高量級隨機振動試驗用滑臺動態特性分析

孫立明，路梓照，閆旭東

（1.北京強度環境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

振動環境試驗是考核產品耐振動環境適應性的重要研究手段，在航空航天領域，隨機振動環境較為普遍。當前實驗室為模擬產品的振動環境，通常利用振動臺實現平穩、各態歷經的隨機振動試驗。電動振動臺可借助附加臺面或轉接夾具與產品連接，實現垂直方向振動環境試驗，水平滑臺是振動臺連接的水平輔助設備，用以實現水平振動環境試驗。

近年來航空航天領域產品隨機振動環境試驗考核要求越來越高，經常遇到短時高量級的振動條件[1]，實驗室現有電動振動臺隨機加速度輸出不超過60 g，感應式電動振動臺可實現隨機加速度輸出100 g以上。但進行隨機振動試驗時，需要綜合振動方向、輔助臺面及夾具質量等方面考慮，現有設備試驗能力往往無法滿足高量級振動試驗要求。以10 T感應式電動振動臺為例，10 T感應式電動振動臺隨機最大加速度輸出可達130 g，運動部件等效質量60 kg，振動臺配套水平滑臺或垂直擴展臺面質量近120 kg，振動臺安全輸出隨機加速度不超過50 g。因此需要設計一種有效方法，使得現有設備能力實現更高量級振動條件。

1 高量級隨機振動試驗概況

隨機振動環境是衛星發射歷經的重要力學環境，主要頻率范圍是20～2 000 Hz。航天器發射彈道中主動段泄壓裝置依據相關裝置環境試驗矩陣及力學環境試驗要求[2]，寬帶隨機振動試驗均方根加速度值達49.16 g。

航炮安裝于戰斗機、武裝直升機或轟炸機等航空載體上，炮擊作用時，作用時間短，瞬時加速度響應高達幾十個g或幾百個g，頻率范圍集中在300～600 Hz[3]。航炮打炮空測結果表明，某新型飛機炮艙的主要承力件炮梁，距炮口10 cm處的環境艙炮振的均方根加速度值高達73 g[4]。某型戰斗機通信設備依據試驗標準及產品規范，采用寬帶隨機疊加窄帶隨機混合模式進行炮振試驗考核，試驗量級達60.12 g。

可靠性強化試驗是一種采用加速應力的可靠性研制試驗，目前已在航天運載火箭領域得到應用。強化試驗中振動步進應力對振動試驗臺推力提出更高的要求。文獻[5]提到某新型運載火箭的伺服機構起始隨機振動均方根值73.06 g，以3 g為步長逐步增大量級，直至達到起始振動均方根值的1.25倍（91.325 g）。

2 高量級隨機振動試驗實現方法

振動試驗中推力的計算公式為：

式中：

m—振動臺運動部分有效質量、輔助臺面質量、夾具和產品質量的總和；

a—試驗加速度。

隨機振動試驗時，振動臺推力一般認為是滿推力的80 %[6]。根據振動推力計算公式，在振動臺實現高量級隨機振動試驗主要有兩種方法：一是減輕試驗質量，包括輔助設備及試驗夾具；二是通過放大工裝，在振動臺現有推力基礎上實現高量級輸出。

目前實驗室實現高量級隨機振動試驗主要通過垂直振動臺實現三個方向，具體形式見圖1、圖2，垂直振動臺進行振動試驗，可減少水平滑臺部分質量，在推力一定情況下，有效提高振動量級。但這種安裝方式與產品實際安裝方式不一致，尤其對于帶減振器的產品，重力對減振器的影響無法忽視，對于敏感部件，容易損壞，無法真實滿足使用環境。

