某型蓄壓器低溫振動試驗方法

次永偉，馮盟蛟，張文勝，蔡 平，毛雯捃

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

航天器振動試驗是航天器衛星環境工程的重要組成部分，對考核航天器能否經受發射階段的惡劣動力學環境［1］起到至關重要的作用。航天器在發射及飛行過程中，發動機工作過程及其POGO 效應（液體推進火箭中的一種自激振動現象）、火箭發動機點火和關機，以及其級間分離會造成高強度的振動環境，會對航天器及其組件產生結構上的變形甚至結構件損壞的嚴重影響［2］。經過多年航天器振動試驗的實踐證明，在地面上對航天器進行振動試驗能夠保證航天器的環境適應性［3-4］。由于航天器實際的振動環境非常復雜［5］，要求環境越來越苛刻［11-15］，在特殊環境下的振動要求也逐漸嚴格，尤其在低溫振動方面的需求增加，對于特殊的低溫環境在諸如運輸［6］、管路［7］等方面已有應用，而在低溫振動方面研究較少。面對日益增長的低溫振動試驗的需求，探索出完整的針對低溫振動系列的試驗方法顯得尤為重要。基于此，本文針對某型蓄壓器產品，提出一種有效的低溫振動的試驗方法，在滿足產品需求的同時提供了一種試驗途徑。

1 蓄壓器低溫振動試驗簡介

1.1 產品狀態

振動試驗時，蓄壓器通過上下振動試驗工裝約束蓄壓器各向自由度，并通過下工裝螺接至振動試驗系統［8-9］，在下工裝與振動試驗系統之間連接玻璃鋼墊板隔熱，玻璃鋼墊板通過螺釘安裝在振動試驗系統上，具體安裝狀態如圖1 所示。整個試驗過程中，產品充滿液氮，產品外部包裹隔熱材料，產品內部與外界的熱量交換較小，且試驗過程中持續監測產品內部壓力，實時補充液氮，因此，產品處于穩定的低溫狀態。

圖1 振動試驗產品狀態示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration test product status

1.2 試驗條件

蓄壓器振動試驗順序如下：正弦振動鑒定級試驗（見表1）→隨機振動鑒定級試驗（見表2）→定頻振動鑒定級試驗（見表3）。要求每項試驗前、試驗后均需進行特征掃頻，特征級掃描振動試驗條件見表4，其中重力加速度g=9.8 m/s2。

表1 低頻正弦振動鑒定級試驗條件Tab.1 Low frequency sine vibration test requirement on identification level

表2 高頻隨機振動鑒定級試驗條件Tab.2 High frequency random vibration test requirement on identification level

表3 定頻振動鑒定級試驗條件Tab.3 Fixed frequency vibration test requirement on identification level

表4 特征級振動試驗條件Tab.4 Characteristics vibration test conditions

1.3 試驗流程

本文的蓄壓器低溫振動試驗技術流程如圖2所示。

2 試驗方法和試驗過程分析

2.1 蓄壓器安裝方式分析

該型蓄壓器在低溫振動試驗過程中可能會出現殼體斷裂的情況，為避免這種情況的發生，要求試驗件在振動試驗過程中所受的動態應力滿足設計裕度。出現殼體斷裂是由安裝靜應力和動態應力相結合后引起的，為解決該項問題，對蓄壓器安裝方式進行了靜態應力測試。測試結果顯示，如果采用帶氟塑料墊圈安裝方式，當力矩為60 N·m 時靜態安裝應力為322 MPa，80 N·m 時靜態安裝應力為420 MPa。蓄壓器殼體材料為2A14，該材料在常溫下屈服強度約為319 MPa，低溫下屈服強度約為400 MPa，說明若蓄壓器試驗時安裝力矩過大時材料進入屈服狀態，將導致殼體斷裂問題的出現。

圖2 蓄壓器低溫振動試驗技術流程Fig.2 Technical flow of low temperature vibration test of accumulator

針對靜態安裝應力過大的問題，本文將常規采用的F3 密封墊圈更改為F4 材料；將密封位置改進為兩個法蘭中間，避免了原先的法蘭懸臂結構；將原有的蝶形圈安裝方式更改為更易安裝的F4 氟塑料墊圈的安裝方式，并降低了安裝力矩以便降低靜態安裝應力。基于改進后的安裝方式和安裝力矩，既方便了安裝，又保證了安裝的可靠性和效率。常規安裝方式蝶形圈示意圖如圖3 所示，改進后的F4密封圈示意圖如圖4 所示。

