具工裝之間加入毛氈時，其控制響應(yīng)曲線如圖8所示，無高頻超差現(xiàn)象。這主要是由于加毛氈后，阻尼增大，有助于平穩(wěn)控制。

圖8 加毛氈時的控制響應(yīng)曲線Fig.8 Control spectrum cure with the felt

2 解決途徑

隨機(jī)振動試驗中，當(dāng)出現(xiàn)控制高頻超差時，通常的解決途徑為首先將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)孤立開來，逐一進(jìn)行測試分析。先判斷控制儀、振動臺是否出現(xiàn)故障，檢查的基本方法為空臺進(jìn)行正弦和隨機(jī)振動試驗，如果控制譜正常，而且臺體無異常聲音，則基本排除控制系統(tǒng)和振動臺問題。然后分析夾具設(shè)計與安裝問題，可以考慮采取以下方法：

1)對小型夾具設(shè)計，應(yīng)盡量保證夾具與滑臺連接后的頻率高于振動試驗最高頻率，可以采取降低重心的方式。

2)保證夾具與振動臺滑臺連接緊密，并采用盡量多的連接螺栓，以提高夾具與滑臺連接后的頻率。

3)改善連接阻尼，在夾具與滑臺之間墊毛氈或橡膠墊等阻尼材料，厚度適度。這樣不僅可以增大阻尼，而且可以削弱夾具與滑臺之間的接觸非線性效應(yīng)。

此外，對于小型夾具振動試驗，采用多點平均控制也可有效抑制高頻超差問題。

3 結(jié)論

測控電纜隨機(jī)振動試驗中的高頻超差問題，主要原因在于夾具設(shè)計及與滑臺之間的連接特性。在解決方法上可以針對這兩個方面進(jìn)行改進(jìn)，同時也可以通過改變控制方法來抑制高頻超差。本研究為解決小型夾具隨機(jī)振動試驗的高頻超差問題提供了參考。