張 威， 劉隆波， 聞華殿， 張 衍， 劉震濤

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310007; 2.92942部隊(duì),北京 100161)

艦載機(jī)電裝備(如艦船輔機(jī)海水泵、啟動(dòng)電機(jī)等)在船載環(huán)境下，受到的主要載荷是振動(dòng)和搖擺的復(fù)合作用。以海水泵為例，振動(dòng)載荷由輔機(jī)(柴油機(jī))工作時(shí)產(chǎn)生。對(duì)于一般的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其表面振動(dòng)加速度可達(dá)15g～30g[1]；搖擺載荷則由海面波動(dòng)引發(fā)，較惡劣的海況下，船體的橫搖角度可達(dá)到±40°[2]。由此可見，振動(dòng)、搖擺載荷對(duì)船載機(jī)電設(shè)備的可靠性存在不可忽略的影響。

對(duì)于機(jī)電裝備可靠性研究的主要手段包括仿真分析和試驗(yàn)研究兩種，艦船實(shí)際工作環(huán)境下的試驗(yàn)研究可以真實(shí)、有效地對(duì)機(jī)電裝備的可靠性進(jìn)行評(píng)估，但是其周期和成本代價(jià)高昂，并且無法實(shí)現(xiàn)加速及強(qiáng)化試驗(yàn)，因此模擬試驗(yàn)技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟(jì)的評(píng)估手段。目前對(duì)于船載機(jī)電裝備的模擬試驗(yàn)，由于試驗(yàn)裝備、試驗(yàn)方法的限制，往往通過簡(jiǎn)化載荷形式，側(cè)重單一載荷，如只進(jìn)行振動(dòng)載荷下的試驗(yàn)而忽略搖擺載荷、或者反之只進(jìn)行搖擺試驗(yàn)。而對(duì)于振動(dòng)、搖擺載荷同時(shí)施加時(shí)的可靠性模擬試驗(yàn)技術(shù)，則鮮見報(bào)道。本文的主要工作是對(duì)現(xiàn)有的艦船機(jī)電裝備可靠性模擬試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析梳理，為系統(tǒng)開展振動(dòng)搖擺一體化試驗(yàn)技術(shù)研究提供指導(dǎo)。

1 振動(dòng)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

開展模擬試驗(yàn)是機(jī)電裝備在可靠性評(píng)估時(shí)較常用的手段之一，本章節(jié)只考慮進(jìn)行振動(dòng)模擬試驗(yàn)作為研究振動(dòng)載荷對(duì)機(jī)電裝備的影響的研究手段。振動(dòng)模擬試驗(yàn)用于模擬各類產(chǎn)品在運(yùn)輸、執(zhí)行工作過程中所遭遇的振動(dòng)環(huán)境，鑒定產(chǎn)品承受振動(dòng)環(huán)境的能力，檢測(cè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的耐振性、可靠性和完好性。在進(jìn)行船載機(jī)電裝備的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，可以通過模擬裝備在實(shí)際工作環(huán)境下受到的振動(dòng)載荷，復(fù)現(xiàn)裝備真實(shí)的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、振動(dòng)加速度，以此完成振動(dòng)模擬。以海水泵為例，在其工作時(shí)會(huì)受到輔機(jī)(柴油機(jī))產(chǎn)生的振動(dòng)載荷的影響，可通過模擬試驗(yàn)的手段，將振動(dòng)載荷等效施加在模擬試驗(yàn)臺(tái)上，通過模擬試驗(yàn)臺(tái)完成對(duì)泵可靠性的考察。

目前，相關(guān)試驗(yàn)裝備的研發(fā)已較成熟，根據(jù)試驗(yàn)需求還可以選擇不同的結(jié)構(gòu)。此外，振動(dòng)載荷施加時(shí)涉及的控制算法也較為成熟，各領(lǐng)域制定的振動(dòng)試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)文件可用于整體試驗(yàn)的指導(dǎo)，可見機(jī)電裝備的振動(dòng)模擬技術(shù)已相對(duì)完善。

1.1 振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可大致分為機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電磁式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)三大類。

1.1.1 機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)

