對振動試驗常見故障的分析及探討

魏威，惠好鵬，陳欣，劉峰

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對振動試驗常見故障的分析及探討

魏威，惠好鵬，陳欣，劉峰

（西安電子工程研究所，西安 710100）

目的以電動振動臺為例，對振動試驗常見故障進行分析和探討。方法從電動振動試驗系統構成上著手，對振動試驗系統在試驗中常見的三種故障情況進行全面分析。結果給出了解決方案，考慮故障發生因素后，提出了科學合理的振動試驗操作流程，以及進行振動試驗時的相關建議。結論結合文中思路合理操作，可以降低振動臺故障的發生幾率，同時能提高試驗質量、降低試驗風險。

電動振動臺；故障分析；振動傳感器

振動試驗是雷達系統研制和生產過程中的重要試驗手段，其目的是驗證雷達結構設計的合理性，考核雷達產品能否承受可能遇到的動力學環境。雷達產品進行振動試驗時一般使用機械振動臺、電動振動臺、電磁振動臺以及液壓振動臺，其中，電動振動臺和電磁振動臺的使用最為廣泛。在實際生產中，經常會遇到各種故障因素致使振動試驗無法順利進行，不僅降低了試驗質量，還有損壞產品和振動臺的風險。各種故障因素中，硬件軟件因素占絕大部分，另外還包括技術因素。硬件因素主要為振動試驗設備各模塊連接和運行出現故障；軟件因素為振動控制軟件及相關服務程序的執行存在問題；技術因素比較復雜，包含試驗引用的標準不合理，振動控制模式和控制方法的選擇不當，試驗需求和試驗設備的匹配不夠及對相關參數的計算缺乏考慮等等[1—2]。由于電動振動試驗系統和電磁振動試驗系統構成大致相同，文中將以雷達產品科研生產中使用較多的電動振動臺為例，對其常見的故障進行羅列和分析，并給出合理的解決方案。

1 常見的故障及分析

電動振動臺是振動試驗系統中最常用的一種，主要由振動臺、傳感器、控制儀、控制軟件以及功率放大器五個部分組成[3]，如圖1所示。傳感器采集振動臺振動信號，輸入控制儀進行處理并經計算機控制軟件的運算，然后控制儀輸出功率控制信號到功率放大器，再由功率放大器產生激勵給振動臺，控制振動臺振動，通過不斷地采集，處理、運算和輸出功率，振動臺便可進行特定參數的振動[4]。由此看來，振動臺如果出現故障，則故障必將出現在系統里的這五個構成模塊及各自之間的連接和調試方面。

圖1 電動振動臺構成

在設備本身無重大故障的前提下，進行實際振動試驗時，振動臺故障可表現為三種情況：一是無法啟振；二是可以啟振但工作不正常；三是工作正常但試驗偏離條件要求。每種故障情況各有不同的解決方案[5]。

1.1 無法啟振

振動臺通過正常設置，加電后運行臺體無反應或運行自檢程序不通過，引起這種情況的原因主要有：

1）整個振動臺閉環系統中某個模塊（如圖1所示）未工作。需查看功放柜電源，滑臺油泵電源，電荷放大器以及振動控制儀電源是否打開，以及勵磁施加是否正常。

2）控制參數設置有誤。可查看傳感器控制通道、類型、接地方式以及允差上限是否設置正確，同時確保控制通道設置和控制儀連接的通道對應，傳感器靈敏度以傳感器說明書或相關檢定結果為準。

3）線路問題。多為電荷放大器、控制儀虛接，此時關閉振動臺電源，對電荷放大器以及控制儀的連接線進行檢查或替換，再啟動設備運行確認是否正常。

1.2 可以啟振但工作不正常

振動臺運行后有明顯的異常現象，主要有以下幾種。

振動幅度明顯劇烈，可查看電荷放大器設置情況，以及傳感器靈敏度是否與其型號對應。

振動臺有明顯的電流聲，需檢查振動臺、控制儀接地以及功放線路連接是否正常后開機進行確認。

振動試驗期間頻繁自動停止，主要檢查傳感、控制儀線路、電荷放大器以及控制計算機四者之間是否虛接，可活動連線接頭然后開機進行確認。

振動臺頻繁顯示超行程報警。經常存在于連接水平滑臺的振動試驗，一般為水平滑臺未調校到對中位置，致使振動臺行程中心點偏離原點，行程單方向變短，在做大位移振動試驗時，系統則會給出超行程報警。

