李曉強(qiáng)，黃波，吳豪

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二二研究所，武漢 430079）

引言

國(guó)內(nèi)質(zhì)量問(wèn)題歸零的要求是1996年由航天工業(yè)總公司通過(guò)將幾十年科研生產(chǎn)工作中遇到的質(zhì)量問(wèn)題總結(jié)而來(lái)，其中管理問(wèn)題的五點(diǎn)要求是“過(guò)程清楚、責(zé)任明確、措施落實(shí)、嚴(yán)肅處理、完善規(guī)章”,技術(shù)問(wèn)題的五點(diǎn)要求是“定位準(zhǔn)確、機(jī)理清楚、問(wèn)題復(fù)現(xiàn)、措施有效、舉一反三”[1]。產(chǎn)品的最終質(zhì)量表征實(shí)質(zhì)上是一系列質(zhì)量特性和質(zhì)量管理活動(dòng)在質(zhì)量鏈各環(huán)節(jié)中傳遞、積累和相互作用的整體效應(yīng)[2]。問(wèn)題復(fù)現(xiàn)作為歸零的手段，主要用于驗(yàn)證定位的準(zhǔn)確性和機(jī)理分析的正確性。

本文通過(guò)分析某機(jī)柜在振動(dòng)過(guò)程中低頻傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，著眼于故障歸零活動(dòng)中試驗(yàn)技術(shù)部門涉及到的故障復(fù)現(xiàn)以及質(zhì)量改進(jìn)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)部門提供試驗(yàn)角度的分析和歸納。

1 過(guò)程質(zhì)量管控中故障復(fù)現(xiàn)的背景及意義分析

隨著國(guó)防建設(shè)的大力發(fā)展，對(duì)于電子設(shè)備的要求也愈來(lái)愈嚴(yán)苛。在ISO 9000標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)質(zhì)量的定義為質(zhì)量是一組固有特性滿足要求的程度。質(zhì)量問(wèn)題歸零的責(zé)任主體一般是總體設(shè)計(jì)單位，試驗(yàn)檢測(cè)部門在質(zhì)量問(wèn)題歸零的過(guò)程中參與度不足。隨著各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，這一弊病逐漸顯露，例如在振動(dòng)試驗(yàn)中，產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)部門一般設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)在于電子產(chǎn)品的靜態(tài)性能（結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和部件間的連接強(qiáng)度），容易忽略動(dòng)態(tài)性能，僅把環(huán)境試驗(yàn)作為一種考核驗(yàn)證的手段。在質(zhì)量歸零的過(guò)程中，尤其是故障復(fù)現(xiàn)階段，試驗(yàn)檢測(cè)部門的參與，不僅有利于分析歸納不同試驗(yàn)應(yīng)力施加對(duì)產(chǎn)品造成的影響，而且有助于更快的定位故障模式，為故障復(fù)現(xiàn)提供幫助。

為了評(píng)價(jià)產(chǎn)品在服役過(guò)程中的抗振能力，要通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際環(huán)境對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行考核，在對(duì)電子設(shè)備的抗振性研究中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)起到了主導(dǎo)作用，有助于研究電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性和所處的力學(xué)環(huán)境，從而優(yōu)化模擬實(shí)際工作環(huán)境的試驗(yàn)方案。尤其是振動(dòng)試驗(yàn)的傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)于我所裝備生產(chǎn)部減震器的設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)專業(yè)室電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)以及各個(gè)相關(guān)專業(yè)室的電子器件的結(jié)構(gòu)分析都有著極其重要的作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不僅可以有效的分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，更快的定位產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，也有利于降低研發(fā)成本和相關(guān)試驗(yàn)成本。

2 故障復(fù)現(xiàn)

