某船用電子設(shè)備危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)控制改進(jìn)方法

李晶，辛穎，胡福林，黃少侃，陳曙

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所，武漢 430205）

1 緒論

船只在航行或停靠中的振動(dòng)環(huán)境會(huì)以累積和周期性的方式對(duì)安裝于其內(nèi)部的電子設(shè)備造成影響，使電子設(shè)備在危險(xiǎn)頻率上放大倍數(shù)過大，導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞，使其功能和性能受到不良影響。危險(xiǎn)頻率上放大倍數(shù)過大，則容易引起設(shè)備的失效，使設(shè)備出現(xiàn)故障或性能超差與失靈[1]。所以，在船用電子設(shè)備量產(chǎn)前，需對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。通過振動(dòng)試驗(yàn)分析出其特定的危險(xiǎn)頻率及其危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)，在危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行耐振試驗(yàn)，以判定其是否符合客戶的使用要求。

2 問題的提出

某智能語音電暖風(fēng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)設(shè)備）在危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行縱向耐振試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品外殼底板脫焊斷裂，初步斷定為該設(shè)備危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)過大所致，預(yù)示著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的使用，實(shí)船安裝易發(fā)生故障。環(huán)境試驗(yàn)工程師針對(duì)此設(shè)計(jì)缺陷需提出改進(jìn)方法及措施，并通過振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集等手段進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的重要設(shè)備，可以檢驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能。依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能，可以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，采用改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或其他更加合理的方式來降低船用電子設(shè)備危險(xiǎn)頻率上的放大倍數(shù)，并最大限度的發(fā)揮船用電子設(shè)備的功能效用。

利用現(xiàn)代化數(shù)字儀表結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)船用電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量與分析，尋得其危險(xiǎn)頻率及其放大倍數(shù)后，便可使得試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)弱點(diǎn)得以暴露，有利于環(huán)境試驗(yàn)工程師針對(duì)此產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷提出改進(jìn)方法及措施，進(jìn)而降低影響設(shè)備功能性能的危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)，降低設(shè)備使用風(fēng)險(xiǎn)與維護(hù)成本，提升振動(dòng)試驗(yàn)后續(xù)服務(wù)品質(zhì)。

3 試驗(yàn)條件

3.1 試驗(yàn)要求

依據(jù)正弦振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，方法參考某行業(yè)產(chǎn)品在船用振動(dòng)試驗(yàn)大綱中的船主體區(qū)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件，該試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)條件如下：

功能試驗(yàn)振動(dòng)量值：

頻率（1～16）Hz，位移1 mm；

頻率（16～60）Hz，加速度10 m/s2。

掃頻方式：對(duì)數(shù)掃頻。

掃頻速率：1 oct/min。

掃頻次數(shù)：10次掃頻循環(huán)。

試驗(yàn)軸向：縱向、橫向。

該試驗(yàn)設(shè)備實(shí)船安裝時(shí)不帶減震器，故在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)通過工裝夾具與振動(dòng)臺(tái)體剛性連接，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)安裝示意圖

3.2 振動(dòng)臺(tái)狀態(tài)和試驗(yàn)設(shè)備外殼板參數(shù)

3.2.1 振動(dòng)臺(tái)狀態(tài)

振動(dòng)臺(tái)主要由激振器、伺服閥、液壓站和電控系統(tǒng)（數(shù)控和模控）組成。當(dāng)被試產(chǎn)品通過工裝夾具固定于試驗(yàn)臺(tái)后，開啟耐振試驗(yàn)，尋找危險(xiǎn)頻率及其放大倍數(shù)，檢驗(yàn)被試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否存在缺陷。本次試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)信息如表1。

表1 試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)信息

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)備外殼板參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備外殼板設(shè)計(jì)是使用厚度為1.2 mm的022Cr19Ni10的不銹鋼。試驗(yàn)設(shè)備1件，外殼板外觀光潔平整、去除毛刺銳邊、角，無變形。

3.2.3 試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖

本次試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖如圖2、3所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖

4 試驗(yàn)過程

4.1 改進(jìn)前試驗(yàn)結(jié)果及振動(dòng)試驗(yàn)圖譜分析

將試驗(yàn)設(shè)備固定在試驗(yàn)臺(tái)上，按功能試驗(yàn)振動(dòng)量值要求進(jìn)行試驗(yàn)，確定危險(xiǎn)頻率及其放大倍數(shù)。該試驗(yàn)設(shè)備在危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行縱向耐振試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品外殼底板脫焊斷裂，初步斷定為該試驗(yàn)設(shè)備危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)過大所致，需改進(jìn)設(shè)計(jì)，避開共振[2]，或降低危險(xiǎn)頻率上的放大倍數(shù)。