1.3 工作正常但試驗偏離要求

這種故障不易被發現，需要在試件特定位置安裝監測傳感器分析獲得。另外該情況也不能絕對稱之為故障，像適量的過試驗和欠試驗都是允許的，但是超過一定限度，試件乃至振動臺本身就會出現問題。

實際試驗中，只能盡可能執行最合理的操作來減少這種故障，例如選擇合適的振動控制模式，將傳感器安裝在最能體驗試件振動情況的位置[6]，或者使用更多的傳感器進行控制或者監測等等，因此減少這類故障也是提高試驗效果的一個重要途徑。

2 典型設置問題

電動振動臺故障主要由硬件和軟件因素引起，試驗前確保各項參數正確無誤，就可以減少試驗故障發生幾率。因此對電動振動臺組成模塊的各參數進行正確設置，是減少故障發生的重要方法。以下為幾種典型的設置問題，在實際操作時往往容易被忽視。

2.1 振動傳感器參數設置

振動傳感器是電動振動試驗系統里反饋振動臺振動情況的組成部分，對于傳感器的設置和處理會直接影響試驗效果。實際試驗時，傳感器參數的設置往往是引起故障的重要因素。常見的傳感器設置錯誤有以下幾種。

靈敏度參數與傳感器不對應，如果參數大于正確值，則會造成過試驗，甚至可能成倍放大試驗量值，損壞設備或者試件。

傳感器通道設置錯誤，系統未能形成閉合回路，會導致設備自檢失敗而無法啟振。

模式錯誤，例行振動試驗需要用到的模式一般有兩種，一是控制模式，二是監測模式。

控制模式混淆，如果使用多個傳感器時，需要確認下控制模式，常用的有平均控制，極大值控制以及單通道控制。

2.2 振動位移幅值

振動位移幅值是正弦掃頻試驗中的重要參數，實際中振動位移幅值設置錯誤是因為其描述方法有兩種，即峰-峰值和單峰值。如果給出振動位移幅值描述，首先確認是峰-峰值還是單峰值，如果系統默認的參數屬性為單峰值，試驗條件給出峰-峰值時具體鍵入數值為該參數的一半。

2.3 電荷放大器設置

使用部分傳感器時，振動試驗閉環系統內須接入電荷放大器，主要作用是對傳感器信號進行放大處理。電荷放大器常見的有按鍵式及旋鈕式，設置不當尤其是放大倍數錯誤會直接導致傳感器信號被放大或減小，造成過試驗和欠試驗，應極力避免這種情況的發生。

3 合理的振動試驗流程

電動振動臺涉及多種模塊的連接及調試，試驗開展的流程銜接性較強，實際操作也較為復雜，另外振動試驗對產品的考核強度較大，稍有疏忽便極有可能損壞設備和產品。經過綜合考慮，在設備本身無重大故障的前提下，比較合理的振動試驗操作流程應當如圖2所示。

圖2 振動試驗操作流程

1）準備。包括試驗需要使用的工具、夾裝試件的工裝和螺釘、安裝控制傳感器、振動臺臺面對中以及連接信號線等工作。

2）檢查。包括各項參數是否正常，各個線路是否連接正確，各個模塊是否能正常運行，臺體對中等等。檢查工作非常必要，良好的試驗前檢查可以大大提高工作效率，避免產品和設備受損，也可以減小對人員安全的不良影響。

