多台激励振动试验技术若干探讨

彭建兰，田运普，王丽娟，刘保红（中国华阴兵器试验中心，华阴 714200）

多台激励振动试验技术若干探讨

彭建兰，田运普，王丽娟，刘保红
（中国华阴兵器试验中心，华阴 714200）

从当前实施的振动试验不足与缺陷引出多台激励试验，并对多台激励试验的技术原则、试验方法、国内外试验标准的发展趋势及应用前景等进行了论述，指出在国军标中有必要制定多台激励振动试验环境标准，同时也为多台激励的振动试验应用提供必要的技术支撑和知识储备。

环境试验；多台振动；控制

引言

目前实施振动试验的振动设备在台体推力、台面尺寸及复现产品寿命期内多轴向的响应上都无法满足被试产品的试验要求。随着航天、航空、国防工业的发展，产品逐渐呈现出体积大、质量大、结构不规则等特点，越来越多需要多台多激励的振动试验方式。因此多台多轴向振动激励技术应运而生，同时也对多轴向振动试验也提出了的许多指导性意见。在常规兵器试验领域，为完成复杂产品的振动考核试验及更真实模拟产品寿命期内的振动环境，多台激励具有不可替代的作用。

1　多台激励的技术原则和试验方法

1.1试验条件的制定

由于现行的标准中没有多轴向振动的谱型规范，因此比照单轴向振动试验的方法，在每个轴向上分别给出相应的试验条件实施振动，在控制技术上需要消除各轴向耦合引起的多余运动，从而实现各轴向上试验条件的控制。

1.2典型三轴振动试验

典型的三轴振动试验设备是由分别处于X、Y、Z轴向的三个振动台，通过连接头与振动台面连接，在振动控制器上输入各轴向的自谱和互谱控制条件及参数（通常由试验标准提供或实测数据形成的试验要求）。

1.2.1试验参考谱和控制方法

在实测数据的基础上，对振动数据进行分析处理，建立科学、实用的振动试验条件，按照测试要点、数据处理要点和振动试验条件制定方法，通过计算得出各轴向的振动规范谱。在控制方法上按照实测数据时的各位置安装控制传感器，从控制传感器的加速度响应中提取出产品的自由度加速度响应，从而实现对产品的均匀控制。

1.2.2三轴与单轴振动比较分析

为了对单轴顺序加载和三轴同时加载两种振动模式对产品引起的不同效果有比较直观、定性的认识，我们采用ANSYS软件对典型模型在三轴与单轴在随机振动条件下的加速度与应变响应进行了仿真，也对两者所造成的疲劳损伤进行对比：单轴振动总损伤小于三轴振动；三轴同时振动时加速度总响应大于单轴每一方向，都在一阶频率处发生速度响应峰值，但在特定轴向下的响应均方根值不一定大于单轴振动。

因此多轴振动与传统的单台振动试验相比，能更加真实地模拟实际振动环境，有利于暴露潜在缺陷。

2　国内外振动试验标准及其发展

2.1国外多台振动试验标准

美国目前实施的环境试验标准是2008年改版的MIL-STD-810G，在该版本中专门列出了多台激励试验标准，并定义了两个基本程序：单轴多台激励（MESA）程序Ⅰ——时域参考标准和多点多轴向激励（MEMA）程序Ⅱ——频谱参考标准。

1）单轴多台激励。与传统的单轴单点振动试验（如图1所示）相比，两点单轴激励（图2）振动试验，主要是解决在推力、夹具等难以实现的振动试验，及更好完成有延伸的装备在单一轴向矢量上其前部分和后部分都需要激励的试验。在实验室里多台激励试验比单台能得到更好的部分复现效应。

2） 多点多轴向激励。多点多轴向激励试验又可分为两种类型，多点单轴向但不同步激励，各点激励的谱型不同，且各谱型的相位存在差异。如很多导弹运输或机载类产品就属于此类情况。多点多轴向激励试验，各点激励的谱型和相位可以相同也可以不相同，谱型来源于试验标准或实测数据统计计算并形成的包络线。在三个振动台的激励方向是互相垂直时就形成了非常典型的三轴振动试验系统（见图3），如目前应用于惯性设备的精度考核多维振动试验系统。