文獻[5]利用工裝諧振原理，對圓盤工裝進行技術改造， 使振動量級從振動臺臺面到工裝與產品連接位置處放大，實現低量級輸入下的高量級輸出，解決振動臺推力不足的難題。利用工裝諧振原理設計的放大工裝，雖然可以實現高量級的振動試驗，但往往針對性較強，屬于專用工裝，工裝設計繁瑣，其復雜的頻響特性可能會造成振動試驗控制超差，需要理論與試驗驗證。

實驗室10 T振動臺配套水平滑臺臺面尺寸為1 000 mm*1 000 mm，質量為102 kg，無法滿足小尺寸產品高量級隨機振動試驗。實驗室根據產品尺寸及試驗量級，通過改造水平滑臺，設計小滑板進行試驗。小滑板臺面尺寸740 mm*300 m，質量為43.4 kg，材料為硬鋁。小滑板的設計保證了產品的實際安裝狀態，同時降低了附加質量，提高了振動量級，但是產品與小滑板安裝通常需要設計轉接工裝，附加質量減少有限。

3 水平滑臺工裝設計

圖1 垂直方向振動狀態示意

圖2 水平方向振動狀態示意

為實現水平方向高量級隨機振動試驗，有效減輕水平滑臺及夾具等輔助設備質量，設計了一種適用振動臺水平方向試驗的振動工裝，該水平滑臺工裝為T型工裝，通過圓盤底板可實現直接與振動臺動圈連接，實驗室常用振動臺動圈安裝孔為M12螺紋孔，布孔直徑為φ200 mm與φ400 mm。水平滑臺工裝安裝臺面尺寸350 mm*350 mm，質量25 kg，材料為硬鋁。試驗產品通過配打安裝孔直接安裝在工裝臺面上，可實現水平方向振動。

相比放大工裝，水平滑臺工裝更有通用性；相比垂臺方向實現產品水平振動，可以避免自重對敏感部件的損傷；相比小滑臺設計改造，工裝減重明顯，減少振動傳遞時的推力損失，可大幅提高振動量級。工裝與振動臺連接試驗狀態示意圖見圖3、圖4。

4 滑臺特性分析

建立水平滑臺工裝與小滑板兩種不同類型滑臺的有限元模型，綜合仿真模型及隨機振動控制算法，對水平滑臺工裝與小滑板進行臺面閉環控制隨機振動試驗仿真，以分析兩種類型滑臺特性。

4.1 基于隨機振動控制理論的滑臺特性分析

實驗室進行的隨機振動試驗系統大多是閉環控制，通過調節驅動信號使得試驗控制點的加速度功率譜密度曲線滿足設定的剖面[7]。當給系統輸入一個激勵信號，系統會產生一個響應信號。輸入與輸出之間的關系為：

式中：

Y(f)—輸出信號；

X(f)—系統輸入信號；

H(f)—系統頻響函數。

在寬帶隨機振動控制過程中，我們只關心頻域的幅值特性，故式（2）可以變換為輸入輸出信號自功率譜函數的關系式，即：

式中：

Sy(w)、Sx(w)—輸出和輸入信號的自功率譜密度。

仿真計算時，要使振動臺面的控制點滿足試驗給定的參考譜，即，則要求驅動譜滿足如下要求：

4.2 仿真模型驗證

采用有限元軟件對水平滑臺工裝與小滑板進行模態計算[8]。水平滑臺工裝邊界條件為約束工裝下平板與振動臺動圈連接螺栓孔位移；小滑板邊界條件為約束振動臺動圈與滑板連接面軸向位移，約束滑板軸承底面的法向位移。

圖5 為水平滑臺工裝與小滑板的一階軸向模態示意圖，圖6是分別對兩種類型滑臺系統進行空載正弦掃描所得的試驗曲線。具體結果見表1。

對水平滑臺工裝與小滑板進行隨機振動試驗仿真，選用平直譜進行計算，頻段范圍為10～2 000 Hz，功率譜密度為0.02 g2/Hz，均方根值為6.31 g。真實試驗狀態和測點分布如圖7所示。選取1#和2#點作為平均控制點，3#、4#、5#作為測量點。圖8和圖9給出仿真與試驗對比情況。