3）開機。開機順序的確定是避免危險和損壞設備的一個考慮，合理的開機順序應該為以下操作：開啟振動控制儀、電荷放大器（如有）和計算機，開啟設備電源，啟動功率放大器并施加勵磁。

4）自檢。控制系統如果有自檢功能可正常進行自檢，其他情況自檢可設置或者調取試驗條件讓振動臺空載運行，振動臺工作正常的話可進行下一步操作，如若有異常，需返回檢查流程重新操作。

5）程序設置/夾裝試件/傳感器的安裝。該流程中涉及到的工作可同時進行。夾裝試件推薦使用力矩扳手進行操作；傳感器安裝時根據試件自身情況和試驗需求的不同，除安裝控制傳感器外有時還需要安裝其他的傳感器作控制或監測用。

6）運行。正式開始試驗并實時監控試驗狀況，如果期間遇到振動試驗設備工作異常，包括瞬間運動劇烈，有異常聲響，以及莫名停機的情況，須立即停止試驗，重新進行檢查工作，排除故障后再進行試驗。

7）試驗數據出具/保存。通常是試驗完成后試驗曲線的出具/保存。

8）關機、整理。關機的順序恰好與開機順序相反，先關閉價格昂貴的部分，然后再關閉電荷放大器，振動控制儀以及計算機；整理的項目包括試驗中使用的工具、工裝、夾具以及傳感器等。

4 對振動試驗的幾點建議

相對于其他環境試驗，振動試驗的操作比較復雜，實際試驗時出現的故障也比較多，只有通過規范操作和不斷的經驗積累來避免絕大部分故障的發生。以下幾點建議，是筆者從事振動試驗專業時總結的一些經驗，通過長時間的實踐證明，這些操作也是減少振動試驗故障的良好措施，尤其是對于“工作正常但試驗偏離條件要求”這種故障情況，非常值得在實際操作中加以運用。

4.1 振動傳感器的安裝

傳感器的安裝有螺釘連接法、蜂蠟連接法、磁鐵連接法等。如果試件工裝剛度較好，從控制效果上來說，一般傳感器安裝越多越好，可以避免個體差異帶來的影響，實際中雷達產品及模塊在進行試驗時最多使用三個傳感器控制即可。另外，對于傳感器安裝的數量不同，實際控制效果也大不相同[7—8]，具體來說又分以下兩種情況。

1）使用一個控制傳感器時，在不影響試件夾裝的前提下，盡量將其安裝在靠振動臺臺面中心的位置（垂直臺面或者水平滑臺）時控制效果最好，可以減少由于振動臺偏載帶來的影響，該方法適用于試件形狀規律方便夾裝且質量較小的試件。

2）使用多個傳感器控制時，需保證在臺面（垂直臺面或者水平滑臺）至少安裝一個控制傳感器，以避免因為其他部件松脫導致振動臺控制失效，其他控制傳感器可安裝在試件工裝、工裝和試件連接處，切勿安裝在試件本身上，因為振動應力是由工裝施加給試件的，這樣會造成欠試驗或者過試驗[9]。必要時需要在試件關鍵部位安裝監測傳感器，并設置好允差范圍以避免關鍵部件受損[10]，該方法適用于結構復雜、質量較大的試件進行振動試驗。

4.2 試件的夾裝

對于質量大，外形不規律或者強度較小的試件，必須使用工裝進行夾裝[11]，質量小且外形規律容易夾裝的試件可以使用壓板進行夾裝。夾裝時可調整位置，根據試件實際情況使其與壓板接觸面積盡可能大，這樣更容易緊固試件。

4.3 夾裝工具的選用

選擇緊固螺釘或壓板等工裝時應盡量使用統一規格，然后使用力矩扳手結合經驗力矩值或相關標準進行緊固，避免工裝連接后受力不均。另外這樣操作也可以提高試驗效果，因為使用多種工具進行同一種操作時會極大降低可靠性[12]。