2.1 故障復(fù)現(xiàn)的管理要求和技術(shù)要求

為確保定位準(zhǔn)確和機(jī)理清楚，原則上都應(yīng)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。在發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，在不影響設(shè)備和人員安全的情況下，應(yīng)保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)并做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，除非故障會(huì)危及受試樣機(jī)安全或樣機(jī)已無(wú)法工作方可切斷故障樣機(jī)電源外，一般應(yīng)讓其以當(dāng)前試驗(yàn)應(yīng)力繼續(xù)試驗(yàn)以便對(duì)故障進(jìn)行觀察，獲得更多的故障信息。質(zhì)量問(wèn)題歸零的責(zé)任主體應(yīng)針對(duì)質(zhì)量問(wèn)題的具體現(xiàn)象和部位及時(shí)組織相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),必要時(shí)應(yīng)由認(rèn)定機(jī)構(gòu)提供鑒定結(jié)果作為旁證。

試驗(yàn)檢測(cè)部門在故障復(fù)現(xiàn)的過(guò)程中需要記錄相關(guān)信息。故障設(shè)備的詳細(xì)信息、故障現(xiàn)象、故障日期和時(shí)刻、發(fā)現(xiàn)時(shí)機(jī)、前次監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)、故障時(shí)所處環(huán)境應(yīng)力（溫度、濕度、電壓、振動(dòng)應(yīng)力、電磁環(huán)境等）。復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)為質(zhì)量考核提供試驗(yàn)環(huán)境，它分為四個(gè)過(guò)程：試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)判據(jù)[3]。其中試驗(yàn)判據(jù)由委托方的輸入文件即試驗(yàn)大綱規(guī)定，在故障發(fā)生時(shí)應(yīng)首先檢查試驗(yàn)條件設(shè)置與試驗(yàn)大綱的要求的一致性，其次試驗(yàn)設(shè)備由試驗(yàn)室的質(zhì)量體系決定，試驗(yàn)檢測(cè)部門應(yīng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中所使用的儀器儀表及試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量確認(rèn)，檢查計(jì)量有效性。試驗(yàn)技術(shù)特別是試驗(yàn)過(guò)程中的“放”、“測(cè)”、“控”的決定因素是環(huán)境試驗(yàn)工程師（人），故障復(fù)現(xiàn)應(yīng)保證試驗(yàn)技術(shù)的可復(fù)現(xiàn)性。

此外環(huán)境條件對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的影響非常大，以前產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為質(zhì)量是產(chǎn)品的固有特性，影響因素主要是設(shè)計(jì)理念、制造水平和工藝質(zhì)量。但是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于性能試驗(yàn)和作戰(zhàn)試驗(yàn)所處的環(huán)境條件有很大的差別，從而表現(xiàn)出不同的質(zhì)量指標(biāo)[4]。

2.2 現(xiàn)象描述

進(jìn)行某型電子機(jī)柜的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)低頻數(shù)據(jù)異常，在振動(dòng)臺(tái)的起始頻率1 Hz放大18.78倍，見圖1，但經(jīng)試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查振動(dòng)狀態(tài)，并無(wú)明顯共振現(xiàn)象，因此判定該數(shù)據(jù)不計(jì)入共振頻率。假如未能有效分析和判斷這一現(xiàn)象，僅通過(guò)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，極有可能發(fā)生欠試驗(yàn)，導(dǎo)致共振點(diǎn)選擇失誤而在低于規(guī)定的量級(jí)進(jìn)行了試驗(yàn)，沒(méi)有達(dá)到振動(dòng)試驗(yàn)的考核效果，無(wú)法暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，給產(chǎn)品的質(zhì)量驗(yàn)證帶來(lái)隱患。此外錯(cuò)誤的共振頻率也會(huì)影響設(shè)計(jì)人員對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定和減震器的選型。因此必須對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)和質(zhì)量改進(jìn)。

圖1 傳遞函數(shù)低頻數(shù)據(jù)異常示意圖

2.3 故障診斷

首先通過(guò)試驗(yàn)技術(shù)中的“放”、“測(cè)”、“控”三個(gè)方面進(jìn)行診斷檢查。

“控”，即排除振動(dòng)臺(tái)本身控制輸出對(duì)測(cè)試造成的影響。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)空載運(yùn)行白噪聲程序，檢查臺(tái)體的自相關(guān)性。由圖2可以得出的結(jié)論是：振動(dòng)臺(tái)的自相關(guān)性在1~60 Hz范圍內(nèi)趨近于1，即臺(tái)體的控制輸出滿足要求，符合試驗(yàn)要求。

