某船用电子设备危险频率放大倍数控制改进方法

李晶，辛颖，胡福林，黄少侃，陈曙

（中国船舶集团有限公司第七二二研究所，武汉 430205）

1 绪论

船只在航行或停靠中的振动环境会以累积和周期性的方式对安装于其内部的电子设备造成影响，使电子设备在危险频率上放大倍数过大，导致电子设备产生疲劳破坏，使其功能和性能受到不良影响。危险频率上放大倍数过大，则容易引起设备的失效，使设备出现故障或性能超差与失灵[1]。所以，在船用电子设备量产前，需对其进行振动试验。通过振动试验分析出其特定的危险频率及其危险频率放大倍数，在危险频率上进行耐振试验，以判定其是否符合客户的使用要求。

2 问题的提出

某智能语音电暖风机（以下简称试验设备）在危险频率上进行纵向耐振试验时，产品外壳底板脱焊断裂，初步断定为该设备危险频率放大倍数过大所致，预示着产品的设计存在缺陷，严重影响了产品的使用，实船安装易发生故障。环境试验工程师针对此设计缺陷需提出改进方法及措施，并通过振动试验台及相关数据采集等手段进行测量和验证。

振动试验台作为对试验设备进行振动试验的重要设备，可以检验设备结构的振动性能。依据设备结构的振动性能，可以在实际生产应用中，采用改进产品设计或其他更加合理的方式来降低船用电子设备危险频率上的放大倍数，并最大限度的发挥船用电子设备的功能效用。

利用现代化数字仪表结合计算机数据采集技术，对振动试验时船用电子设备进行数据测量与分析，寻得其危险频率及其放大倍数后，便可使得试验设备的结构设计弱点得以暴露，有利于环境试验工程师针对此产品设计缺陷提出改进方法及措施，进而降低影响设备功能性能的危险频率放大倍数，降低设备使用风险与维护成本，提升振动试验后续服务品质。

3 试验条件

3.1 试验要求

依据正弦振动试验的试验标准要求，方法参考某行业产品在船用振动试验大纲中的船主体区正弦振动试验条件，该试验设备试验条件如下：

功能试验振动量值：

频率（1～16）Hz，位移1 mm；

频率（16～60）Hz，加速度10 m/s2。

扫频方式：对数扫频。

扫频速率：1 oct/min。

扫频次数：10次扫频循环。

试验轴向：纵向、横向。

该试验设备实船安装时不带减震器，故在振动试验时通过工装夹具与振动台体刚性连接，如图1所示。

图1 试验设备振动试验安装示意图

3.2 振动台状态和试验设备外壳板参数

3.2.1 振动台状态

振动台主要由激振器、伺服阀、液压站和电控系统（数控和模控）组成。当被试产品通过工装夹具固定于试验台后，开启耐振试验，寻找危险频率及其放大倍数，检验被试产品的设计是否存在缺陷。本次试验的振动台信息如表1。

表1 试验振动台信息

3.2.2 试验设备外壳板参数

试验设备外壳板设计是使用厚度为1.2 mm的022Cr19Ni10的不锈钢。试验设备1件，外壳板外观光洁平整、去除毛刺锐边、角，无变形。

3.2.3 试验设备产品设计图

本次试验设备产品设计图如图2、3所示。

图2 试验设备设计示意图

4 试验过程

4.1 改进前试验结果及振动试验图谱分析

将试验设备固定在试验台上，按功能试验振动量值要求进行试验，确定危险频率及其放大倍数。该试验设备在危险频率上进行纵向耐振试验时，产品外壳底板脱焊断裂，初步断定为该试验设备危险频率放大倍数过大所致，需改进设计，避开共振[2]，或降低危险频率上的放大倍数。

该设备外壳板采用材料为022Cr19Ni10的不锈钢设计，外壳板厚度为1.2 mm。其横向、纵向振动图谱如图4所示。

图4 1.2 mm厚外壳板振动图谱

图3 试验设备外壳整体示意图

如图4，试验设备采用1.2 mm厚不锈钢外壳板设计，通过传感器在横向振动试验时采集到的危险频率为42.453 7 Hz，放大倍数数据为4.710 8，其纵向振动采集到的危险频率为48.797 2 Hz，放大倍数数据为4.309 0。可见，在此情况下试验设备两个轴向上的危险频率放大倍数较大。

4.2 改进后振动试验数据采集及分析

该试验设备危险频率放大倍数控制改进方案有加厚产品外壳，或对产品外壳进行加强筋设计等。我们通过这两种方法进行设计改进，并通过振动试验图谱分析改进后的效果。试验设备连接方式见图1。

4.2.1 2.0 mm厚外壳板设计振动试验图谱分析

试验设备采用2.0 mm厚不锈钢外壳板设计，其横向、纵向振动图谱如图5所示。

图5 2.0 mm厚外壳板振动图谱

如图5，试验设备采用2.0 mm厚不锈钢外壳板设计，通过传感器在横向振动试验时采集到的危险频率为24.530 2 Hz，放大倍数数据为5.899 6。其纵向振动采集到的危险频率为35.487 7 Hz，放大倍数数据为6.648 1。可见，在此情况下试验设备两个轴向上的危险频率前移，放大倍数反而更大。

4.2.2 加强筋外壳板设计振动试验图谱分析

试验设备采用1.2 mm厚不锈钢外壳板经内部加强筋设计后，其横向、纵向振动图谱如图6所示。

如图6，试验设备采用1.2 mm厚不锈钢外壳板经内部加强筋的设计后，通过传感器在横向振动试验时采集到的危险频率为43.740 6 Hz，放大倍数数据2.453 4，其纵向振动采集到的危险频率为33.442 8 Hz，放大倍数数据为2.650 2。在此情况下，试验设备在两个轴向上的危险频率基本和1.2 mm厚不锈钢外壳设计无差异，且有效地抑制了放大倍数。

图6 1.2 mm厚外壳板内采用加强筋设计振动图谱

综上所述，不同设计下试验设备振动结果如表2所示。

表2 不同设计下试验设备振动图谱数据

4.2.3 振动台采集的部分图谱展示

振动台振动谱图如图7所示。

图7 振动图谱的波形

由于篇幅所限，数据的采集谱图就不逐一列出，经过以上分析可以初步得出的结论是：三种不同的设计方案所得出的测试数据和频谱图均表明在试验设备外壳内部进行加强筋设计时效果最佳，此时试验设备性能测试的数据较为真实可靠，且对试验设备的保护效果最佳。

5 试验结论

5.1 试验数据结果量值比较

综合以上的数据进行分析，得出图8所示的比较图形。

图8 不同外壳板设计下数据采集量值比较

由图可知，当采用加厚外壳板设计时，危险频率上的放大倍数增大，当采用加强筋设计时，放大倍数明显降低了，也预示着振动台对设备造成的影响最小，设计效果最佳。在后续试验中继续收集更多的有效案例数据加以分析，以弥补本次测量的不足。

5.2 结论

通过振动试验，我们可以分析出船用电子设备的危险频率及其放大倍数，从而提出降低危险频率放大倍数的改进设计方案。通过分析不同改进方案的振动数据采集图谱，验证改进设计的有效性，对比得出最佳改进设计方案，最大限度的发挥船用电子设备的功能效用，降低设备使用风险与维护成本，提升产品质量。