劉俊連

（北京航天自動控制研究所，北京 100854）

隨機振動篩選試驗是所有航天電子產(chǎn)品在交付前都必須通過的一項試驗，其目的是為了提前激發(fā)產(chǎn)品可能存在的故障，使元器件的早期失效、設(shè)計缺陷和生產(chǎn)工藝缺陷提前暴露，確保交付使用的產(chǎn)品質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定。由于試驗臺、工裝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在實驗過程中構(gòu)成機械傳動環(huán)節(jié)，而每個環(huán)節(jié)的固有諧振頻率不同，因此在標(biāo)準(zhǔn)控制譜輸入的情況下，設(shè)備內(nèi)部每塊模件上不同點的響應(yīng)互不相同，有的甚至超出標(biāo)準(zhǔn)譜X倍量級，造成設(shè)備內(nèi)部某些合格元器件的過考核，使交付產(chǎn)品存在質(zhì)量隱患。所以，在實驗前均需對參試設(shè)備進行摸底試驗，確保設(shè)備內(nèi)部模件上激勵響應(yīng)的振動量級控制在要求范圍內(nèi)。

1 隨機振動的譜形和量級

隨機振動是在寬頻范圍上對產(chǎn)品施加振動，產(chǎn)品上所有的諧振頻率在整個振動時間內(nèi)同時受到激勵，因而能快速激發(fā)潛在的缺陷。GJB1032—1990規(guī)定的隨機振動功率譜密度圖如圖1所示，頻率范圍一般為20～2000Hz，隨機振動的量值一般應(yīng)低于產(chǎn)品環(huán)境鑒定試驗的合格值，這個值對剔除產(chǎn)品的早期故障率最高，且不容易對產(chǎn)品產(chǎn)生疲勞損傷。

圖1 隨機振動功率譜密度圖

圖1是常用標(biāo)準(zhǔn)隨機振動篩選功率譜密度曲線圖，在頻段內(nèi)功率譜密度曲線所圍成的面積，即為施加到振動臺面的能量。圖1中升譜或降譜的斜率是按對數(shù)坐標(biāo)來給出，單位為倍頻程。假設(shè)頻率f1處的功率譜密度為 PSD1，f2處的功率譜密度為 PSD2，則譜值增量為,頻率增量為，由此可得譜線斜率為：

由(1)式可得：

由此可得f1和 f2之間的面積為：

由隨機振動功率譜密度圖，知：

所以，功率譜密度曲線所圍成的面積為：

由于產(chǎn)品中缺陷的析出取決于缺陷處的振動響應(yīng)，而不是取決于振動輸入，因此為了能將產(chǎn)品中的缺陷很好的析出，而又不使敏感、關(guān)鍵的元器件以及好的元器件被損壞，必須先對產(chǎn)品進行摸底試驗，摸清產(chǎn)品對振動輸入的響應(yīng)特性，再根據(jù)響應(yīng)特性來確定振動量值，對產(chǎn)品影響大的頻段，要減少輸入，反之加大輸入，以保證振動輸入的量值大小，既能激發(fā)缺陷，又不損壞產(chǎn)品，從而達到理想的篩選效果。振動篩選的核心是譜形和總量值，確定振動的譜形和總量值是關(guān)鍵，因此，隨機振動篩選需要進行摸底試驗。

2 傳統(tǒng)隨機振動篩選試驗摸底方法

傳統(tǒng)隨機振動篩選試驗摸底方法連接如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)振動試驗圖

圖中設(shè)備內(nèi)有n（n≥1）塊模件板，O1、O2分別為每塊模件的幾何中心，在O1、O2處粘貼傳感器，具體的試驗步驟如下。

（1）選取每塊模件的幾何中心或模件上的關(guān)鍵件、重要件處粘貼1個傳感器。

（3）同時監(jiān)測每塊模件檢測點的激勵響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)譜形修正控制譜，使每塊模件上的激勵響應(yīng)控制在要求的量級內(nèi)，從而確定輸入控制譜。

