多臺激勵振動試驗技術若干探討

彭建蘭，田運普，王麗娟，劉保紅（中國華陰兵器試驗中心，華陰 714200）

多臺激勵振動試驗技術若干探討

彭建蘭，田運普，王麗娟，劉保紅
（中國華陰兵器試驗中心，華陰 714200）

從當前實施的振動試驗不足與缺陷引出多臺激勵試驗，并對多臺激勵試驗的技術原則、試驗方法、國內外試驗標準的發展趨勢及應用前景等進行了論述，指出在國軍標中有必要制定多臺激勵振動試驗環境標準，同時也為多臺激勵的振動試驗應用提供必要的技術支撐和知識儲備。

環境試驗；多臺振動；控制

引言

目前實施振動試驗的振動設備在臺體推力、臺面尺寸及復現產品壽命期內多軸向的響應上都無法滿足被試產品的試驗要求。隨著航天、航空、國防工業的發展，產品逐漸呈現出體積大、質量大、結構不規則等特點，越來越多需要多臺多激勵的振動試驗方式。因此多臺多軸向振動激勵技術應運而生，同時也對多軸向振動試驗也提出了的許多指導性意見。在常規兵器試驗領域，為完成復雜產品的振動考核試驗及更真實模擬產品壽命期內的振動環境，多臺激勵具有不可替代的作用。

1　多臺激勵的技術原則和試驗方法

1.1試驗條件的制定

由于現行的標準中沒有多軸向振動的譜型規范，因此比照單軸向振動試驗的方法，在每個軸向上分別給出相應的試驗條件實施振動，在控制技術上需要消除各軸向耦合引起的多余運動，從而實現各軸向上試驗條件的控制。

1.2典型三軸振動試驗

典型的三軸振動試驗設備是由分別處于X、Y、Z軸向的三個振動臺，通過連接頭與振動臺面連接，在振動控制器上輸入各軸向的自譜和互譜控制條件及參數（通常由試驗標準提供或實測數據形成的試驗要求）。

1.2.1試驗參考譜和控制方法

在實測數據的基礎上，對振動數據進行分析處理，建立科學、實用的振動試驗條件，按照測試要點、數據處理要點和振動試驗條件制定方法，通過計算得出各軸向的振動規范譜。在控制方法上按照實測數據時的各位置安裝控制傳感器，從控制傳感器的加速度響應中提取出產品的自由度加速度響應，從而實現對產品的均勻控制。

1.2.2三軸與單軸振動比較分析

為了對單軸順序加載和三軸同時加載兩種振動模式對產品引起的不同效果有比較直觀、定性的認識，我們采用ANSYS軟件對典型模型在三軸與單軸在隨機振動條件下的加速度與應變響應進行了仿真，也對兩者所造成的疲勞損傷進行對比：單軸振動總損傷小于三軸振動；三軸同時振動時加速度總響應大于單軸每一方向，都在一階頻率處發生速度響應峰值，但在特定軸向下的響應均方根值不一定大于單軸振動。

因此多軸振動與傳統的單臺振動試驗相比，能更加真實地模擬實際振動環境，有利于暴露潛在缺陷。

2　國內外振動試驗標準及其發展

2.1國外多臺振動試驗標準

美國目前實施的環境試驗標準是2008年改版的MIL-STD-810G，在該版本中專門列出了多臺激勵試驗標準，并定義了兩個基本程序：單軸多臺激勵（MESA）程序Ⅰ——時域參考標準和多點多軸向激勵（MEMA）程序Ⅱ——頻譜參考標準。

1）單軸多臺激勵。與傳統的單軸單點振動試驗（如圖1所示）相比，兩點單軸激勵（圖2）振動試驗，主要是解決在推力、夾具等難以實現的振動試驗，及更好完成有延伸的裝備在單一軸向矢量上其前部分和后部分都需要激勵的試驗。在實驗室里多臺激勵試驗比單臺能得到更好的部分復現效應。

2） 多點多軸向激勵。多點多軸向激勵試驗又可分為兩種類型，多點單軸向但不同步激勵，各點激勵的譜型不同，且各譜型的相位存在差異。如很多導彈運輸或機載類產品就屬于此類情況。多點多軸向激勵試驗，各點激勵的譜型和相位可以相同也可以不相同，譜型來源于試驗標準或實測數據統計計算并形成的包絡線。在三個振動臺的激勵方向是互相垂直時就形成了非常典型的三軸振動試驗系統（見圖3），如目前應用于慣性設備的精度考核多維振動試驗系統。

2.2國內實施的振動試驗標準

圖1　單點單軸與激勵振動試驗

圖2　二兩點單軸激勵振動試驗

圖3　多軸向多臺（三臺）激勵振動試驗裝置

目前我國軍用產品執行的振動試驗標準為GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 振動試驗》，其中明確提到：組合外掛和導彈的掛飛、自由飛在垂直和橫向激勵外掛時，通常會引起縱向振動。由于現有實驗室振動臺通常只能進行單軸向振動，因此標準中規定：需要在3個相互獨立的正交軸向上進行振動的試驗，當振動施加在某一軸向時采用下式進行，即在各個軸向上的量級相對有所增加。