機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)，特點(diǎn)為主要靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)。依托復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)桿產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)臺(tái)面產(chǎn)生振動(dòng)，結(jié)構(gòu)上主要有不平衡重塊式和凸輪式兩類。目前開發(fā)較多的是凸輪結(jié)構(gòu)。吳雁等[3]發(fā)明了一種基于凸輪機(jī)構(gòu)的三向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。利用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軌跡槽內(nèi)的從動(dòng)導(dǎo)桿帶動(dòng)輔助振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生X、Y、Z三向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？赏ㄟ^更換不同類型的凸輪軌跡槽的圓柱凸輪，實(shí)現(xiàn)不同類型的振動(dòng)軌跡。李研彪等[4]研制了一種三自由度振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)，其振動(dòng)臺(tái)面鉸支在三個(gè)支鏈上，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三個(gè)支鏈進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，形成三自由度的振動(dòng)，如圖2所示。

圖1 一種基于凸輪機(jī)構(gòu)的三向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 A three-way vibration testing machine based on a CAM mechanism

1/10-連桿；2/7/11-定長桿；3/12-移動(dòng)滑塊；4/14-導(dǎo)向桿；5/8/13-滾珠絲桿螺母副；6/9/15-伺服電機(jī)；16/17-動(dòng)連桿圖2 三自由度振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 A vibration environment test platform with three degrees of freedom

一般的不平衡重塊式和凸輪式振動(dòng)臺(tái)，都無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)。王慶杰等[5]發(fā)明了一種利用球形滾子撞擊的隨機(jī)振動(dòng)式試驗(yàn)臺(tái)，球形滾子由旋轉(zhuǎn)的扇葉撥動(dòng)，扇葉則由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其振動(dòng)臺(tái)面通過彈簧與支架連接，通過旋轉(zhuǎn)扇葉撞擊球形滾子，使球形滾子在激振裝置內(nèi)隨機(jī)不規(guī)則地撞擊傳力導(dǎo)桿，產(chǎn)生隨機(jī)不平衡慣性力作用于振動(dòng)臺(tái)面，從而產(chǎn)生各方向上的隨機(jī)振動(dòng)，如圖3所示。

1/4-彈簧；2-擋板；3/9/10-電動(dòng)機(jī)；5-振動(dòng)平臺(tái)；6/8激振裝置；7-激振裝置固定架；8-X方向激振裝置；11-支架圖3 一種隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 A random vibration test bench

機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)的功能往往需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，且其性能不高，在今后的開發(fā)使用上會(huì)越來越少。

1.1.2 電磁式振動(dòng)臺(tái)

電磁式振動(dòng)臺(tái)根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，當(dāng)通以交變電流的導(dǎo)體處在恒定磁場(chǎng)中將受到交變力的作用從而發(fā)生振動(dòng)。將激勵(lì)線圈置于一個(gè)高磁感應(yīng)強(qiáng)度的空隙中，由信號(hào)發(fā)生器或振動(dòng)控制器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)功率放大器放大后通到激勵(lì)線圈上，使得振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生需要的振動(dòng)波形。李真兵[6]發(fā)明了一種三層的電磁振動(dòng)臺(tái)，每層提供一個(gè)方向的振動(dòng)，可單獨(dú)施加亦可同時(shí)施加，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1/2-電磁組件；3-支撐底座；4-連接柱；5/11/13-支撐板；6/9-彈片；7-磁板；8/12-連接板；10-安裝板圖4 一種三層結(jié)構(gòu)的電磁式振動(dòng)臺(tái)Fig.4 An electromagnetic vibrating table of three-layer structure

1.1.3 電液式振動(dòng)臺(tái)

電液式振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)試驗(yàn)的常用設(shè)備之一，采用電液伺服閥，通過液壓控制傳動(dòng)裝置產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)。輸入的電控信號(hào)經(jīng)放大器放大進(jìn)入伺服閥，伺服閥把與輸入信號(hào)成比例的液壓油輸入液壓缸，以驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)臺(tái)面振動(dòng)。電液振動(dòng)臺(tái)能產(chǎn)生很大的激振力和速度，而且在低頻的時(shí)候可以得到很大的激振力。