圖3 蝶形圈安裝狀態Fig.3 Installation status of butterfly ring

圖4 氟塑料墊圈安裝狀態Fig.4 Fluoroplastic gasket mounting condition

為了確定安裝方式和安裝力矩的改進是否對降低安裝靜應力產生重要作用，進一步開展了低溫振動下的應變測試試驗。采用的方式為在蓄壓器殼體上張貼13 個低溫應變片（如圖5 所示），測量了蓄壓器殼體常溫靜態應變、低溫靜態應變及低溫振動時動應變。通過試驗發現改進安裝方式后，常溫靜態、低溫靜態及低溫振動時應力明顯降低，低溫振動狀態下各測點的應變幅值如圖6 所示，振動試驗過程中各測點應力均在材料彈性范圍內，應滿足設計裕度的要求。由圖6 可見，最大應變幅值約為2 500uε，則應力可采用σ=E×uε×10-6進行計算，其中，σ為應力，E為彈性模量，uε為微應變，則σ=73×103×2 500×10-6=182.5 MPa＜400 MPa，滿足要求。

圖5 蓄壓器應變片張貼示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure accumulator strain gauge posting

2.2 頻率分辨率對試驗結果的影響

圖6 低溫振動時各測點應變幅值Fig.6 Strain amplitude of each measuring point at low temperature vibration

根據常溫振動試驗的經驗分析，振動試驗過程中不同的頻率分辨率（即df）參數設置對產品的通過率有一定的影響，本文為了驗證df對低溫振動試驗的影響，分析了帶寬df分別為2.500 Hz、1.250 Hz 及0.625 Hz 情況下對產品隨機+正弦振動試驗的影響，分析了在不同df參數設置時的振動曲線結果，并且與仿真結果進行對比驗證df參數設置在何種情況下更有利于本文試驗的可靠性。本文采用億恒控制 儀進行驗證，df為0.625 Hz、1.250 Hz 及2.500 Hz 時控制曲線分別如圖7～圖9 所示，不同df時隨機+正弦（即R+S）的功率譜密度表見表5。

圖7 df=0.625 控制曲線及其參數Fig.7 Control curve and its parameters under df=0.625

圖8 df=1.25 控制曲線及其參數Fig.8 Control curve and its parameters under df=1.25

圖9 df=2.5 控制曲線及其參數Fig.9 Control curve and its parameters under df=2.5

表5 定頻振動R+S 功率譜密度統計表Tab.5 Power spectral density statistical table of fixed frequency vibration R+S

從表5 中可以看出，在相同的頻率點下不同的df參數設置對應的功率譜密度的峰值存在一定的差異。但是，定頻振動（隨機+正弦振動）試驗的總能量中96.5%都為正弦振動能了，因此，本文進一步分析df參數設置對正弦分量的能量影響，從而確定更適合本文低溫振動試驗的df參數設置值。正弦分量頻率分布圖如圖10 所示，正弦分量統計見表6。

圖10 定頻振動正弦分量頻率分布圖Fig.10 Frequency profile of sine components of fixed frequency vibration

定頻振動R+S 正弦分量統計見表6。由表6 可知，定頻振動的主要能量即正弦分量并未受到df影響，因此，df對低溫振動試驗能量的影響不大。

表6 定頻振動R+S 正弦分量統計表Tab.6 Sine components statistical table of fixed frequency vibration R+S

為進一步驗證df參數設置對試驗結果產生的影響，本文采用有限元仿真方法對不同df產品振動時的等效應力進行分析，結果如圖11、圖12 和表7所示。

圖11 df=1.25 HzFig.11 df=1.25 Hz

由表7 可知，在df分別為1.250 Hz 和2.500 Hz兩種情況下，蓄壓器殼體最大均方根值（即RMS）等效應力基本一致；對于采用控制儀測試時其顯示值存在差異，究其原因是控制儀中按照能量守恒的原則，采用公式轉換的方式使df參與了運算，因此，其顯示值存在一定的差異，但df對試驗總能量的影響不大。

圖12 df=2.5 HzFig.12 df=2.5 Hz

表7 殼體定頻振動最大RMS 等效應力Tab.7 The shell vibrates at fixed frequency to the maximum RMS equivalent stress