式中R為要求的試驗量級，A為響應量級，下標數字代表軸向。通過多年的振動試驗積累，目前我們用現有振動臺實施振動試驗的過程中主要遇到以下一些情況：

1）在細長體振動試驗中，兩端的大位移擺動、高頻超差而導致試驗被迫中斷；也遇到了較重的產品進行大量級的試驗時推力達不到而無法實施試驗；

2）產品不規則且形狀復雜，在夾具上無法保證產品有效固定在振動臺面上；

3）不能滿足多譜型輸入，也曾激發過產品實際使用過程中不存在的故障模式。

2.3多臺振動試驗標準的適用條件

在單臺激勵試驗的基礎上選取多臺激勵試驗下一般有以下幾種情況：

1）在控制方式上，超過一個軸向上的多臺激勵試驗提供給產品的振動或振動能量分布不依賴于裝備自身的動力學分布。

2）當裝備的物理結構長度直徑比大且當單臺激勵試驗取決于產品力學能量分布時可以選取多臺激勵試驗。

3）對體積大而重的產品，給試驗樣品提供足夠能量的多臺激勵是必須的。

4）在對阻抗匹配和產品使用中的邊界條件做出說明時，多臺激勵試驗允許多個自由度。

總的來說，所有的環境測量需要多軸響應測量來完整描述。

3　多臺激勵振動試驗設備應用前景

3.1國內外發展現狀

振動試驗設備通常有電動振動臺和電液振動臺。電液伺服振動臺主要用于地震模擬試驗和汽車工業領域的路面仿真試驗；電動式振動臺在工作頻段、承載范圍、波形、控制等諸多方面較電液振動臺獨特的優勢而備受青睞，它主要應用于軍工領域。目前多軸振動設備在航天領域已開始展開研究工作。而在兵器行業還沒有引進三軸振動試驗設備。

3.2常規靶場振動試驗設備現狀及發展趨勢

常規靶場使用的振動臺主要是電振動臺，承擔單臺單軸向的大部分振動試驗，無法完成體積、尺寸、重量大產品的規定條件的振動試驗。2009年2月北京強度研究所研制的電動振動臺系統（頻率范圍為2~2 000 Hz，推力只有60 Kg，加速度為10 g）可以完成零部件產品的振動、沖擊環境試驗或應力篩選、可靠性試驗。圖3是某環境試驗設備廠三臺套單軸振動設備組合形成的三軸振動試驗設備，完成了GJB 150.6A中高速公路卡車振動環境和組合式雙輪拖車振動環境進行的三軸同振試驗，實現了較為精確的控制。

由于直接研制多軸向振動試驗系統具有難度大、成本高等制約條件，通過多臺組合可以達到多軸同振的目的，在節省試驗成本、簡化基礎設施配套也有明顯優勢。隨著振動模擬的技術水平的發展，多軸向多自由度的振動模擬試驗是未來振動試驗發展的方向。

4　結論

多臺激勵振動試驗代表著振動模擬試驗的發展方向，國內外大量試驗研究表明，它具有真實地模擬實際振動環境、提高試驗的有效性和故障激發率、縮短試驗時間等優勢。因此我們有必要對多臺振動試驗設備進行一些基礎的試驗技術研究，以發展內外場結合的振動環境可靠性鑒定試驗新技術。

圖4　（組合式雙輪拖車）三軸向三臺激勵試驗

［1］ GJB 150.16A-2009.軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗 ［S］.

［2］ MIL-STD-810G-2008，Method 527. ［S］.

［3］ 馮秉初.“3向”環境振動試驗與標準環境振動試驗的比較［J］.強度與環境， 2001（2）：33-41.

［4］ 吳家駒， 榮克林. 多維振動環境試驗方法［J］.導彈與航天運載技術，2003（4）：27-32.

［5］ 趙保平， 王剛， 高貴福. 多輸入多輸出振動試驗應用綜述［J］. 2006（3）：25-32.

［6］ 樊世超， 馮咬齊.多維動力學環境模擬技術研究［J］. 航天器環境工程， 2006（1）：23-28.

彭建蘭（1972.08），女，湖南湘鄉，工程師，碩士，環境模擬。

田運普（1986.09），男，河北，工程師，在讀碩士，環境模擬。

Some Discussions on Multi-Exciter Vibration Test

PENG Jian-lan， TIAN Yun-pu， WANG Li-juan， LIU Bao-hong
（Huayin Ordnance Test center， Huayin 714200）

This paper discusses applicative conditions and classification， technology principle， test method and application prospect. It points out that it was necessary to develop environmental standard for multi-shaker vibration test， and provides technical supports and knowledge reserves for vibration test at the target range.

environmental test； multi-shaker vibration； control

X593

A

1004-7204（2016）04-0016-04