4.4 振動試驗系統的保養

做好振動試驗臺的日常保養工作對試驗的順利完成也非常重要，主要可分兩級保養規程和定期維修工作組成，可參照以下項目進行。

1）一級保養規程：關閉電源，使整個設備處于無電狀態；檢測功放和振動臺的電氣連接是否可靠；水平振動時，檢查水平滑臺連接后是否能夠自由滑動，中心零位是否能回歸；檢查加速度傳感器、振動控制器、功率放大器是否正常；一級保養周期建議為3～6個月。

2）二級保養規程：先按一級保養的規程進行保養，在保養的過程中檢查水平滑臺的運動，如若滑臺不能正常滑動，應考慮滑油受到污染，應更換滑油；檢查功放各個模塊中電路元件的使用情況，對于損壞件（場效應管、電阻絲）應給以更換；檢查功放和振動臺之間的控制線和保護線，如有老化，應給以更換。

3）設備的定期維修周期方面：小修建議為2～3年，大修建議為5～7年，另可根據設備的使用情況及各級保養的效果對設備年度保養計劃進行適當調整。

5 結語

在科研生產中，振動試驗故障大多都是一些常見的故障。在這些引起故障的因素中，硬件和軟件故障占主要部分, 通過熟悉振動臺構成和規范操作流程，其中很多故障就可以很快排除。對于難度較大的故障，只有在實踐中規范操作，不斷地摸索、總結和提高，才能對之形成系統有效的解決方案。

[1] 常少莉, 紀春陽, 鄺志禮. 振動試驗失控分析及例證[J]. 環境技術, 2008(6): 41—48.

[2] 唐文, 方紅榮, 歐陽芙, 等. 基于結構固有頻率中心頻帶的疲勞影響分析[J]. 導彈與航天運載技術, 2015(4): 78—83.

[3] 王保貴. 常規兵器三綜合環境試驗技術研究[J]. 環境技術, 2005(1): 1—4.

[4] 齊曉軍. 航天器振動試驗控制技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2011.

[5] 黃森. 振動試驗技術的實施與控制[J]. 測控技術, 2013, 32(增刊): 35—38.

[6] 楊玲, 王克明, 張瓊. 某型航空發動機整機振動分析[J]. 沈陽航空工業學院學報, 2008, 25(5): 9—14.

[7] 司中柱, 劉繼承, 易順希. 某機載雷達多自由度振動試驗控制方法比較[J]. 環境技術, 2015(1): 5—8.

[8] 李奇志. 環境振動試驗若干技術研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2013.

[9] 次永偉, 邱大蘆, 付樂平, 等. 航天器振動試驗控制技術進展[J]. 動力學與控制學報, 2014, 12(3): 193—200.

[10] 張建, 張漢偉, 盛德兵, 等. 發射裝置中振動控制點選擇方法分析[J]. 重慶理工大學學報(自然科學),2012, 26(12): 40—46.

[11] 力學與環境試驗技術編著委員會. 力學環境試驗技術[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2003.

[12] 王清海, 周志衛. 機載懸掛裝置振動試驗安裝方式探討[J]. 航空兵器, 2015(4): 35—38.

Analysis and Discussion on Common Faults in Vibration Test

WEI Wei, HUI Hao-peng, CHEN Xin, LIU Feng

(Xi′an Electronic Engineering Research Institute, Xi′an 710100, China)

Objective To analyze and discuss common faults in vibration test through an electrodynamics vibration generator. Methods Three common faults of vibration test system in the test were analyzed comprehensively based on system structure of vibration test. Results The solution was given. Scientific and reasonable operation process of vibration test as well as related suggestions in vibration test were put forward after considering failure factors. Conclusion Proper operation in combination with thoughts in the paper can reduce the possibility of vibration table, improve the test quality and reduce test risks.

electric vibration table; faults analysis; vibration sensor

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.014

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)04-0068-04

2016-11-14；

2016-11-23

魏威（1989—），男，陜西人，學士，助理工程師，主要研究方向為可靠性與環境檢測試驗。

惠好鵬（1982—），男，陜西人，高級工程師，主要研究方向為質量控制。