該設(shè)備外殼板采用材料為022Cr19Ni10的不銹鋼設(shè)計(jì)，外殼板厚度為1.2 mm。其橫向、縱向振動(dòng)圖譜如圖4所示。

圖4 1.2 mm厚外殼板振動(dòng)圖譜

圖3 試驗(yàn)設(shè)備外殼整體示意圖

如圖4，試驗(yàn)設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計(jì)，通過傳感器在橫向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)采集到的危險(xiǎn)頻率為42.453 7 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為4.710 8，其縱向振動(dòng)采集到的危險(xiǎn)頻率為48.797 2 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為4.309 0。可見，在此情況下試驗(yàn)設(shè)備兩個(gè)軸向上的危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)較大。

4.2 改進(jìn)后振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

該試驗(yàn)設(shè)備危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)控制改進(jìn)方案有加厚產(chǎn)品外殼，或?qū)Ξa(chǎn)品外殼進(jìn)行加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)等。我們通過這兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，并通過振動(dòng)試驗(yàn)圖譜分析改進(jìn)后的效果。試驗(yàn)設(shè)備連接方式見圖1。

4.2.1 2.0 mm厚外殼板設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜分析

試驗(yàn)設(shè)備采用2.0 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計(jì)，其橫向、縱向振動(dòng)圖譜如圖5所示。

圖5 2.0 mm厚外殼板振動(dòng)圖譜

如圖5，試驗(yàn)設(shè)備采用2.0 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計(jì)，通過傳感器在橫向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)采集到的危險(xiǎn)頻率為24.530 2 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為5.899 6。其縱向振動(dòng)采集到的危險(xiǎn)頻率為35.487 7 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為6.648 1。可見，在此情況下試驗(yàn)設(shè)備兩個(gè)軸向上的危險(xiǎn)頻率前移，放大倍數(shù)反而更大。

4.2.2 加強(qiáng)筋外殼板設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜分析

試驗(yàn)設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板經(jīng)內(nèi)部加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)后，其橫向、縱向振動(dòng)圖譜如圖6所示。

如圖6，試驗(yàn)設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板經(jīng)內(nèi)部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)后，通過傳感器在橫向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)采集到的危險(xiǎn)頻率為43.740 6 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)2.453 4，其縱向振動(dòng)采集到的危險(xiǎn)頻率為33.442 8 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為2.650 2。在此情況下，試驗(yàn)設(shè)備在兩個(gè)軸向上的危險(xiǎn)頻率基本和1.2 mm厚不銹鋼外殼設(shè)計(jì)無差異，且有效地抑制了放大倍數(shù)。

圖6 1.2 mm厚外殼板內(nèi)采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)振動(dòng)圖譜

綜上所述，不同設(shè)計(jì)下試驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)結(jié)果如表2所示。

表2 不同設(shè)計(jì)下試驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)圖譜數(shù)據(jù)

4.2.3 振動(dòng)臺(tái)采集的部分圖譜展示

振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)譜圖如圖7所示。

圖7 振動(dòng)圖譜的波形

由于篇幅所限，數(shù)據(jù)的采集譜圖就不逐一列出，經(jīng)過以上分析可以初步得出的結(jié)論是：三種不同的設(shè)計(jì)方案所得出的測(cè)試數(shù)據(jù)和頻譜圖均表明在試驗(yàn)設(shè)備外殼內(nèi)部進(jìn)行加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)效果最佳，此時(shí)試驗(yàn)設(shè)備性能測(cè)試的數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠，且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)效果最佳。

5 試驗(yàn)結(jié)論

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果量值比較

綜合以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出圖8所示的比較圖形。

圖8 不同外殼板設(shè)計(jì)下數(shù)據(jù)采集量值比較

由圖可知，當(dāng)采用加厚外殼板設(shè)計(jì)時(shí)，危險(xiǎn)頻率上的放大倍數(shù)增大，當(dāng)采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)，放大倍數(shù)明顯降低了，也預(yù)示著振動(dòng)臺(tái)對(duì)設(shè)備造成的影響最小，設(shè)計(jì)效果最佳。在后續(xù)試驗(yàn)中繼續(xù)收集更多的有效案例數(shù)據(jù)加以分析，以彌補(bǔ)本次測(cè)量的不足。

5.2 結(jié)論

通過振動(dòng)試驗(yàn)，我們可以分析出船用電子設(shè)備的危險(xiǎn)頻率及其放大倍數(shù)，從而提出降低危險(xiǎn)頻率放大倍數(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。通過分析不同改進(jìn)方案的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集圖譜，驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)比得出最佳改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最大限度的發(fā)揮船用電子設(shè)備的功能效用，降低設(shè)備使用風(fēng)險(xiǎn)與維護(hù)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。