武永星等[7]研制了一種三軸振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，通過在臺(tái)面下方X、Y方向設(shè)置滑槽并與導(dǎo)軌配合，Z向設(shè)置多根阻尼導(dǎo)向柱，由伺服閥控制液壓缸，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)。在國外，電液式振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用更早，在1979年就已被用來進(jìn)行整車振動(dòng)試驗(yàn)[8]。

1-壓裝槽；2/3/8-工作臺(tái)；4/10-作動(dòng)器；5/9-靜壓支撐突起；6/11-導(dǎo)軌；7-底座圖5 一種電液式三軸振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 An electro-hydraulic triaxial vibration fatigue test bed

1.2 振動(dòng)模擬試驗(yàn)控制技術(shù)

目前對(duì)控制系統(tǒng)依賴較大的振動(dòng)試驗(yàn)主要有正弦振動(dòng)試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)以及時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)，分定頻和掃頻試驗(yàn)，其一般控制邏輯如圖6所示[9]。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，一般以功率譜密度定義振動(dòng)條件，考核受試對(duì)象整體性結(jié)構(gòu)耐振動(dòng)強(qiáng)度或模擬其在包裝狀態(tài)下的運(yùn)輸環(huán)境。但其實(shí)質(zhì)上是一種寬帶隨機(jī)振動(dòng)，無法復(fù)現(xiàn)真實(shí)的振動(dòng)波形，為此提出時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)，旨在復(fù)現(xiàn)出目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域波形，該目標(biāo)信號(hào)通常通過數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生或直接采集得到，因此也稱路譜仿真實(shí)驗(yàn)，可在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)設(shè)備真實(shí)經(jīng)歷的振動(dòng)環(huán)境。

圖6 正弦振動(dòng)試驗(yàn)控制邏輯Fig.6 Control logic of sinusoidal vibration test

時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)控制方式主要分為三種方式:一是基于頻域的控制方式;二是基于時(shí)域的控制方式;三是基于頻域和幅值域的控制方式。基于頻域的控制方式采用頻譜均衡的控制算法，同時(shí)作為一種閉環(huán)振動(dòng)控制方式，也應(yīng)用于一般的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，原理圖如圖7所示；基于時(shí)域的控制方式的基本思想是在試驗(yàn)室中嚴(yán)格地復(fù)現(xiàn)采集到的時(shí)間歷程，這種控制方式能夠準(zhǔn)確模擬非平穩(wěn)隨機(jī)過程，對(duì)被試件激振點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)的線性程度要求較低，復(fù)現(xiàn)比較直觀，是最精確的模擬方法，最具代表性的方法是迭代控制方式，原理圖如圖8所示；基于頻域和幅值域的控制方式，是將相同功率譜下不同的時(shí)域波形的差別用峭度和偏斜度兩個(gè)指標(biāo)來表示，以此復(fù)現(xiàn)具有不同峭度和偏斜度的時(shí)域波形[10]。

圖7 頻譜均衡控制算法控制邏輯Fig.7 Spectrum equalization control algorithm control logic

圖8 迭代控制算法控制邏輯Fig.8 The iterative control algorithm controls the logic

1.3 裝備在振動(dòng)載荷下的模擬試驗(yàn)方法

目前，在多個(gè)領(lǐng)域都制定過對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)的方法類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)的開展具有指導(dǎo)意義。

JIS D 1601—1995《汽車零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法》[11]提出了用于汽車零件的振動(dòng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法分為共振點(diǎn)檢測(cè)試驗(yàn)、振動(dòng)性能試驗(yàn)、振動(dòng)耐久試驗(yàn)、掃描振動(dòng)耐久試驗(yàn)四類，并將振動(dòng)條件按汽車種類和按安裝狀態(tài)分類。根據(jù)零件的安裝狀態(tài)，按順序施加上下、左右、前后垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。試驗(yàn)分為共振點(diǎn)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)性能試驗(yàn)、振動(dòng)耐久試驗(yàn)、掃描振動(dòng)耐久試驗(yàn)四個(gè)階段。