2.2国内实施的振动试验标准

图1　单点单轴与激励振动试验

图2　二两点单轴激励振动试验

图3　多轴向多台（三台）激励振动试验装置

目前我国军用产品执行的振动试验标准为GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法 振动试验》，其中明确提到：组合外挂和导弹的挂飞、自由飞在垂直和横向激励外挂时，通常会引起纵向振动。由于现有实验室振动台通常只能进行单轴向振动，因此标准中规定：需要在3个相互独立的正交轴向上进行振动的试验，当振动施加在某一轴向时采用下式进行，即在各个轴向上的量级相对有所增加。

式中R为要求的试验量级，A为响应量级，下标数字代表轴向。通过多年的振动试验积累，目前我们用现有振动台实施振动试验的过程中主要遇到以下一些情况：

1）在细长体振动试验中，两端的大位移摆动、高频超差而导致试验被迫中断；也遇到了较重的产品进行大量级的试验时推力达不到而无法实施试验；

2）产品不规则且形状复杂，在夹具上无法保证产品有效固定在振动台面上；

3）不能满足多谱型输入，也曾激发过产品实际使用过程中不存在的故障模式。

2.3多台振动试验标准的适用条件

在单台激励试验的基础上选取多台激励试验下一般有以下几种情况：

1）在控制方式上，超过一个轴向上的多台激励试验提供给产品的振动或振动能量分布不依赖于装备自身的动力学分布。

2）当装备的物理结构长度直径比大且当单台激励试验取决于产品力学能量分布时可以选取多台激励试验。

3）对体积大而重的产品，给试验样品提供足够能量的多台激励是必须的。

4）在对阻抗匹配和产品使用中的边界条件做出说明时，多台激励试验允许多个自由度。

总的来说，所有的环境测量需要多轴响应测量来完整描述。

3　多台激励振动试验设备应用前景

3.1国内外发展现状

振动试验设备通常有电动振动台和电液振动台。电液伺服振动台主要用于地震模拟试验和汽车工业领域的路面仿真试验；电动式振动台在工作频段、承载范围、波形、控制等诸多方面较电液振动台独特的优势而备受青睐，它主要应用于军工领域。目前多轴振动设备在航天领域已开始展开研究工作。而在兵器行业还没有引进三轴振动试验设备。

3.2常规靶场振动试验设备现状及发展趋势

常规靶场使用的振动台主要是电振动台，承担单台单轴向的大部分振动试验，无法完成体积、尺寸、重量大产品的规定条件的振动试验。2009年2月北京强度研究所研制的电动振动台系统（频率范围为2~2 000 Hz，推力只有60 Kg，加速度为10 g）可以完成零部件产品的振动、冲击环境试验或应力筛选、可靠性试验。图3是某环境试验设备厂三台套单轴振动设备组合形成的三轴振动试验设备，完成了GJB 150.6A中高速公路卡车振动环境和组合式双轮拖车振动环境进行的三轴同振试验，实现了较为精确的控制。

由于直接研制多轴向振动试验系统具有难度大、成本高等制约条件，通过多台组合可以达到多轴同振的目的，在节省试验成本、简化基础设施配套也有明显优势。随着振动模拟的技术水平的发展，多轴向多自由度的振动模拟试验是未来振动试验发展的方向。

4　结论

多台激励振动试验代表着振动模拟试验的发展方向，国内外大量试验研究表明，它具有真实地模拟实际振动环境、提高试验的有效性和故障激发率、缩短试验时间等优势。因此我们有必要对多台振动试验设备进行一些基础的试验技术研究，以发展内外场结合的振动环境可靠性鉴定试验新技术。

图4　（组合式双轮拖车）三轴向三台激励试验

［1］ GJB 150.16A-2009.军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验 ［S］.

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

［3］ 冯秉初.“3向”环境振动试验与标准环境振动试验的比较［J］.强度与环境， 2001（2）：33-41.

［4］ 吴家驹， 荣克林. 多维振动环境试验方法［J］.导弹与航天运载技术，2003（4）：27-32.

［5］ 赵保平， 王刚， 高贵福. 多输入多输出振动试验应用综述［J］. 2006（3）：25-32.

［6］ 樊世超， 冯咬齐.多维动力学环境模拟技术研究［J］. 航天器环境工程， 2006（1）：23-28.

彭建兰（1972.08），女，湖南湘乡，工程师，硕士，环境模拟。

田运普（1986.09），男，河北，工程师，在读硕士，环境模拟。

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