基于加速度限控制策略的振动试验过载停机实验研究

李鹏，刘凯，辛敏成，张海涛，邹田骥，吕从民

（1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094； 2.中国科学院大学，北京 100049）

引言

“十三五”期间，以新一代运载火箭、载人航天、探月工程和高分辨率对地观测系统等为代表的重大专项已进入实施的关键时期, 空间基础设施、重型运载、深空探测等也进入深化论证阶段[1]。不同航天产品在不同寿命周期阶段可能经历不同的振动环境和平台，例如航天器随火箭发射、飞行、再入过程中要经历严酷的振动环境，特别是发动机工作及自激励振动（POGO）效应、火箭发动机点火/关机和级间分离造成高强度的振动环境，轻则导致航天器及其组件结构变形或损坏，重则导致整个发射任务失败[2]。针对航天产品的复杂性不断提高，新的力学问题不断涌现，研制周期与成本的控制力度不断加大的问题，合理设计并有效开展航天产品地面振动试验，不仅可评价结构的刚度和强度设计，考核其力学环境适应能力，验证规定环境条件下的工作性能和可靠性要求，还能获取敏感部位的振动响应数据，同时暴露工艺制造质量缺陷[3,4]。

航天产品由于小批量、高价值的特点，对振动试验试验控制的安全性极为重视，并且要对关键、重要部位进行响应信号监测，特别是结构复杂、功能繁多的大型受试产品，需要关注的薄弱部位较多，对数据采集与信号处理的需求较高。因此，西门子Simcenter Testlab振动控制采集分析系统凭借着良好的安全稳定性和高速多通道数据采集与试验、分析、电子报告功能，在航天领域得以广泛应用。该系统将振动控制与信号的采集、分析和后处理模块集成在同一平台中，包括数据采集前端、测试分析软件，配套传感器及线缆等辅助装置，可以实现正弦、随机、冲击、跟踪与谐波驻留等常用振动控制功能，同时具备时频域信号记录与分析、信号特征试验分析等后处理能力，有效满足开展大型振动试验及分析的需求[5]。

尽管Testlab采用了软件流程化设置，但是存在保护环节多、细节繁杂的特点。一方面，使用手册仅给出了一般性功能介绍，大量参数默认设置需要结合现场实际情况进行合理调整，而试验人员对软件复杂功能细节不明确，许多试验过程中出现的未知情况也难以提前演练。另一方面，西门子售后工程师缺乏一线实操经验，对振动台系统和试验需求不熟悉，难以准确回答软件特定功能的工作机制和推荐的参数设置范围。以加速度限控制功能为例，为防止振动试验过程中产品安装界面、接插件和敏感器件安装点等重点部位响应过大，通过设置特定测量通道的振动加速度响应限，保护被测试件。当某些频带上响应值超过预设的限制谱时，系统对输入谱进行自动修正，将这些通道的振动响应限制在限制谱以内。加速度限控制方法实质上是对输入谱进行下凹处理，以避免敏感部位出现过试验的情况[6]。但是使用手册不可能包含具体的操作细节和注意事项，因此软件设置错误给振动试验的开展带来了巨大的安全隐患，不仅存在过试验、欠试验的风险，而且导致的试验异常中断增加了试验时间和费用，严重影响产品研制交付的进度。

本文针对某航天产品正弦振动试验的过载停机故障，从Simcenter Testlab软件的角度分析了原因——对振动试验中为保护试件的加速度限控制功能的参数设置不合理，或限幅通道量程过低导致试验异常中断。通过设计三组实验，结合分析数据，验证软件加速度限控制功能和通道量程设置工作机制，为后续基于Simcenter Testlab振动试验中限幅通道加速度限控制的使用提供了技术参考。

1 试验说明及停机原因分析

某航天产品结构工艺件开展正弦振动试验，采用6点平均加速度输入控制方法，6个三轴向加速度传感器（A/B/C/D/E/F）作为控点安装在试件连接的夹具上，控制仪采集控点信号对振动台进行反馈控制，以保证夹具/试件界面处达到规定的振动量值。试件上按要求布有41个三轴向加速度传感器（1#～41#），作为测点采集特定部位的振动加速度响应特性。所有传感器敏感度约为50 mV/g，标定量程为50 g，各通道量程均设置为100 g。试验条件如表 1所示，报警容差为±3 dB，停机容差为±6 dB。对部分测点进行加速度限（notch）控制设置，全频道限幅量级15 g，限幅停机上限+6 dB，即30 g，当任一测点响应值超过限幅限15 g时，系统修正输入谱使响应低于规定的限幅限，当响应超过30 g时触发停机保护。

试验在扫频至54 Hz时中断，软件显示7#测点过载（overload）导致试验中断，此时7#测量通道频域信号量级为17 g，见图1，曲线已超过限幅限15 g，触发了加速度限控制功能，尚未触碰30 g停机线。如图2所示，7#时域信号量级为38 g，未采集到超过量程100 g的信号。

对控制传感器及7#测点传感器进行检查，未发生传感器脱落、松动现象，排除了硬件连接问题。对控点和其他测点的时域、频域曲线进行了分析，均未发现异常。考虑到安全设置中控制通道和测点通道设置为过载忽略（Ignore），而限幅通道设置为过载停机（Abort），如图3所示。因此，过载停机原因可能为以下2个方面：

1）7#测点信号在时域或频域上触碰notch限幅停机线30 g停机。

2）7#测点信号超100 g造成通道量程过载停机，并且由于通道量程过低，未能在时域频域采集到超量程信号。

2 试验设计与分析验证

针对可能的停机原因：①限幅通道设置为过载停机；②测点通道量程设置过低的软件设置错误，继而触发保护功能，导致试验误中断的过载停机。设计了三组实验，在振动台空载状态下进行实验验证，如表2所示。