GJB 4.7—1983《艦船電子設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)——振動(dòng)試驗(yàn)》[12]提出了用于艦船電子設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)方法。根據(jù)不同的振動(dòng)頻率將艦船分為幾個(gè)區(qū)域，建立不同分區(qū)的振動(dòng)模型。利用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)艦船電子設(shè)備施加不同方向的載荷，復(fù)現(xiàn)裝備實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)環(huán)境。試驗(yàn)分為共振檢查、穩(wěn)定性試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)。

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(dòng)試驗(yàn)》[13]提出了對(duì)于軍用水面船的振動(dòng)試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法將船的振動(dòng)表示為由周期分量和隨機(jī)分量組成的復(fù)雜函數(shù)，其中周期分量由設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生，隨機(jī)分量受海況等自然因素影響。將船的振動(dòng)分解為正弦部分和隨機(jī)部分，分別施加。該試驗(yàn)方法分別規(guī)定了正弦振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)頻率、振動(dòng)位移和振動(dòng)加速度，以及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)加速度譜密度和(對(duì)數(shù))頻率。

TBT 2846—1997《鐵路地面信號(hào)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)方法》[14]提出了用于鐵路地面信號(hào)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)方法。根據(jù)給予產(chǎn)品的振動(dòng)量值的大小，將產(chǎn)品歸為4類。分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行共振試驗(yàn)、振動(dòng)性能試驗(yàn)、振動(dòng)耐久試驗(yàn)。根據(jù)試件的安裝狀態(tài)，從三個(gè)相互垂直的軸線上給以單向振動(dòng)，使試件按給定的加速度及位移振動(dòng)。

2 搖擺模擬試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

本章只考慮進(jìn)行搖擺振動(dòng)模擬試驗(yàn)作為研究搖擺載荷對(duì)機(jī)電裝備的影響的研究手段。搖擺模擬試驗(yàn)適用于考察試驗(yàn)對(duì)象在搖擺環(huán)境下的工作穩(wěn)定性和可靠性，一般用于模擬設(shè)備在工作時(shí)經(jīng)歷的各種搖擺環(huán)境。在進(jìn)行船載機(jī)電裝備的搖擺試驗(yàn)時(shí)，模擬裝備在船載環(huán)境下受到的搖擺載荷，復(fù)現(xiàn)實(shí)船航行時(shí)的搖擺角度、搖擺周期，以此完成搖擺模擬。以海水泵為例，在艦船航行時(shí)受風(fēng)浪作用使船體發(fā)生周期搖晃和顛簸，這種船體的搖擺作用在泵體上，使泵體承受交變的力載荷。而進(jìn)行實(shí)船測(cè)試成本高、效率低，因此可以將海水泵固定在試驗(yàn)臺(tái)上，使試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生等效的搖擺，對(duì)海水泵進(jìn)行可靠性評(píng)估。

目前國內(nèi)外已研發(fā)了多種搖擺試驗(yàn)臺(tái)，并就不同的搖擺試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其控制算法也進(jìn)行過研究。同時(shí)，各領(lǐng)域制定的搖擺試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)文件可用于整體試驗(yàn)的指導(dǎo)。

2.1 搖擺模擬試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

以船舶搖擺試驗(yàn)臺(tái)為例，其主要是用來復(fù)現(xiàn)船舶在水面上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為船載機(jī)電裝備提供模擬工作環(huán)境，該環(huán)境主要為船舶航行時(shí)由于風(fēng)浪產(chǎn)生的搖擺工作環(huán)境。船舶搖擺包括橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩六種，針對(duì)其中影響較大的橫搖、縱搖、垂蕩三種搖擺載荷，有下列幾種搖擺試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式分為電液式搖擺臺(tái)和電動(dòng)式搖擺臺(tái)兩大類。

2.1.1 電液式搖擺臺(tái)

電液式振動(dòng)臺(tái)采用液壓缸作為其主要驅(qū)動(dòng)裝置，通過液壓缸活塞的周期性伸縮實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)面的擺動(dòng)。該結(jié)構(gòu)最為典型的是Stewart機(jī)構(gòu)[15]，它是由英國工程師Stewart作為一種六軸并聯(lián)式空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出，用于飛行試驗(yàn)的模擬駕駛艙。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又穩(wěn)定，承載能力強(qiáng)，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，常見的Stewart機(jī)構(gòu)如圖9所示。

