高量级随机振动试验用滑台动态特性分析

孙立明，路梓照，闫旭东

（1.北京强度环境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300462）

引言

振动环境试验是考核产品耐振动环境适应性的重要研究手段，在航空航天领域，随机振动环境较为普遍。当前实验室为模拟产品的振动环境，通常利用振动台实现平稳、各态历经的随机振动试验。电动振动台可借助附加台面或转接夹具与产品连接，实现垂直方向振动环境试验，水平滑台是振动台连接的水平辅助设备，用以实现水平振动环境试验。

近年来航空航天领域产品随机振动环境试验考核要求越来越高，经常遇到短时高量级的振动条件[1]，实验室现有电动振动台随机加速度输出不超过60 g，感应式电动振动台可实现随机加速度输出100 g以上。但进行随机振动试验时，需要综合振动方向、辅助台面及夹具质量等方面考虑，现有设备试验能力往往无法满足高量级振动试验要求。以10 T感应式电动振动台为例，10 T感应式电动振动台随机最大加速度输出可达130 g，运动部件等效质量60 kg，振动台配套水平滑台或垂直扩展台面质量近120 kg，振动台安全输出随机加速度不超过50 g。因此需要设计一种有效方法，使得现有设备能力实现更高量级振动条件。

1 高量级随机振动试验概况

随机振动环境是卫星发射历经的重要力学环境，主要频率范围是20～2 000 Hz。航天器发射弹道中主动段泄压装置依据相关装置环境试验矩阵及力学环境试验要求[2]，宽带随机振动试验均方根加速度值达49.16 g。

航炮安装于战斗机、武装直升机或轰炸机等航空载体上，炮击作用时，作用时间短，瞬时加速度响应高达几十个g或几百个g，频率范围集中在300～600 Hz[3]。航炮打炮空测结果表明，某新型飞机炮舱的主要承力件炮梁，距炮口10 cm处的环境舱炮振的均方根加速度值高达73 g[4]。某型战斗机通信设备依据试验标准及产品规范，采用宽带随机叠加窄带随机混合模式进行炮振试验考核，试验量级达60.12 g。

可靠性强化试验是一种采用加速应力的可靠性研制试验，目前已在航天运载火箭领域得到应用。强化试验中振动步进应力对振动试验台推力提出更高的要求。文献[5]提到某新型运载火箭的伺服机构起始随机振动均方根值73.06 g，以3 g为步长逐步增大量级，直至达到起始振动均方根值的1.25倍（91.325 g）。

2 高量级随机振动试验实现方法

振动试验中推力的计算公式为：

式中：

m—振动台运动部分有效质量、辅助台面质量、夹具和产品质量的总和；

a—试验加速度。

随机振动试验时，振动台推力一般认为是满推力的80 %[6]。根据振动推力计算公式，在振动台实现高量级随机振动试验主要有两种方法：一是减轻试验质量，包括辅助设备及试验夹具；二是通过放大工装，在振动台现有推力基础上实现高量级输出。

目前实验室实现高量级随机振动试验主要通过垂直振动台实现三个方向，具体形式见图1、图2，垂直振动台进行振动试验，可减少水平滑台部分质量，在推力一定情况下，有效提高振动量级。但这种安装方式与产品实际安装方式不一致，尤其对于带减振器的产品，重力对减振器的影响无法忽视，对于敏感部件，容易损坏，无法真实满足使用环境。

文献[5]利用工装谐振原理，对圆盘工装进行技术改造， 使振动量级从振动台台面到工装与产品连接位置处放大，实现低量级输入下的高量级输出，解决振动台推力不足的难题。利用工装谐振原理设计的放大工装，虽然可以实现高量级的振动试验，但往往针对性较强，属于专用工装，工装设计繁琐，其复杂的频响特性可能会造成振动试验控制超差，需要理论与试验验证。

实验室10 T振动台配套水平滑台台面尺寸为1 000 mm*1 000 mm，质量为102 kg，无法满足小尺寸产品高量级随机振动试验。实验室根据产品尺寸及试验量级，通过改造水平滑台，设计小滑板进行试验。小滑板台面尺寸740 mm*300 m，质量为43.4 kg，材料为硬铝。小滑板的设计保证了产品的实际安装状态，同时降低了附加质量，提高了振动量级，但是产品与小滑板安装通常需要设计转接工装，附加质量减少有限。

3 水平滑台工装设计

图1 垂直方向振动状态示意

图2 水平方向振动状态示意

为实现水平方向高量级随机振动试验，有效减轻水平滑台及夹具等辅助设备质量，设计了一种适用振动台水平方向试验的振动工装，该水平滑台工装为T型工装，通过圆盘底板可实现直接与振动台动圈连接，实验室常用振动台动圈安装孔为M12螺纹孔，布孔直径为φ200 mm与φ400 mm。水平滑台工装安装台面尺寸350 mm*350 mm，质量25 kg，材料为硬铝。试验产品通过配打安装孔直接安装在工装台面上，可实现水平方向振动。

相比放大工装，水平滑台工装更有通用性；相比垂台方向实现产品水平振动，可以避免自重对敏感部件的损伤；相比小滑台设计改造，工装减重明显，减少振动传递时的推力损失，可大幅提高振动量级。工装与振动台连接试验状态示意图见图3、图4。