圖3 水平滑臺工裝

圖4 水平滑臺工裝振動狀態示意

圖5 滑臺一階軸向模態示意圖

圖6 滑臺系統空載掃頻試驗曲線

通過仿真與試驗數據對比，可以看出仿真試驗控制點平均響應與試驗控制點平均響應吻合較好，在3 dB控制容差內。測點在1 000 Hz以內吻合較好，高頻產生差異。這與仿真模型精度有關，試驗過程中各部件的連接結構存在非線性，仿真過程基于線性假設，邊界模擬、部件連接特性等無法完全與實際保持一致，且非線性隨著頻率增大逐漸明顯。仿真與試驗頻率出現一定偏離，但仿真與試驗結果趨勢一致，仿真滿足分析要求，模型可用以后續特性分析。

4.3 兩種類型滑臺特性分析

1）控制效果

基于仿真模型，分別對水平滑臺工裝和小滑板兩種類型滑臺臺面施加5～20 kg配重模擬產品，并進行隨機振動試驗仿真，仿真結果見圖10及表2。

表1 兩種類型滑臺一階軸向固有頻率結果對比

圖7 滑臺振動試驗示意圖

圖8 水平滑臺工裝試驗與仿真結果對比

圖9 小滑板試驗與仿真結果對比

圖10 不同產品重量隨機振動試驗控制特性

表2 不同產品重量隨機振動控制總均方根值

通過圖10和表2可以看出，小滑板在安裝5～20 kg產品進行試驗時，控制效果較好，功率譜密度控制在允差±3 dB范圍內，總均方根值控制在±10 %范圍內。

水平滑臺工裝安裝15 kg以內產品，控制效果較好，安裝20 kg產品進行試驗時，功率譜密度出現超差，總均方根值超出10 %范圍。水平滑臺工裝安裝質量大于20 kg產品時，控制系統無法快速均衡，需要多次疊代過程才能達到要求。高量級隨機振動試驗，一般試驗時間較短，要求隨機控制系統能快速均衡，同時因為試驗系統及產品的非線性，從低量級到高量級過渡過程中，也應盡量快速均衡，保證功率譜密度及總均方根值在允差范圍內。因此建議水平滑臺工裝進行試驗時，產品重量不大于15 kg。

2）輸出量級

以實驗室10 T推力電磁感應臺為例，根據振動試驗中推力計算公式，分別對兩種類型滑臺進行最大加速度輸出估算。振動臺推力按滿推力的80 %考慮，振動臺動圈質量60 kg，小滑板質量43.3 kg，水平滑臺工裝質量25 kg，假設產品安裝尺寸為200 mm*200 mm，質量為5 kg，產品與小滑板轉接工裝為3 kg，忽略安裝螺釘質量，則小滑板最大輸出加速度為71.88 g，水平滑臺工裝最大輸出加速度為88.89 g，相比小滑板，水平滑臺工裝量級可提升23.7 %。

5 總結

本文提出一種新的工裝形式，可以滿足大量級水平向振動試驗需求，并對水平滑臺工裝和小滑板兩種不同類型滑臺進行特性分析。

通過分析，一方面小滑板在安裝質量稍大產品時隨機振動控制效果較好，水平滑臺工裝安裝質量20 kg產品時控制出現超差，建議產品質量控制在15 kg以內；另一方面，與小滑板相比，水平滑臺工裝臺面可直接安裝產品，有效減輕輔助設備質量，減少振動傳遞時的推力損失，大幅提高振動量級。總體來說，兩種類型滑臺各有優缺點，試驗時建議結合產品尺寸、產品質量、試驗量級綜合進行選擇。

該水平滑臺工裝的設計及特性分析對比，對大量級振動試驗的工裝選擇和基于現有振動臺提升量級有指導意義。