圖9 Stewart機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Stewart organization schematic

波音公司將小型的Stewart結(jié)構(gòu)用于座椅上，模擬其在飛行運(yùn)動(dòng)中的姿態(tài)，以此替代大型的飛行模擬器[16]。該機(jī)構(gòu)由6根伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過控制液壓缸伸縮量來精確控制座椅的空間位置，從而模擬飛行姿態(tài)，如圖10所示。

圖10 模擬飛行姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)Fig.10 Motion platform for simulating flight movements

在Stewart結(jié)構(gòu)出現(xiàn)之后，以該結(jié)構(gòu)為原型開發(fā)優(yōu)化，得到了一系列多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的搖擺試驗(yàn)臺(tái)，比較具有代表性的有三支撐的并聯(lián)機(jī)構(gòu)搖擺試驗(yàn)臺(tái)，如三自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11(a)所示。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)由3支RCS鏈連接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)，分支等效于RPS支鏈，該機(jī)構(gòu)的各分支結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。三個(gè)伸縮支撐桿的伸縮運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)自由度的移動(dòng)。哈爾濱工程大學(xué)以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種直角三缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)搖擺試驗(yàn)臺(tái)，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬艦船在水中的搖擺和運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、承載能力大以及可移動(dòng)性好等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖11(b)所示[17]。

Tempel等[20]用了不同的思路，將Stewart機(jī)構(gòu)用作船體的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，發(fā)明了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，如圖12所示。該平臺(tái)包含六個(gè)自由度，利用傳感器監(jiān)測(cè)平臺(tái)附近區(qū)域各自由度上的實(shí)時(shí)動(dòng)作，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)——液壓缸來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，抑制平臺(tái)對(duì)地的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)可以保持對(duì)地水平。

1-搭載平臺(tái)；2-蓄電池；3-壓縮機(jī)；4-水管；5/6/7/8-液壓缸圖12 船體運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償平臺(tái)Fig.12 Vessel motion compensation platform

2.1.2 電動(dòng)式搖擺臺(tái)

電動(dòng)式搖擺臺(tái)一般采用電機(jī)作為其主要驅(qū)動(dòng)裝置，由電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)提供扭矩，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)周期擺動(dòng)。以一種三軸搖擺試驗(yàn)臺(tái)為例，其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括U型外環(huán)、O型中環(huán)和內(nèi)環(huán)，三環(huán)可自由繞各自的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，三條軸相交于固定點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)能夠模擬船舶艏搖、橫搖、縱搖的三自由度運(yùn)動(dòng)。該三軸搖擺試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)還可以演變成具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度的平臺(tái)式搖擺試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)平移和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即船舶在航行時(shí)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)，兩種結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 三軸搖擺試驗(yàn)臺(tái)&及其演變版結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Triaxial swing test bench & its evolvement structure diagram

2.2 搖擺模擬試驗(yàn)控制技術(shù)

搖擺模擬試驗(yàn)的主要控制參數(shù)為角度、周期、持續(xù)時(shí)間，最普遍采用的是正弦定頻搖擺試驗(yàn)，即控制搖擺周期和搖擺角度保持恒定，以該特定頻率進(jìn)行搖擺試驗(yàn)，該搖擺符合正弦運(yùn)動(dòng)的特性。定頻搖擺試驗(yàn)有局限性，只能模擬某種特定搖擺環(huán)境，故在此基礎(chǔ)上又得到了正弦掃頻搖擺試驗(yàn)，可以考核產(chǎn)品在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，不同搖擺角度下的環(huán)境適應(yīng)性。除此之外，由于機(jī)電裝備在真實(shí)工作環(huán)境下不可能只受到正弦搖擺，隨機(jī)搖擺試驗(yàn)便可以模擬這種隨機(jī)的搖擺環(huán)境。

