彭建蘭，田運(yùn)普，王麗娟，劉保紅（中國華陰兵器試驗(yàn)中心，華陰 714200）

多臺激勵振動試驗(yàn)技術(shù)若干探討

彭建蘭，田運(yùn)普，王麗娟，劉保紅
（中國華陰兵器試驗(yàn)中心，華陰 714200）

從當(dāng)前實(shí)施的振動試驗(yàn)不足與缺陷引出多臺激勵試驗(yàn)，并對多臺激勵試驗(yàn)的技術(shù)原則、試驗(yàn)方法、國內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景等進(jìn)行了論述，指出在國軍標(biāo)中有必要制定多臺激勵振動試驗(yàn)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時也為多臺激勵的振動試驗(yàn)應(yīng)用提供必要的技術(shù)支撐和知識儲備。

環(huán)境試驗(yàn)；多臺振動；控制

引言

目前實(shí)施振動試驗(yàn)的振動設(shè)備在臺體推力、臺面尺寸及復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品壽命期內(nèi)多軸向的響應(yīng)上都無法滿足被試產(chǎn)品的試驗(yàn)要求。隨著航天、航空、國防工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)不規(guī)則等特點(diǎn)，越來越多需要多臺多激勵的振動試驗(yàn)方式。因此多臺多軸向振動激勵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，同時也對多軸向振動試驗(yàn)也提出了的許多指導(dǎo)性意見。在常規(guī)兵器試驗(yàn)領(lǐng)域，為完成復(fù)雜產(chǎn)品的振動考核試驗(yàn)及更真實(shí)模擬產(chǎn)品壽命期內(nèi)的振動環(huán)境，多臺激勵具有不可替代的作用。

1　多臺激勵的技術(shù)原則和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)條件的制定

由于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中沒有多軸向振動的譜型規(guī)范，因此比照單軸向振動試驗(yàn)的方法，在每個軸向上分別給出相應(yīng)的試驗(yàn)條件實(shí)施振動，在控制技術(shù)上需要消除各軸向耦合引起的多余運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)各軸向上試驗(yàn)條件的控制。

1.2典型三軸振動試驗(yàn)

典型的三軸振動試驗(yàn)設(shè)備是由分別處于X、Y、Z軸向的三個振動臺，通過連接頭與振動臺面連接，在振動控制器上輸入各軸向的自譜和互譜控制條件及參數(shù)（通常由試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供或?qū)崪y數(shù)據(jù)形成的試驗(yàn)要求）。

1.2.1試驗(yàn)參考譜和控制方法

在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立科學(xué)、實(shí)用的振動試驗(yàn)條件，按照測試要點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)和振動試驗(yàn)條件制定方法，通過計(jì)算得出各軸向的振動規(guī)范譜。在控制方法上按照實(shí)測數(shù)據(jù)時的各位置安裝控制傳感器，從控制傳感器的加速度響應(yīng)中提取出產(chǎn)品的自由度加速度響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的均勻控制。

1.2.2三軸與單軸振動比較分析

為了對單軸順序加載和三軸同時加載兩種振動模式對產(chǎn)品引起的不同效果有比較直觀、定性的認(rèn)識，我們采用ANSYS軟件對典型模型在三軸與單軸在隨機(jī)振動條件下的加速度與應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了仿真，也對兩者所造成的疲勞損傷進(jìn)行對比：單軸振動總損傷小于三軸振動；三軸同時振動時加速度總響應(yīng)大于單軸每一方向，都在一階頻率處發(fā)生速度響應(yīng)峰值，但在特定軸向下的響應(yīng)均方根值不一定大于單軸振動。

因此多軸振動與傳統(tǒng)的單臺振動試驗(yàn)相比，能更加真實(shí)地模擬實(shí)際振動環(huán)境，有利于暴露潛在缺陷。

2　國內(nèi)外振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展

2.1國外多臺振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

美國目前實(shí)施的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是2008年改版的MIL-STD-810G，在該版本中專門列出了多臺激勵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并定義了兩個基本程序：單軸多臺激勵（MESA）程序Ⅰ——時域參考標(biāo)準(zhǔn)和多點(diǎn)多軸向激勵（MEMA）程序Ⅱ——頻譜參考標(biāo)準(zhǔn)。