圖2 振動(dòng)臺(tái)在四個(gè)自由度上的自相關(guān)性

“測(cè)”，即檢查線纜連接情況。為防止加速度傳感器的連接電纜產(chǎn)生拍打和彎折作用對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，傳感器電纜的安裝均會(huì)采用膠帶粘貼在安裝面上。并且電纜信號(hào)傳輸不良的時(shí)候，曲線會(huì)有中斷或者控制儀會(huì)有過(guò)載的報(bào)警，可在測(cè)試過(guò)程中觀測(cè)定位到，因此該項(xiàng)不是造成低頻信號(hào)異常的原因。

“放”，即檢查傳感器的固定安裝方式。常用的傳感器安裝方式包括蜂蠟或者熱熔膠、雙面膠固定、粘接劑固定和螺栓連接，試驗(yàn)室在低頻振動(dòng)環(huán)境下，采用的是雙面膠的固定安裝方式，他們的頻響特性如圖3所示，在低頻狀態(tài)下不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。

圖3 不同固定方式對(duì)傳遞函數(shù)的影響

為驗(yàn)證該頻點(diǎn)的異常振動(dòng)是否真實(shí)存在，在進(jìn)行電子設(shè)備試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)采集到低頻異常數(shù)據(jù)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)在該頻率點(diǎn)駐留進(jìn)行定頻試驗(yàn)，目測(cè)被測(cè)件的振動(dòng)劇烈程度，并未發(fā)現(xiàn)顯著的共振現(xiàn)象。

排除以上常規(guī)試驗(yàn)技術(shù)的影響因素后，需要進(jìn)一步分析研究處理手段和外部環(huán)境，即重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)處理的合理性和環(huán)境噪聲的干擾對(duì)信號(hào)的影響。

2.4 故障定位

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中用到的數(shù)據(jù)處理手段為FFT變換，當(dāng)信號(hào)中存在直流分量時(shí)，經(jīng)過(guò)FFT變換的信號(hào)會(huì)在0頻附近幅值很大，而我們常做的艦船振動(dòng)條件（1~16 Hz 1 mm位移）在1 Hz時(shí)，加速度為a=0.04Af2=0.04*1*12=0.04 m/s2=0.004 g，由于該信號(hào)很小，當(dāng)軟件的分辨率設(shè)置較低時(shí)，直流分量在低頻范圍內(nèi)的跨度變大，很容易覆蓋實(shí)際振動(dòng)臺(tái)的加速度信號(hào)，從而導(dǎo)致圖1所示的圖譜。

此外，由地回路和靜電場(chǎng)、電磁感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題是振動(dòng)測(cè)量信號(hào)中普遍存在的，包括電容耦合噪聲、磁場(chǎng)耦合噪聲、電流耦合噪聲[5]。

電子設(shè)備采用的電插頭上的兩根針相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，屏蔽不好的話會(huì)造成電容耦合噪聲，并且某一根針通有交流電時(shí)，他周圍會(huì)存在磁場(chǎng)，從而引入磁場(chǎng)耦合噪聲，此外信號(hào)電流和它的電流應(yīng)用公共通路中的任何阻抗都會(huì)形成非信號(hào)電流，又作為另外一個(gè)交流激勵(lì)源的低端時(shí)，其公共電阻會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)交流分量，引入電流耦合噪聲。

當(dāng)進(jìn)行低頻振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)量級(jí)僅有0.004 g，當(dāng)以上三類噪聲大于該振動(dòng)量級(jí)時(shí)，會(huì)覆蓋掉振動(dòng)信號(hào)，從而在低頻段采集到的噪聲數(shù)據(jù)，而非振動(dòng)數(shù)據(jù)。