4 滑台特性分析

建立水平滑台工装与小滑板两种不同类型滑台的有限元模型，综合仿真模型及随机振动控制算法，对水平滑台工装与小滑板进行台面闭环控制随机振动试验仿真，以分析两种类型滑台特性。

4.1 基于随机振动控制理论的滑台特性分析

实验室进行的随机振动试验系统大多是闭环控制，通过调节驱动信号使得试验控制点的加速度功率谱密度曲线满足设定的剖面[7]。当给系统输入一个激励信号，系统会产生一个响应信号。输入与输出之间的关系为：

式中：

Y(f)—输出信号；

X(f)—系统输入信号；

H(f)—系统频响函数。

在宽带随机振动控制过程中，我们只关心频域的幅值特性，故式（2）可以变换为输入输出信号自功率谱函数的关系式，即：

式中：

Sy(w)、Sx(w)—输出和输入信号的自功率谱密度。

仿真计算时，要使振动台面的控制点满足试验给定的参考谱，即，则要求驱动谱满足如下要求：

4.2 仿真模型验证

采用有限元软件对水平滑台工装与小滑板进行模态计算[8]。水平滑台工装边界条件为约束工装下平板与振动台动圈连接螺栓孔位移；小滑板边界条件为约束振动台动圈与滑板连接面轴向位移，约束滑板轴承底面的法向位移。

图5 为水平滑台工装与小滑板的一阶轴向模态示意图，图6是分别对两种类型滑台系统进行空载正弦扫描所得的试验曲线。具体结果见表1。

对水平滑台工装与小滑板进行随机振动试验仿真，选用平直谱进行计算，频段范围为10～2 000 Hz，功率谱密度为0.02 g2/Hz，均方根值为6.31 g。真实试验状态和测点分布如图7所示。选取1#和2#点作为平均控制点，3#、4#、5#作为测量点。图8和图9给出仿真与试验对比情况。

图3 水平滑台工装

图4 水平滑台工装振动状态示意

图5 滑台一阶轴向模态示意图

图6 滑台系统空载扫频试验曲线

通过仿真与试验数据对比，可以看出仿真试验控制点平均响应与试验控制点平均响应吻合较好，在3 dB控制容差内。测点在1 000 Hz以内吻合较好，高频产生差异。这与仿真模型精度有关，试验过程中各部件的连接结构存在非线性，仿真过程基于线性假设，边界模拟、部件连接特性等无法完全与实际保持一致，且非线性随着频率增大逐渐明显。仿真与试验频率出现一定偏离，但仿真与试验结果趋势一致，仿真满足分析要求，模型可用以后续特性分析。

4.3 两种类型滑台特性分析

1）控制效果

基于仿真模型，分别对水平滑台工装和小滑板两种类型滑台台面施加5～20 kg配重模拟产品，并进行随机振动试验仿真，仿真结果见图10及表2。

表1 两种类型滑台一阶轴向固有频率结果对比

图7 滑台振动试验示意图

图8 水平滑台工装试验与仿真结果对比

图9 小滑板试验与仿真结果对比

图10 不同产品重量随机振动试验控制特性

表2 不同产品重量随机振动控制总均方根值

通过图10和表2可以看出，小滑板在安装5～20 kg产品进行试验时，控制效果较好，功率谱密度控制在允差±3 dB范围内，总均方根值控制在±10 %范围内。

水平滑台工装安装15 kg以内产品，控制效果较好，安装20 kg产品进行试验时，功率谱密度出现超差，总均方根值超出10 %范围。水平滑台工装安装质量大于20 kg产品时，控制系统无法快速均衡，需要多次叠代过程才能达到要求。高量级随机振动试验，一般试验时间较短，要求随机控制系统能快速均衡，同时因为试验系统及产品的非线性，从低量级到高量级过渡过程中，也应尽量快速均衡，保证功率谱密度及总均方根值在允差范围内。因此建议水平滑台工装进行试验时，产品重量不大于15 kg。

2）输出量级

以实验室10 T推力电磁感应台为例，根据振动试验中推力计算公式，分别对两种类型滑台进行最大加速度输出估算。振动台推力按满推力的80 %考虑，振动台动圈质量60 kg，小滑板质量43.3 kg，水平滑台工装质量25 kg，假设产品安装尺寸为200 mm*200 mm，质量为5 kg，产品与小滑板转接工装为3 kg，忽略安装螺钉质量，则小滑板最大输出加速度为71.88 g，水平滑台工装最大输出加速度为88.89 g，相比小滑板，水平滑台工装量级可提升23.7 %。

5 总结

本文提出一种新的工装形式，可以满足大量级水平向振动试验需求，并对水平滑台工装和小滑板两种不同类型滑台进行特性分析。

通过分析，一方面小滑板在安装质量稍大产品时随机振动控制效果较好，水平滑台工装安装质量20 kg产品时控制出现超差，建议产品质量控制在15 kg以内；另一方面，与小滑板相比，水平滑台工装台面可直接安装产品，有效减轻辅助设备质量，减少振动传递时的推力损失，大幅提高振动量级。总体来说，两种类型滑台各有优缺点，试验时建议结合产品尺寸、产品质量、试验量级综合进行选择。

该水平滑台工装的设计及特性分析对比，对大量级振动试验的工装选择和基于现有振动台提升量级有指导意义。