1）單軸多臺激勵。與傳統(tǒng)的單軸單點(diǎn)振動試驗(yàn)（如圖1所示）相比，兩點(diǎn)單軸激勵（圖2）振動試驗(yàn)，主要是解決在推力、夾具等難以實(shí)現(xiàn)的振動試驗(yàn)，及更好完成有延伸的裝備在單一軸向矢量上其前部分和后部分都需要激勵的試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室里多臺激勵試驗(yàn)比單臺能得到更好的部分復(fù)現(xiàn)效應(yīng)。

2） 多點(diǎn)多軸向激勵。多點(diǎn)多軸向激勵試驗(yàn)又可分為兩種類型，多點(diǎn)單軸向但不同步激勵，各點(diǎn)激勵的譜型不同，且各譜型的相位存在差異。如很多導(dǎo)彈運(yùn)輸或機(jī)載類產(chǎn)品就屬于此類情況。多點(diǎn)多軸向激勵試驗(yàn)，各點(diǎn)激勵的譜型和相位可以相同也可以不相同，譜型來源于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)崪y數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算并形成的包絡(luò)線。在三個振動臺的激勵方向是互相垂直時就形成了非常典型的三軸振動試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖3），如目前應(yīng)用于慣性設(shè)備的精度考核多維振動試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.2國內(nèi)實(shí)施的振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

圖1　單點(diǎn)單軸與激勵振動試驗(yàn)

圖2　二兩點(diǎn)單軸激勵振動試驗(yàn)

圖3　多軸向多臺（三臺）激勵振動試驗(yàn)裝置

目前我國軍用產(chǎn)品執(zhí)行的振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 振動試驗(yàn)》，其中明確提到：組合外掛和導(dǎo)彈的掛飛、自由飛在垂直和橫向激勵外掛時，通常會引起縱向振動。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室振動臺通常只能進(jìn)行單軸向振動，因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：需要在3個相互獨(dú)立的正交軸向上進(jìn)行振動的試驗(yàn)，當(dāng)振動施加在某一軸向時采用下式進(jìn)行，即在各個軸向上的量級相對有所增加。

式中R為要求的試驗(yàn)量級，A為響應(yīng)量級，下標(biāo)數(shù)字代表軸向。通過多年的振動試驗(yàn)積累，目前我們用現(xiàn)有振動臺實(shí)施振動試驗(yàn)的過程中主要遇到以下一些情況：

1）在細(xì)長體振動試驗(yàn)中，兩端的大位移擺動、高頻超差而導(dǎo)致試驗(yàn)被迫中斷；也遇到了較重的產(chǎn)品進(jìn)行大量級的試驗(yàn)時推力達(dá)不到而無法實(shí)施試驗(yàn)；

2）產(chǎn)品不規(guī)則且形狀復(fù)雜，在夾具上無法保證產(chǎn)品有效固定在振動臺面上；

3）不能滿足多譜型輸入，也曾激發(fā)過產(chǎn)品實(shí)際使用過程中不存在的故障模式。

2.3多臺振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適用條件

在單臺激勵試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取多臺激勵試驗(yàn)下一般有以下幾種情況：

1）在控制方式上，超過一個軸向上的多臺激勵試驗(yàn)提供給產(chǎn)品的振動或振動能量分布不依賴于裝備自身的動力學(xué)分布。

2）當(dāng)裝備的物理結(jié)構(gòu)長度直徑比大且當(dāng)單臺激勵試驗(yàn)取決于產(chǎn)品力學(xué)能量分布時可以選取多臺激勵試驗(yàn)。