2.1 限幅通道过载停机验证实验

7#、8#传感器相邻粘贴在水平滑台上，分别设置为控制和限幅通道，单点控制。限幅通道设置为过载停机，限幅停机上限为0 dB，即15 g，具体方法如表2中T1所示。

表1 正弦扫频振动试验条件

实验中，目标谱超过限幅通道停机线，触发加速度限控制功能的瞬间保护停机，此时试验中断显示“Notch upper abort”与原试验中显示“Overload”不一致，由此排除测点时域或频域曲线触碰Notch限幅停机线导致停机。

图1 7#测点频域谱线、限幅参考限及停机上限

图2 7#测点时域信号

图3 控制、限幅、测量通道过载策略设置

2.2 通道超量程过载停机频域验证实验

限幅通道设置为过载停机，8#通道量程设置为3.16 g，在17～60 Hz范围内量级为3.4 g，显然会在频域触发超量程3.16 g停机，但不超过限幅停机线+6 dB，即6.4 g，具体方法如表2中T21所示。在17.2 Hz时试验8#限幅通道过载停机，报错信息显示“Overload”，与原试验一致，由此可定位原停机原因为限幅通道量程过载。

将限幅通道设置为过载忽略，其他试验条件同T21，具体方法如表2中T22所示。图4显示目标谱在17～60 Hz范围时，8#已经超量程（实时监测状态变红且无示数），但未停机中断，无报错信息，实验正常结束。

表2 过载停机实验分析验证方法

图 4 7#测点传感器时域图

据此可推断原试验停机原因是该限幅通道设置为过载停机，而超量程触发保护功能。但是，T21/T22实验仅从频域上验证了停机的工作机制，并未从时域上验证实际试验中的停机现象。因此，设计了T3从时域上验证过载停机的原因。

2.3 通道超量程过载停机时域验证实验

为保证目标谱在频域上不超过8#限幅通道量程3.16 g，更改目标谱幅值最高段17～60 Hz量级为2 g，限幅通道设置为过载停机，开展试验T31。在试验进行到17～60 Hz过程中，使用力锤敲击台面，在时域上产生较大信号干扰，具体方法见表2中T31。在17.04 Hz时试验8#限幅通道过载停机，报错信息显示“Overload”，与原试验一致，由此从时域上验证实际试验中的停机现象。

如图5所示，7#&8#&9#通道均未采集到台面敲击产生的大量级毛刺时域信号，这是由于8#通道量程限制，在敲击信号出现时过载停机，导致停机瞬间各通道都无法采集到时域信号。

将限幅通道设置为过载忽略，其他试验条件同T31，开展试验T32。在试验进行到17～60 Hz过程中，使用力锤敲击台面，在时域上产生较大信号干扰，见表2中T32，试验顺利完成，未发生停机。

如图6所示，7#&9#通道（量程100 g）均采集到台面敲击产生的毛刺时域信号，而8#通道（量程3.16 g）由于量程受限，未采集到超过3.16 g而低于100 g的较大信号。

图5 T31中7#&8#&9#通道时域信号

图6 T32中7#&8#&9#通道时域信号

因此，从时域和频域解释了过载停机现象，原试验停机原因为7#限幅通道出现超过量程100 g的时域信号，造成overload停机，但是由于通道量程限制，未能在时域上采集到超量程信号。通过将限幅通道设置为过载忽略，可有效避免过载停机现象。

3 结论与建议

本文从Simcenter Testlab加速度限控制功能的角度分析了某航天产品正弦振动试验的过载停机故障原因，开展了三组验证实验，验证了停机原因不是触发限幅报警限，而是传感器通道过载，未采集到超量程时域信号的原因是通道量程限制。最后，针对基于加速度限控制的振动试验给出了以下三点建议：

1）Simcenter Testlab在传感器通道类型中设有控制和测量两类，分别起到输入谱控制和输出谱监测功能，但在过载停机的安全保护设置时通道类型分别控制、测量和限幅三类，需要分别进行过载停机或忽略设置，在选择相应通道忽略过载停机后，即使采集到超过通道量程的信号也不会过载停机。

2）为防止试验失控，有效保护试验件和振动台，控制通道一般设置过载停机；测量通道采取忽略过载的设置，以保障试验正常开展；而限幅通道则需要结合试验件敏感监测部位的实际情况进行合理设置，若采取过载忽略的设置，在量程不够的情况下能保证试验的顺利开展，但是长时间过载对小量程传感器自身结构、功能性能都会产生不利影响，致使传感器参数漂移，另外存在产品极值破坏风险，应做好随时中断试验的准备。

3）Simcenter Testlab通过设置灵敏度与电压将通道量程与传感器物理量程进行匹配，其中灵敏度由传感器标定结果输入，电压只能分级设置，常见的三级量程为1 V/3.16 V/10 V，五级量程为0.1 V/0.316 V/1 V/3.16 V/10 V。显然，通道量程与传感器物理量程多数情况下都不一致，系统以各通道量程为准，比如传感器标定量程为500 g，当通道量程为1 000 g时仍能监测到500～1 000 g的信号，只是无法保证信号量级精度。注意传感器量程与灵敏度的权衡选择，控点注重精度，为避免试验控制超差，出现过试验或欠试验的风险，一般采用较小量程传感器，而测点传感器为满足信号采集需求，一般选用较大量程传感器。