基于多点极值反馈的随机振动筛选试验方法

2018-11-14刘俊连

中国设备工程 2018年21期

刘俊连

（北京航天自动控制研究所，北京 100854）

随机振动筛选试验是所有航天电子产品在交付前都必须通过的一项试验，其目的是为了提前激发产品可能存在的故障，使元器件的早期失效、设计缺陷和生产工艺缺陷提前暴露，确保交付使用的产品质量可靠、性能稳定。由于试验台、工装和产品结构在实验过程中构成机械传动环节，而每个环节的固有谐振频率不同，因此在标准控制谱输入的情况下，设备内部每块模件上不同点的响应互不相同，有的甚至超出标准谱X倍量级，造成设备内部某些合格元器件的过考核，使交付产品存在质量隐患。所以，在实验前均需对参试设备进行摸底试验，确保设备内部模件上激励响应的振动量级控制在要求范围内。

1 随机振动的谱形和量级

随机振动是在宽频范围上对产品施加振动，产品上所有的谐振频率在整个振动时间内同时受到激励，因而能快速激发潜在的缺陷。GJB1032—1990规定的随机振动功率谱密度图如图1所示，频率范围一般为20～2000Hz，随机振动的量值一般应低于产品环境鉴定试验的合格值，这个值对剔除产品的早期故障率最高，且不容易对产品产生疲劳损伤。

图1 随机振动功率谱密度图

图1是常用标准随机振动筛选功率谱密度曲线图，在频段内功率谱密度曲线所围成的面积，即为施加到振动台面的能量。图1中升谱或降谱的斜率是按对数坐标来给出，单位为倍频程。假设频率f1处的功率谱密度为 PSD1，f2处的功率谱密度为 PSD2，则谱值增量为,频率增量为，由此可得谱线斜率为：

由(1)式可得：

由此可得f1和 f2之间的面积为：

由随机振动功率谱密度图，知：

所以，功率谱密度曲线所围成的面积为：

由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处的振动响应，而不是取决于振动输入，因此为了能将产品中的缺陷很好的析出，而又不使敏感、关键的元器件以及好的元器件被损坏，必须先对产品进行摸底试验，摸清产品对振动输入的响应特性，再根据响应特性来确定振动量值，对产品影响大的频段，要减少输入，反之加大输入，以保证振动输入的量值大小，既能激发缺陷，又不损坏产品，从而达到理想的筛选效果。振动筛选的核心是谱形和总量值，确定振动的谱形和总量值是关键，因此，随机振动筛选需要进行摸底试验。

2 传统随机振动筛选试验摸底方法

传统随机振动筛选试验摸底方法连接如图2所示。

图2 传统振动试验图

图中设备内有n（n≥1）块模件板，O1、O2分别为每块模件的几何中心，在O1、O2处粘贴传感器，具体的试验步骤如下。

（1）选取每块模件的几何中心或模件上的关键件、重要件处粘贴1个传感器。

（3）同时监测每块模件检测点的激励响应，根据响应谱形修正控制谱，使每块模件上的激励响应控制在要求的量级内，从而确定输入控制谱。

试验流程如图3所示。

图3 试验流程

模件上单点的激励响应不能完全反应整块模件的响应特性，模件上其他部分存在过考核的可能性。

3 多点极值随机振动筛选试验摸底方法

为了避免传统试验方法对产品可能造成的过考核，提出了1种基于多点极值反馈的随机振动筛选试验摸底方法。该方法是确保设备内各模件上各点的响应特性满足的梯形谱，以每块模件上的最大振动强度小于6.23g（允许偏差±1.5g）为目标，监测振动台面或支架上的功率谱密度，作为控制输入条件，由此再现设备内各点的振动谱形，达到要求的振动量级，以此输入功率谱密度作为该设备随机振动筛选试验的条件，试验连接如图4所示。

图4中a～d为在模件n上选取的i个检测点（受元器件安装位置的限制，一般i≤5），监测i个点的激励响应，得到极值响应点，修正输入控制谱，使每块板上的极值响应点均应满足要求，具体的试验步骤如下。

（1）在每块模件上选取检测点粘贴传感器。

（3）同时监测模件上的i个传感器的输出，确定极值响应点P，P=max{Pi，i=1,2......}。

（4）按照步骤（1）～（3）的方法，确定该设备内每块模件的极值点。

（5）在各模件的极值响应点粘贴传感器，按照标准的控制谱施加振动，根据极值点的响应对控制谱进行修正，使每个极值响应点的振动量级均满足要求，形成最终控制谱。

多点极值摸底试验流程如图5所示。

图4 多点极值振动摸底试验图

4 试验数据分析

图5 多点极值摸底试验流程图

以下是某型号时序输出电子设备在某一方向（Z向）的摸底情况，输入控制谱和响应谱的摸底结果如图6、7所示。从图6可以看出，使用传统的筛选方法得到的输入控制谱（量级为6.66805g），施加到某电子设备上，其某块模件上几何中心O点的振动响应为7.61266g，满足设计要求，在相同控制谱的控制下，同一模件上某一非几何中心处的振动响应为13.883g，该非几何中心点的响应是几何中心响应的1.8倍，其它非几何中心点的响应有可能更大，可能对模件上的元器件造成过应力，而用多点极值反馈方法得到的输入控制谱（6.24985g），作用在相同的电子设备上，相同模件上任意两点的振动响应分别为5.83054g和6.51857g。响应点均满足应力要求，达到了试验目的。由图6、7可以得到，该方法能够保证设备内模件上各点的响应特性满足要求。