綜上所述，數(shù)據(jù)處理不合理以及環(huán)境噪聲干擾是造成低頻數(shù)據(jù)異常的影響因素。

2.5 質(zhì)量改進(jìn)措施

針對(duì)數(shù)據(jù)處理不合理的改進(jìn)手段為：更換為直流分量影響較小的傳感器，改變譜線數(shù)和分析帶寬的設(shè)置（頻率的設(shè)置要覆蓋試驗(yàn)頻率60 Hz），將分辨率控制在0.5 Hz以內(nèi)。

傳感器的靈敏度數(shù)值越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但是產(chǎn)生的電壓越大，在振動(dòng)信號(hào)劇烈時(shí)，電壓信號(hào)會(huì)超出控制儀的輸入電壓信號(hào)的允許值。由于沖擊測(cè)量和機(jī)載振動(dòng)試驗(yàn)主要集中在中高頻，且振動(dòng)量級(jí)比較大，大靈敏度的傳感器會(huì)使得控制儀的輸入電壓過(guò)載，因此推薦使用靈敏度在10 mV/g的傳感器，而艦載振動(dòng)試驗(yàn)主要集中在中低頻，需要在中低頻具有相對(duì)好的抗干擾性，推薦使用靈敏度在100 mV/g的傳感器。

對(duì)于譜線數(shù)和分析帶寬的設(shè)置，例如常見的振動(dòng)頻率為1~60 Hz的艦船振動(dòng)試驗(yàn)[6]，頻率帶寬設(shè)置為100 Hz，譜線數(shù)設(shè)置為400，這樣分辨率為0.25 Hz，可以有效的降低直流分量的頻率跨度。

上述改進(jìn)手段實(shí)施后，我們對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，可以對(duì)直流分量引起的低頻異常數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，且經(jīng)過(guò)以上操作后，可以控制直流分量在0.5 Hz以內(nèi)，對(duì)1 Hz以上的信號(hào)干擾小。

針對(duì)環(huán)境噪聲干擾的改進(jìn)手段為：對(duì)電容噪聲的屏蔽，確保信號(hào)線是屏蔽線，并用屏蔽連接的方法接到放大器的公共輸入端。對(duì)磁耦合的屏蔽，將傳感器附近的電纜盡可能拉直，不要打圈，降低引入的電壓，也可以將載有電流的導(dǎo)線往返兩股緊緊的絞合在一起，相當(dāng)于將靠的很近的正反兩個(gè)電磁場(chǎng)互相抵消，減少了總的與導(dǎo)線耦合的磁力線數(shù)，從而大大降低磁耦合的影響。

對(duì)電流耦合的影響，如圖4所示，左邊虛線方框內(nèi)的傳感器系統(tǒng)直接粘貼在接地的電子設(shè)備上后，會(huì)在接地端1經(jīng)過(guò)Rc到接地端2，然后經(jīng)過(guò)eg和Rg回到接地端1形成地回路，從而把地回路電流耦合到信號(hào)線的高端，進(jìn)入放大器。因此通過(guò)斷開A、B、C，讓系統(tǒng)只在一點(diǎn)接地，就可以克服地回路的影響。因此固定傳感器時(shí)，通過(guò)絕緣片（環(huán)氧板）粘貼在電子設(shè)備上，就可以較為有效的降低電流耦合的影響。在進(jìn)一步跟蹤以上的實(shí)施效果，發(fā)現(xiàn)可以降低大多數(shù)的噪聲干擾，滿足要求。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)多點(diǎn)接地造成的地回路

3 不足及展望

質(zhì)量的反饋與改進(jìn)涵蓋了產(chǎn)品的全壽命周期，質(zhì)量問(wèn)題不僅涉及到技術(shù)層面（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用、加工工藝等），而且涵蓋了管理層面（評(píng)審專家組成員構(gòu)成、評(píng)審責(zé)任等）。本文針對(duì)具體案例進(jìn)行了質(zhì)量問(wèn)題歸零活動(dòng)中故障復(fù)現(xiàn)方面的研究，對(duì)于質(zhì)量問(wèn)題歸零的其他方面的研究沒(méi)有展開，此外關(guān)于多應(yīng)力場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的影響分析涉及不夠深入，因此多應(yīng)力場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的影響及復(fù)現(xiàn)是下一步的研究方向。