大量级振动试验分析与应用研究

戴秀芬+黄凯+袁杰+王剑

摘 要：在航空航天产品的验收和鉴定试验中，经常遇到振动时间短、量级大的振动条件，正确地把产品、振动条件、试验人员、试验设备融合到最佳状态是保证试验结果可靠性的重要一环。

关键词：振动试验；大量级振动条件；最佳试验状态

引言

振动试验是力学环境试验中的一种，它是在实验室模拟产品周转、贮存和使用中各种振动环境，以验证产品环境适应性的有效方式。

在航空航天产品的验收和鉴定试验中，经常遇到振动时间短、量级大的振动条件，此类振动试验不仅对控制精度要求非常高，而且对设备的损伤也很大，为了能顺利可靠地完成此类试验，就需要检测人员根据产品的特点，结合试验条件，运用和处理好试验设备，做好大量级试验的一切细节工作。

1 仪器设备的选择

1.1 振动台的选择

（1）随机振动中随机推力的计算

式中：Fr为随机推力；

Σm为振动台系统的质量、夹具和产品质量的总和；

arms为随机振动的加速度总均方根。

总均方根值的计算方法：随机振动功率谱均方根值是其谱密度曲线下的总面积的开方。

工程上功率谱总均方根值arms的计算公式为

式中： f1为试验规范谱的起始频率（Hz）；

f2为试验规范谱的终止频率（Hz）；

Gpsd（f）为试验规范谱的幅值（g2/Hz）。

根据式1-1计算出需要的推力，然后尽可能选择比计算结果大1.5倍以上推力的振动台。有些振动台随机振动试验时振动台推力只能达到满推力的70%（要看设备使用说明书），最好再乘以0.9的安全系数。

（2）正弦振动各参数关系

正弦振动的大小通常可用振动参数如频率、位移、速度和加速度不同量值来表征，只要是正弦振动规律，各参量就有固定的数学关系。

式中 am为最大加速度（g），g=9.8m/s2；

Xm为最大位移（亦称单振幅位移）（mm）；

Vm为最大速度（m/s）；

f为频率（Hz）。

如果是正弦扫描振动，振动台的选择一定要考虑到低频段最大幅值的制约，不因台体的相对运动可能造成超位移的情况；最大速度的制约，因为交越点容易超速度的情况；最大加速度的制约。

1.2 振动仪的选择

正弦振动控制仪的选取一般根据要求考虑频率范围、交越点数目、扫描速率范围、扫描方式等均能满足试验要求即可。

选择随机振动控制仪时，振动谱动态范围，功率谱均衡精度和回路时间是很重要的技术指标，尤其是振动谱的动态范围是决定随机振动系统控制能力的指标，直接影响着功率谱的均衡精度。因大量级振动要求从起振到进入规定量级容差范围的过渡时间尽可能短，这就要求随机振动控制系统具有快速“均衡”的能力。

1.3 传感器的选择

优先选择灵敏度小、精度高、稳定性好的传感器（如丹麦或PCB传感器），其目地都是为了减小设备的输出，避免造成功放过电流或者超电压的情况，同时也避免低频段曲线飘和高频段控制超差的问题。

2 安装和固定

2.1 产品、夹具的安装和固定

产品和夹具应考虑螺钉固定，连接时螺栓紧固最好采用测力扳手，扭转力矩根据振动台使用说明书决定。扭转力矩太大会损坏振动台的螺纹孔；扭转力矩太小固定不紧。如果振动台使用说明书未给出这样的数据，则可以使用弹簧垫圈，以弹簧垫圈压平为紧固的标准。不推荐从机加工中移植过来的“压板”安装，螺钉比压接有更高的谐振频率，“压板”安装可能引起的谐振频率与螺接安装可能引起的谐振频率之比是1：（10～100）。

若固定在水平滑台上则应尽量远离动圈安装。经试验得出：当负载分别安装在水平台的远端和水平台的近端（相对振动台而言），两个平面图的试验量级如果都是均方根值为50m/s2（20～2000）Hz的平直随机谱，通过试验发现负载在远端（有效值电压是0.2V）胜过在近端（有效值电压是0.5V）的驱动电压。这个试验使我们得出：在最大随机试验等级时，借助试件的安装位置和控制加速度计在滑台上合适的安装位置，就可以达到二比一的好处。

2.2 控制传感器的安装

控制传感器的安装应在控制点上，控制点应选择固定点或尽量靠近固定点并固定点刚性连接，可以选在试件与夹具的分离面上，也可以在夹具与振动台的分离面上。选在试件与夹具分离面上比较合理，排除了夹具对振动传递造成的影响。

控制传感器的安装是极其重要的，安装方式可以用螺钉固定，为了防止干扰通常在传感器下面加上绝缘片，也可以用502胶水粘接，粘接不破坏夹具与台面，但连接强度不如螺接，振动量级不太大（小于20g）时可以使用。传感器安装好之后，将导线连接好，并将导线用胶布固定试件或夹具上，避免导线头和传感器产生相对运动（当导线头与传感器有相对运动时容易产生干扰，而且导线容易松动）。

3 试验过程的监控

在大量级随机振动中，试验量级的施加与均衡要监控整个过程，特别要注意以下几个方面：

（1）控制曲线是否正常，是否出现超差现象。控制谱容量的设置一般应按试验条件要求设置，可以全频段只设一种，也可以分频段设置不同值。如果试验条件没给出容差要求，推荐使用谱容差为：报警极限±3dB，中止极限±6dB。

（2）观察总均方根加速度的实际值与目标值，一般情况下实际值会偏大。标准规定总均方根值加速度的容差为10%，如果目标加速度到滿量级，实际控制的量级超了容差，则视为过试验。所以增加量级的时候不能盲目地加到满量级，尽可能用手动模式，不能让实际控制量级超过规定量级的10%以上。

（3）观察功率放大器的电流和电压，手动模式接近满量级的时候，如果功率放大器接近满负荷，电流和电压波动会较大，此时均衡时间要足够保证电流、电压稳定，但是均衡时间不能超过总试验时间的10%。然后再增加量级，增加梯度要小。

（4）特别是航天产品振动试验时间短，且不能重复试验，所以要及时保存曲线（尤其是监测曲线）以供备份，防止大量级造成传感器振掉后无法给出真实可靠的数据。

4 结束语

何谓试验，试验是产品及试验方法加上检测人员、试验设备和测试装置的综合体，缺一不可。大量级振动试验在整个过程中，检测人员必须根据产品特点、结合试验条件严密而正确地控制试验进行的全过程，只有这样方可顺利、安全、可靠地完成试验，从而达到试验目的。

参考文献

[1]胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社，1996.

[2]GJB150A-2009 军用装备实验室环境试验方法[S].中国人民解放军总装备部，2009.

作者简介：戴秀芬（1964-），女，上海人，学历：大专，工作单位：上海无线电设备研究所，工程师，研究方向：环境与可靠性试验。