根據(jù)李曉琳等[21]歸納介紹的方法，定頻正弦搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)由于頻率低、頻帶窄，可視為線性系統(tǒng)。先通過系統(tǒng)辨識(shí)環(huán)節(jié)，估算傳函系數(shù)；再進(jìn)行幅值識(shí)別和修正。掃頻搖擺中的系統(tǒng)辨識(shí)采用節(jié)點(diǎn)頻率的系統(tǒng)增益辨識(shí)，并進(jìn)行全頻帶的增益線性擬合，對(duì)各周期下的搖擺幅值進(jìn)行反饋補(bǔ)償。隨機(jī)搖擺基于均方根控制，采用限制帶寬的隨機(jī)信號(hào)辨識(shí)系統(tǒng)增益和均方根補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

在定頻正弦試驗(yàn)基礎(chǔ)上，李學(xué)忠等[22]將縱橫艏三自由度搖擺角時(shí)間歷程近似看作一變幅值變周期的組合正弦運(yùn)動(dòng)過程，忽略了其中周期的變化，采用三次諧波疊加的方法建立了搖擺的數(shù)學(xué)模型，在控制上采用了位置、速度、電流三閉環(huán)的PID控制系統(tǒng)。

另外，在搖擺試驗(yàn)的控制算法方面普遍采用了PID控制方式。張江明等[23]使用模糊自適應(yīng)的PID算法，在常規(guī)PID算法設(shè)計(jì)三環(huán)控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)位置環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用模糊推理方法對(duì)常規(guī)PID的參數(shù)進(jìn)行在線整定；南京航空航天大學(xué)的肖福勒[24]引入了RBF神經(jīng)前饋網(wǎng)絡(luò)，用于處理液壓系統(tǒng)自身的非線性特性所引起的工作范圍大、參數(shù)變化頻繁等問題，采用基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方式，優(yōu)化了常規(guī)PID對(duì)液壓缸的控制效果。

2.3 裝備在搖擺載荷下的模擬試驗(yàn)方法

與振動(dòng)試驗(yàn)方法類似，目前在多個(gè)領(lǐng)域也都制定過對(duì)于搖擺試驗(yàn)的方法類標(biāo)準(zhǔn)，包括了試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)指標(biāo)、試驗(yàn)量級(jí)、試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)，對(duì)于搖擺試驗(yàn)的開展具有指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[25]提出了電工電子產(chǎn)品的傾斜搖擺環(huán)境試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)將傾斜分為縱傾、橫傾兩種形式；將搖擺分為縱搖、橫搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩六種形式。在傾斜試驗(yàn)中，控制一定的試驗(yàn)臺(tái)角度使產(chǎn)品處在特定的位置；搖擺試驗(yàn)中，在產(chǎn)品安裝后產(chǎn)生連續(xù)、光滑的正弦波，以控制產(chǎn)品做出等效于實(shí)際工作情形的運(yùn)動(dòng)。規(guī)定傾斜試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于15 min，搖擺試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于30 min，另外還規(guī)定了搖擺幅值、搖擺周期等參考量級(jí)。

文獻(xiàn)[26]提出了艦船設(shè)備的傾斜搖擺環(huán)境試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)將傾斜分為橫傾和縱傾兩種形式，將搖擺分為橫搖和縱搖兩種形式，并將整個(gè)試驗(yàn)分為傾斜試驗(yàn)、搖擺試驗(yàn)、傾斜和搖擺綜合試驗(yàn)。使用搖擺試驗(yàn)臺(tái)使試件發(fā)生傾斜、搖擺運(yùn)動(dòng)，通過改變搖擺試驗(yàn)臺(tái)的空間位置，使試件承受不同類型的應(yīng)力。規(guī)定了傾斜角度的大小，搖擺角度和周期的大小，給出了關(guān)于搖擺角度和周期的可參考量級(jí)。并規(guī)定傾斜和搖擺試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間均應(yīng)大于等于30 min。

文獻(xiàn)[27]提出了地質(zhì)儀器產(chǎn)品的傾斜搖擺環(huán)境試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法將產(chǎn)品的傾斜分為前、后、左、右四種形式，將搖擺分為前后和左右兩種形式。規(guī)定傾斜或者搖擺的最大角度為22.5°，傾斜試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間15 min，搖擺試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間10 min，搖擺周期為8 s。