綜上所述，參數設置df變化對試驗的總能量影響不大，從試驗角度來說，設置df=2.500 Hz 更有利于試驗的可靠性。因此，本文低溫振動試驗中采用df=2.500 Hz 的參數設置作為試驗要求。

2.3 振動試驗低溫夾具特性及連接剛度問題分析

本文中涉及的振動試驗夾具分為3 部分（如圖1所示），包括上工裝、下工裝1 和下工裝2。上工裝和下工裝1 材質相同，為不銹鋼，牌號為1Cr18Ni9Ti。該材料具有良好的延性和韌性，以及沖壓性和拉伸性能，直到-196 ℃仍具有優良的沖擊韌性。下工裝2 所使用的材料為鋁合金，牌號為2A14。該合金的焊接性能合格，在深冷溫度下不呈脆性，所以可用來制作深冷工作條件下的焊接零件。從材料選材而言，這兩種材料均適用于-196 ℃的深冷環境，可滿足試驗要求。

其次就是低溫下連接剛度的問題。低溫試驗狀態下產品表面覆蓋滿霜，導致蓄壓器與工裝的連接剛度、工裝與設備的連接剛度與常溫相比均會降低，因此，根據工程經驗，要求低溫下的連接力矩在常溫的基礎上加大15%。另外，在完成一個方向的蓄壓器低溫振動試驗后，需要進行產品膜盒測試及工裝轉向。在這段時間中產品表面的霜會融化成水，此時繼續進行第2 個方向低溫振動試驗，需要繼續對產品內部補充液氮，產品表面急劇降溫，表面殘留的水遇冷迅速結冰，導致螺釘的連接剛度急劇降低，振動試驗過程中將會出現螺釘斷裂的問題，并且冰凍狀態下的螺釘也無法再次緊固，從而影響低溫振動試驗的進行。

為了解決低溫振動狀態下結冰導致的螺釘斷裂的問題，經過對試驗過程及試驗方法的分析，如果第2 個方向試驗開始前，出現產品表面霜融化成水的情況，需采取一定的措施解決該問題以保證試驗的順利進行。本文采用壓縮空氣吹干或烘干產品表面霜融化的水，清除水后方可繼續進行第2 個方向的低溫振動試驗，確保試驗的連接剛度，防止出現螺釘斷裂的問題。低溫結冰問題是低溫振動過程中普遍存在的問題，看似問題不大，但卻影響整個低溫振動試驗的可靠性。因此，本文采用壓縮空氣吹干或烘干產品表面霜融化的水這種方式進行試驗是非常有必要的。

2.4 低溫振動試驗測量傳感器的安裝

本文低溫振動試驗測試過程中，蓄壓器產品表面需要安裝測量傳感器，由于產品內部通液氮使產品表面溫度降低，因此，對傳感器的低溫性能、安裝方式、傳感器及連接線的固定方式等都提出了更高的要求。由于試驗在低溫狀態下進行，試驗過程中極易出現測量點傳感器脫落、傳感器與電纜接頭連接松動等問題。另外，由于蓄壓器低溫振動試驗量級較大，振動過程中還會出現傳感器電纜線頭斷裂的問題。

針對試驗過程中極易出現測量點傳感器脫落、傳感器與電纜接頭連接松動、傳感器電纜線頭斷裂等問題，本文分析了低溫狀態下傳感器應如何安裝的問題，不能采用膠接的方式，且對于其他粘貼位置不能采用常規膠水。因此，本文采用定制膠木塊螺接的方式保證強度，所有控制點及測點的傳感器通過定制膠木塊進行安裝，且定制膠木塊需全部采用鋼絲螺套，保障傳感器連接的可靠性，對于其他需進行粘貼的地方必須采用低溫膠水進行粘貼。

在傳感器線纜固定方面，將傳感器線纜緊固之后，用醫用膠帶將其纏綁再用3M 膠帶對其進行密封固定隔離，在保證強度的同時起到防水的作用。本文試驗采用4 點平均控制，控制點位于蓄壓器殼體下法蘭面上，成90°均勻分布在下法蘭面上，如圖13 所示。為保證連接的可靠性，要求傳感器通過4 個M2 螺釘螺接在膠木塊上，膠木塊通過M6 沉頭螺釘螺接在殼體下法蘭面上。產品測點也是通過在螺栓上攻螺紋的方式進行連接，提升試驗連接可靠性。

