陳路加，潘占，侯守武

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，合肥 230088）

引言

機(jī)載雷達(dá)組件是雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)射和接收的核心部件。為降低雷達(dá)組件生命周期費(fèi)用，依據(jù)相應(yīng)產(chǎn)品規(guī)范開展綜合應(yīng)力拷機(jī)試驗(yàn)，以保證雷達(dá)組件，剔除早期失效，穩(wěn)定其可靠性。經(jīng)歷綜合應(yīng)力試驗(yàn)篩選后，對(duì)有著集成度高、熱集中、器件品種多等重要特性的雷達(dá)組件的可靠性有很大提升[1-3]。綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面作為實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素，根據(jù)國(guó)標(biāo)和組件使用條件確定。綜合應(yīng)力試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)一方面需滿足批量組件試驗(yàn)進(jìn)度要求，同時(shí)需要保證應(yīng)力試驗(yàn)剖面的有效傳遞，其一階共振頻率是衡量其設(shè)計(jì)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)[4]。

1 試驗(yàn)情況及故障現(xiàn)象

試驗(yàn)用的雷達(dá)組件綜合應(yīng)力試驗(yàn)夾具共有36個(gè)組件安裝接口，其中左右側(cè)各18個(gè)，分為上下兩組。每個(gè)組件通過導(dǎo)引結(jié)構(gòu)插在試驗(yàn)夾具上，組件兩側(cè)的楔形鎖緊器擰緊后固定在試驗(yàn)夾具支架上；組件中部的楔形鎖緊器使其中9個(gè)組件形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，組件試驗(yàn)的狀態(tài)示意圖如圖1所。

圖1 組件試驗(yàn)的狀態(tài)示意圖

綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)條件：組件綜合應(yīng)力試驗(yàn)，包括溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力，由于溫度應(yīng)力和電應(yīng)力并不是本次關(guān)注的對(duì)象，且在同一振動(dòng)時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)應(yīng)力剖面不變，所以試驗(yàn)中僅考慮振動(dòng)應(yīng)力，綜合應(yīng)力試驗(yàn)的振動(dòng)應(yīng)力譜見圖2。

在綜合應(yīng)力試驗(yàn)裝夾過程中，為保證被試驗(yàn)組件狀態(tài)均勻，安裝時(shí)按順序均勻緊固所有楔形鎖緊器。試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，逐步出現(xiàn)了蓋板磨損、組件助拔器斷裂和蓋板磨穿的現(xiàn)象，見圖3所示。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，振動(dòng)響應(yīng)超范圍的表現(xiàn)越來(lái)越明顯，夾具也出現(xiàn)了支耳斷裂和支架振裂的結(jié)構(gòu)故障。這種強(qiáng)烈的夾具結(jié)構(gòu)件損壞在前期多次常規(guī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中從未出現(xiàn)相關(guān)征兆和跡象，只在這次綜合應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過程中逐步出現(xiàn)。 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)故障如圖4所示。

2 故障原因分析

為了分析綜合應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)故障原因，在組件安裝完成后，在試驗(yàn)振動(dòng)夾具上布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)振動(dòng)響應(yīng)，如圖5所示。由于傳感器限制，在a1、a2、b1、b2、c1安裝三向傳感器，在c2、e1、e2安裝單向傳感器，單向傳感器監(jiān)測(cè)方向?yàn)樨Q直方向（y向）。因此后續(xù)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果對(duì)比中，a1、a2、b1、b2、c1五個(gè)點(diǎn)有三個(gè)方向的測(cè)試數(shù)據(jù)，c2、e1、e2三個(gè)點(diǎn)僅有豎直方向（y向）的測(cè)試數(shù)據(jù)。

左側(cè)組件共布置有四個(gè)測(cè)點(diǎn)，自下而上編號(hào)依次為a1、b1、c1、e1，分別布置在左側(cè)第18行、第15行、第10行和第1行組件的中點(diǎn)位置。各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的通道編號(hào)為 a1 (1,3,2)，b1 (7,17,8)，c1 (21,22,23)，e1 (26)。各點(diǎn)豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)均遠(yuǎn)大于水平和法向的振動(dòng)響應(yīng)，左側(cè)組件振動(dòng)響應(yīng)先減小后增大，最底部（左側(cè)第18行）組件中點(diǎn)處豎直方向振動(dòng)響應(yīng)最大，為41 g。

右側(cè)組件共布置有四個(gè)測(cè)點(diǎn)，自下而上依次為a2、b2、c2、e2，分別布置在右側(cè)第18行、第15行、第10行和第1行組件的中點(diǎn)位置。各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的通道編號(hào)分別為 a2 (4,6,5)，b2 (18,20,19)，c2 (25)，e2 (27)。右側(cè)組件振動(dòng)響應(yīng)與左側(cè)相似，先減小后增大，最底部（右側(cè)第18行）組件中點(diǎn)處豎直方向振動(dòng)響應(yīng)最大，為19 g。

圖2 綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力譜

圖3 組件結(jié)構(gòu)故障表現(xiàn)

圖4 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)故障表現(xiàn)

圖5 組件振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)

根據(jù)測(cè)試的響應(yīng)結(jié)果，出現(xiàn)了明顯的超范圍響應(yīng)，為了判定振動(dòng)夾具的疲勞損傷是否因?yàn)槠湟浑A共振頻率與綜合應(yīng)力條件重疊，現(xiàn)場(chǎng)采集了白噪聲和綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，白噪聲條件如表1所示。