3）對體積大而重的產(chǎn)品，給試驗(yàn)樣品提供足夠能量的多臺激勵是必須的。

4）在對阻抗匹配和產(chǎn)品使用中的邊界條件做出說明時，多臺激勵試驗(yàn)允許多個自由度。

總的來說，所有的環(huán)境測量需要多軸響應(yīng)測量來完整描述。

3　多臺激勵振動試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用前景

3.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

振動試驗(yàn)設(shè)備通常有電動振動臺和電液振動臺。電液伺服振動臺主要用于地震模擬試驗(yàn)和汽車工業(yè)領(lǐng)域的路面仿真試驗(yàn)；電動式振動臺在工作頻段、承載范圍、波形、控制等諸多方面較電液振動臺獨(dú)特的優(yōu)勢而備受青睞，它主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。目前多軸振動設(shè)備在航天領(lǐng)域已開始展開研究工作。而在兵器行業(yè)還沒有引進(jìn)三軸振動試驗(yàn)設(shè)備。

3.2常規(guī)靶場振動試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

常規(guī)靶場使用的振動臺主要是電振動臺，承擔(dān)單臺單軸向的大部分振動試驗(yàn)，無法完成體積、尺寸、重量大產(chǎn)品的規(guī)定條件的振動試驗(yàn)。2009年2月北京強(qiáng)度研究所研制的電動振動臺系統(tǒng)（頻率范圍為2~2 000 Hz，推力只有60 Kg，加速度為10 g）可以完成零部件產(chǎn)品的振動、沖擊環(huán)境試驗(yàn)或應(yīng)力篩選、可靠性試驗(yàn)。圖3是某環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備廠三臺套單軸振動設(shè)備組合形成的三軸振動試驗(yàn)設(shè)備，完成了GJB 150.6A中高速公路卡車振動環(huán)境和組合式雙輪拖車振動環(huán)境進(jìn)行的三軸同振試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了較為精確的控制。

由于直接研制多軸向振動試驗(yàn)系統(tǒng)具有難度大、成本高等制約條件，通過多臺組合可以達(dá)到多軸同振的目的，在節(jié)省試驗(yàn)成本、簡化基礎(chǔ)設(shè)施配套也有明顯優(yōu)勢。隨著振動模擬的技術(shù)水平的發(fā)展，多軸向多自由度的振動模擬試驗(yàn)是未來振動試驗(yàn)發(fā)展的方向。

4　結(jié)論

多臺激勵振動試驗(yàn)代表著振動模擬試驗(yàn)的發(fā)展方向，國內(nèi)外大量試驗(yàn)研究表明，它具有真實(shí)地模擬實(shí)際振動環(huán)境、提高試驗(yàn)的有效性和故障激發(fā)率、縮短試驗(yàn)時間等優(yōu)勢。因此我們有必要對多臺振動試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行一些基礎(chǔ)的試驗(yàn)技術(shù)研究，以發(fā)展內(nèi)外場結(jié)合的振動環(huán)境可靠性鑒定試驗(yàn)新技術(shù)。

圖4　（組合式雙輪拖車）三軸向三臺激勵試驗(yàn)

［1］ GJB 150.16A-2009.軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動試驗(yàn) ［S］.

［2］ MIL-STD-810G-2008，Method 527. ［S］.

［3］ 馮秉初.“3向”環(huán)境振動試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境振動試驗(yàn)的比較［J］.強(qiáng)度與環(huán)境， 2001（2）：33-41.

［4］ 吳家駒， 榮克林. 多維振動環(huán)境試驗(yàn)方法［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2003（4）：27-32.

［5］ 趙保平， 王剛， 高貴福. 多輸入多輸出振動試驗(yàn)應(yīng)用綜述［J］. 2006（3）：25-32.

［6］ 樊世超， 馮咬齊.多維動力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)研究［J］. 航天器環(huán)境工程， 2006（1）：23-28.

彭建蘭（1972.08），女，湖南湘鄉(xiāng)，工程師，碩士，環(huán)境模擬。

田運(yùn)普（1986.09），男，河北，工程師，在讀碩士，環(huán)境模擬。

Some Discussions on Multi-Exciter Vibration Test

PENG Jian-lan， TIAN Yun-pu， WANG Li-juan， LIU Bao-hong
（Huayin Ordnance Test center， Huayin 714200）

This paper discusses applicative conditions and classification， technology principle， test method and application prospect. It points out that it was necessary to develop environmental standard for multi-shaker vibration test， and provides technical supports and knowledge reserves for vibration test at the target range.

environmental test； multi-shaker vibration； control

X593

A

1004-7204（2016）04-0016-04