試驗流程如圖3所示。

圖3 試驗流程

模件上單點的激勵響應(yīng)不能完全反應(yīng)整塊模件的響應(yīng)特性，模件上其他部分存在過考核的可能性。

3 多點極值隨機振動篩選試驗摸底方法

為了避免傳統(tǒng)試驗方法對產(chǎn)品可能造成的過考核，提出了1種基于多點極值反饋的隨機振動篩選試驗摸底方法。該方法是確保設(shè)備內(nèi)各模件上各點的響應(yīng)特性滿足的梯形譜，以每塊模件上的最大振動強度小于6.23g（允許偏差±1.5g）為目標(biāo)，監(jiān)測振動臺面或支架上的功率譜密度，作為控制輸入條件，由此再現(xiàn)設(shè)備內(nèi)各點的振動譜形，達到要求的振動量級，以此輸入功率譜密度作為該設(shè)備隨機振動篩選試驗的條件，試驗連接如圖4所示。

圖4中a～d為在模件n上選取的i個檢測點（受元器件安裝位置的限制，一般i≤5），監(jiān)測i個點的激勵響應(yīng)，得到極值響應(yīng)點，修正輸入控制譜，使每塊板上的極值響應(yīng)點均應(yīng)滿足要求，具體的試驗步驟如下。

（1）在每塊模件上選取檢測點粘貼傳感器。

（3）同時監(jiān)測模件上的i個傳感器的輸出，確定極值響應(yīng)點P，P=max{Pi，i=1,2......}。

（4）按照步驟（1）～（3）的方法，確定該設(shè)備內(nèi)每塊模件的極值點。

（5）在各模件的極值響應(yīng)點粘貼傳感器，按照標(biāo)準(zhǔn)的控制譜施加振動，根據(jù)極值點的響應(yīng)對控制譜進行修正，使每個極值響應(yīng)點的振動量級均滿足要求，形成最終控制譜。

多點極值摸底試驗流程如圖5所示。

圖4 多點極值振動摸底試驗圖

4 試驗數(shù)據(jù)分析

圖5 多點極值摸底試驗流程圖

以下是某型號時序輸出電子設(shè)備在某一方向（Z向）的摸底情況，輸入控制譜和響應(yīng)譜的摸底結(jié)果如圖6、7所示。從圖6可以看出，使用傳統(tǒng)的篩選方法得到的輸入控制譜（量級為6.66805g），施加到某電子設(shè)備上，其某塊模件上幾何中心O點的振動響應(yīng)為7.61266g，滿足設(shè)計要求，在相同控制譜的控制下，同一模件上某一非幾何中心處的振動響應(yīng)為13.883g，該非幾何中心點的響應(yīng)是幾何中心響應(yīng)的1.8倍，其它非幾何中心點的響應(yīng)有可能更大，可能對模件上的元器件造成過應(yīng)力，而用多點極值反饋方法得到的輸入控制譜（6.24985g），作用在相同的電子設(shè)備上，相同模件上任意兩點的振動響應(yīng)分別為5.83054g和6.51857g。響應(yīng)點均滿足應(yīng)力要求，達到了試驗?zāi)康?。由圖6、7可以得到，該方法能夠保證設(shè)備內(nèi)模件上各點的響應(yīng)特性滿足要求。

圖6 傳統(tǒng)方法控制—響應(yīng)譜

5 結(jié)語

圖7 多點極值控制—響應(yīng)譜

本文在傳統(tǒng)的振動篩選的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多點極值反饋篩選振動方法。該方法能夠更全面反映設(shè)備內(nèi)模件上各點的響應(yīng)特性，與傳統(tǒng)的試驗方法相比較，能準(zhǔn)確地確定控制輸入譜，有效避免了設(shè)備過考核的可能，具有較好的參考價值。但是此方法受模件上元器件安裝的限制，這將是下一步研究的重點。