在白噪聲和綜合應(yīng)力條件激勵(lì)下，組件處測(cè)得的響應(yīng)值如圖6和圖7所示。

可得出白噪聲測(cè)試結(jié)果，左列最大響應(yīng)位于106 Hz附近，右列最大響應(yīng)位于124 Hz附近。由此看出，此振動(dòng)夾具的一階共振頻率已經(jīng)下降至綜合應(yīng)力試驗(yàn)的窄帶激勵(lì)中心108 Hz±10 %范圍內(nèi)或其附近。在綜合應(yīng)力振動(dòng)條件的激勵(lì)下，組件處測(cè)得的響應(yīng)值左列振動(dòng)響應(yīng)均方根值為12.79～41.59 g，右列振動(dòng)響應(yīng)均方根值為14.19～25.19 g。響應(yīng)值明顯超出了常規(guī)響應(yīng)值。綜上可得出，振動(dòng)夾具在綜合應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生了明顯的一階共振頻率下的共振。

表1 白噪聲激勵(lì)條件

圖6 振動(dòng)夾具裝夾組件在白噪聲激勵(lì)下響應(yīng)

圖7 振動(dòng)夾具裝夾組件在綜合應(yīng)力激勵(lì)下響應(yīng)

圖8 立柱安裝法蘭斷裂

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)表現(xiàn)故障的振動(dòng)夾具進(jìn)行拆解，維修松動(dòng)和疲勞損傷的位置。在拆卸的過程中可以發(fā)現(xiàn)，支架與立柱的安裝螺釘有松動(dòng)；組件兩側(cè)鎖緊器連接螺釘在試驗(yàn)過程中和檢查過程中發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)和脫落；最嚴(yán)重的情況是，在立柱進(jìn)行拆解的過程中，發(fā)現(xiàn)立柱與振動(dòng)夾具骨架連接的安裝法蘭發(fā)生斷裂（見圖8）。都是強(qiáng)烈一階共振頻率下共振的明顯表象。

3 振動(dòng)夾具優(yōu)化

為了解決振動(dòng)夾具一階共振頻率與綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)激勵(lì)頻率重疊的問題，采用增強(qiáng)夾具的剛度，提升夾具固有頻率的方法避開共振點(diǎn)?；诮Y(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)識(shí)別技術(shù)，在振動(dòng)夾具組件裝夾列的上中下都加裝支撐架，使分成上下兩個(gè)部分的組件在裝夾時(shí)能夠形成一個(gè)整體，并通過支撐架和振動(dòng)夾具骨架相連，增強(qiáng)剛度；同時(shí)，加厚立柱增強(qiáng)其剛性。改進(jìn)后裝夾形式如圖9所示。

利用改進(jìn)后的振動(dòng)夾具作為夾具繼續(xù)進(jìn)行綜合應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)前，為了驗(yàn)證維修后振動(dòng)夾具固有頻率的提升，在白噪聲和綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)的激勵(lì)下測(cè)試振動(dòng)夾具的振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如圖10和圖11所示。

由上面振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果得出，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的最大響應(yīng)頻率分別為155 Hz與165 Hz，有效避開了108 Hz±5 %和216 Hz±10 %尖峰帶寬，左側(cè)振動(dòng)響應(yīng)均方根值為8.51～11.95 g，右側(cè)振動(dòng)響應(yīng)均方根值為7.78～12.35 g，在正常響應(yīng)范圍內(nèi)。

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，組件蓋板磨損的情況基本解決，只有少數(shù)因?yàn)檠b夾原因發(fā)生輕微磨損（見圖12）。組件結(jié)構(gòu)件損壞的情況也很少出現(xiàn)。振動(dòng)夾具改進(jìn)效果滿足綜合應(yīng)力試驗(yàn)需求。

圖9 振動(dòng)夾具加裝支撐架

圖10 在白噪聲激勵(lì)下振動(dòng)夾具裝夾組件響應(yīng)

圖11 在綜合應(yīng)力試驗(yàn)條件激勵(lì)下振動(dòng)夾具裝夾組件響應(yīng)

圖12 改進(jìn)后組件蓋板磨損情況

后期試驗(yàn)中，為了檢測(cè)組件上的振動(dòng)響應(yīng)、避免過試驗(yàn)情況的發(fā)生，按照上述排布點(diǎn)安裝檢測(cè)點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件振動(dòng)響應(yīng)，避免經(jīng)歷長(zhǎng)期振動(dòng)后夾具一階共振頻率下降或裝夾方式不合理造成的響應(yīng)頻率與激勵(lì)共振的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

原始振動(dòng)夾具存在一階共振頻率與綜合應(yīng)力試驗(yàn)振動(dòng)激勵(lì)頻率共振現(xiàn)象，原始振動(dòng)夾具存在裝夾結(jié)構(gòu)剛性不足以及固有頻率與加載綜合應(yīng)力激勵(lì)頻率接近的問題。利用基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)識(shí)別的剛度改進(jìn)技術(shù)，在振動(dòng)夾具的局部區(qū)域增加支撐筋板，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件剛性，提高了整體結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開振動(dòng)激勵(lì)條件中的窄帶，降低高能量頻帶內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)；同時(shí)，綜合應(yīng)力環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，周期性監(jiān)測(cè)組件上典型測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，解決了綜合應(yīng)力試驗(yàn)中的組件一階固有頻率下共振造成的殼體損害問題。