圖13 蓄壓器振動試驗控制點安裝位置及方法示意圖Fig.13 Schematic diagram of the installation position and method for the control point of accumulator vibration test

2.5 低溫傳感器靈敏度的修訂

本文低溫振動試驗是在液氮的低溫環境下進行的，傳感器靈敏度在低溫狀態下會發生漂移，從而影響試驗結果的準確性，傳感器的靈敏度與溫度之間存在一定的變化規律。因此，本文為避免靈敏度漂移給試驗帶來的誤差，給出了一種傳感器靈敏度的修訂方法。

首先，本文實測低溫工況下的產品表面各重要位置的實際溫度。

1）溫度測量。在蓄壓器下法蘭面、轉接塊側面、轉接塊上端面、膜盒安裝法蘭面、手動開關安裝螺釘和手動開關端面處貼上鉑電阻，如圖14 和圖15所示。然后往蓄壓器殼體內部充滿液氮，持續測量采集鉑電阻處溫度，試驗過程中蓄壓器內部一直保持液氮低溫環境。通過溫度測量，測得蓄壓器的各處溫度進行統計和對比（見表8），試驗開始前需要對不同位置測點所對應的傳感器按照表8 的測試溫度進行靈敏度值修訂。

圖14 蓄壓器振動試驗測溫點安裝位置及方法示意圖Fig.14 Schematic diagram of the installation position and method for the measurement point of accumulator vibration test

2）靈敏度修訂。在低溫試驗時，要根據傳感器的工作溫度對傳感器的靈敏度進行修正，修正依據為傳感器廠家給出的傳感器靈敏度與溫度的變化曲線。本文所使用的傳感器靈敏度隨溫度的變換曲線為-0.03% ℃-1，常溫參考22 ℃。例如，測定4傳感器在低溫-85 ℃下的靈敏度系數為1.032 1，其余測點對照測點溫度及變化曲線進行靈敏度修訂。

3 試驗結果

根據試驗過程中各個問題的分析和完善，按照試驗要求進行蓄壓器低溫振動試驗。本次試驗過程中，控制方式采用多點平均控制［10-11］，試驗環境符合試驗要求，設備運轉正常，無異常發生，整個試驗過程滿足試驗要求。試驗測試后產品外觀由產品負責人進行了共同的鑒定，無異常現象，試驗曲線均滿足試驗要求。產品狀態方面，蓄壓器膜盒壓力正常，指標參數滿足設計要求。主要可以得到以下結論：

1）改進蓄壓器安裝方式后，靜應力大幅降低，產品實驗時間增加到原來1.5 倍時仍然能通過低溫振動試驗的驗證。

2）試驗中采用的低溫傳感器大大降低了傳感器因使用溫度超出允許溫度范圍給試驗帶來的不確定性風險，有效提高了蓄壓器低溫振動試驗的穩定性和可靠度。通過對傳感器在低溫下的靈敏度進行修正，盡可能地降低了試驗的誤差，提高了試驗的準確度。

3）本文對低溫振動試驗參數，如頻率分辨率df參數設置進行了固化，有效地排除了試驗過程中由于參數設置給產品性能帶來的影響。

4）低溫振動試驗中測點傳感器的安裝采用了螺接的方式，避免了螺釘斷裂的問題，保障了傳感器的連接可靠性，從而保證了整個低溫振動試驗的完成。

4 結束語

本文基于某型蓄壓器低溫振動試驗問題需求及試驗要求，確定了試驗方案，解決了液氮狀態下的低溫振動問題，包括頻率分辨率df對試驗結果的影響、低溫結冰問題的分析、試驗測試中蓄壓器及傳感器的安裝、傳感器靈敏度修訂等問題，解決了影響低溫振動試驗的各項問題，保證了低溫振動試驗的順利完成。本文采用多點平均控制的控制方式，完成了包括特征掃頻、正弦振動鑒定級試驗、隨機振動鑒定級試驗和定頻振動鑒定級試驗在內的低溫振動試驗項目，試驗結果可靠性強，滿足試驗要求，試驗環境符合要求，設備運轉正常無異常發生，試驗結果及曲線滿足要求。但是，本文仍有一些不足之處，后續試驗中應進一步考慮內六角螺釘易被結冰堵塞無法復測力矩等問題的解決方法。