3 振動(dòng)、搖擺一體化模擬試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

與前文所述的振動(dòng)試驗(yàn)、搖擺試驗(yàn)相比，振動(dòng)、搖擺一體化模擬試驗(yàn)更適用于船載機(jī)電裝備的可靠性模擬，其優(yōu)勢(shì)在于，綜合了振動(dòng)模擬試驗(yàn)和搖擺模擬試驗(yàn)的特點(diǎn)，將高頻振動(dòng)載荷和低頻搖擺載荷同時(shí)施加在機(jī)電裝備上。但是該類試驗(yàn)需要專門的可同時(shí)施加兩種載荷的試驗(yàn)臺(tái)，以及對(duì)多路載荷信號(hào)的控制系統(tǒng)，這是目前的研究所欠缺的。

中國工程物理研究院的鄭敏等人研制了一種傾斜搖擺與低頻振動(dòng)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[28]，如圖14所示，將大幅值的傾斜搖擺運(yùn)動(dòng)與小幅值的低頻振動(dòng)進(jìn)行疊加，可以模擬艦船、潛艇等在海上的運(yùn)動(dòng)情形。該裝置由六自由度傾斜搖擺平臺(tái)和低頻液壓振動(dòng)平臺(tái)兩部分組成，其中傾斜搖擺平臺(tái)可以模擬多空間位置的傾斜，實(shí)現(xiàn)各類典型搖擺；振動(dòng)液壓缸可實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)，模擬艦船隨海面起伏顛簸。但是，這種低頻振動(dòng)，實(shí)質(zhì)是船體的“垂蕩”，與搖擺載荷的疊加，是為了復(fù)現(xiàn)船體在海面的運(yùn)動(dòng)情形，仍未考慮內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的高頻振動(dòng)。Swift等[29]也提出過相似的結(jié)構(gòu)，同樣采用液壓元件作為主要驅(qū)動(dòng)裝置，與前者相比還增加了運(yùn)動(dòng)自由度，如圖15所示。

1-工作平臺(tái)；2/9-活塞桿；3-低頻振動(dòng)液壓缸；4-振動(dòng)平臺(tái)底座；5-振動(dòng)平臺(tái)通孔；6-搖擺平臺(tái)通孔；7-搖擺工作平臺(tái)；8/12-球鉸；10-搖擺液壓缸；11-連接桿；13-底座圖14 傾斜搖擺與低頻振動(dòng)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 Tilt-swing and low-frequency vibration composite experimental platform

圖15 多斯圖爾特結(jié)構(gòu)耦合平臺(tái)Fig.15 Motion system with plurality of Stewart platform based actuators

同樣地，黃彥[30]介紹了一種六自由度搖擺振動(dòng)平臺(tái)，考慮了船舶橫搖、縱搖、艏搖三個(gè)自由度的典型搖擺，以及垂蕩、縱蕩、橫蕩三自由度的“振動(dòng)”。林瑋等[31]為提高船載制冷系統(tǒng)的制冷穩(wěn)定性，對(duì)海洋條件下的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行研究，其中的海洋條件被描述為船體的搖擺和“振動(dòng)”。上述“振動(dòng)”實(shí)則是一種低頻振動(dòng)，即船體的晃蕩，可歸于船體“搖擺”類別中。相對(duì)地，Manabu[32]發(fā)明的振動(dòng)激勵(lì)裝置，通過將由磁鐵、線圈、彈簧組成的搖擺單元封裝在框架內(nèi)，使搖擺單元高頻“搖擺”從而使裝置外框架表現(xiàn)為“振動(dòng)”，如圖16所示。若在該裝置基礎(chǔ)上再復(fù)合低頻的“搖擺單元”，則更接近本文提出的一體化試驗(yàn)環(huán)境。因此，對(duì)于本文而言，上述研究成果都具有局限性。

圖16 具有搖擺單元的振動(dòng)發(fā)生器Fig.16 Vibration generator having swing unit

真實(shí)的船載機(jī)電裝備的工作環(huán)境，從原理上講，實(shí)則更接近于Steven Gibree發(fā)明的嬰兒床中所采用的一種結(jié)構(gòu)[33]，在座椅上安裝振動(dòng)激勵(lì)裝置，可以在搖擺的同時(shí)施加高頻振動(dòng)載荷，如圖17所示。但從可靠性的角度上來說，這種結(jié)構(gòu)提供的載荷，無論從量級(jí)或是載荷特性上來說，顯然都是不足以進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的。

圖17 帶振動(dòng)激勵(lì)的嬰兒搖床Fig.17 Infant swing with vibration

程家軍等[34]對(duì)艦載環(huán)境的振動(dòng)搖擺特性進(jìn)行測(cè)試分析，提出的“振動(dòng)、搖擺載荷”契合于本文提出的船載機(jī)電裝備所受載荷。該測(cè)試包括船體受海浪作用產(chǎn)生的船體搖擺(主要為橫搖和縱搖)，在航行時(shí)受到來自發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和柴油發(fā)電機(jī)等各種周期或非周期性的振動(dòng)，以及在作戰(zhàn)環(huán)境下承受各種艦載武器系統(tǒng)工作所引發(fā)的劇烈振動(dòng)和沖擊激勵(lì)。針對(duì)某特定型號(hào)艦船的測(cè)試分析雖然具有局限性，但為艦載裝備在艦載環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性研究等工作的深入開展打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)振動(dòng)和搖擺載荷下的可靠性模擬試驗(yàn)技術(shù)分別進(jìn)行了調(diào)研分析，結(jié)果如下：

(1) 振動(dòng)載荷下的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)一般有機(jī)械式、電磁式、電液式三種結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同工作環(huán)境選擇進(jìn)行正弦定頻試驗(yàn)、隨機(jī)試驗(yàn)或時(shí)間歷程復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，不同類型的試驗(yàn)涉及不同的控制算法。振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了按照產(chǎn)品真實(shí)工作環(huán)境選擇施加等效的振動(dòng)載荷，規(guī)定了振動(dòng)的幅值、頻率、振動(dòng)加速度等重要參數(shù)。

(2) 搖擺載荷下的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)可分為電動(dòng)式和電液式兩大類，一般采用正弦定頻或正弦掃頻試驗(yàn)，不同試驗(yàn)類型涉及不同控制算法。搖擺試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了搖擺參數(shù)的量級(jí)，包括搖擺角度、搖擺周期等。

(3) 振動(dòng)、搖擺一體化模擬試驗(yàn)，目前國內(nèi)外還沒有可直接用于開展試驗(yàn)的研究成果，現(xiàn)有的同時(shí)考慮振動(dòng)、搖擺載荷的試驗(yàn)中，其“振動(dòng)”皆為低頻振動(dòng)，即船體的垂蕩，與本文聚焦的振動(dòng)有本質(zhì)上的區(qū)別。

由此可見，現(xiàn)有的可靠性模擬試驗(yàn)技術(shù)不足以準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)出船載機(jī)電裝備真實(shí)的工作情形。因此開展振動(dòng)、搖擺復(fù)合載荷作用下的可靠性模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究勢(shì)在必行。

從可靠性角度出發(fā)，當(dāng)涉及多種載荷時(shí)，如何施加載荷，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象受到的載荷激勵(lì)得以耦合，即互相增強(qiáng)或互相削弱，是該方向研究難點(diǎn)之一。這需要通過設(shè)計(jì)耦合的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜的控制策略來實(shí)現(xiàn)，將會(huì)是未來主要研究方向之一。其次，試驗(yàn)對(duì)象在耦合的載荷激勵(lì)下，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)是否與試驗(yàn)欲復(fù)現(xiàn)的工況一致，需要進(jìn)行對(duì)比分析。因此，工況的等效復(fù)現(xiàn)，甚至等效加速，都將是研究重點(diǎn)。今后，隨著振動(dòng)、搖擺一體化試驗(yàn)技術(shù)的深入研究，更有望制定相應(yīng)的試驗(yàn)方法，將船載機(jī)電裝備的可靠性模擬試驗(yàn)體系化、規(guī)范化。