影響振動試驗效果的因素及解決方案

萬英英 楊爭彪

（西安航空制動科技有限公司，興平 713100）

環境振動試驗是航空電子產品及液壓附件產品研制過程中必不可少的功能驗證環節，目的在于驗證產品是否能在承受規定的振動環境條件下維持性能完好，并保持結構完整。振動臺在進行環境振動試驗時會受各種因素影響，導致振動實驗結果不準確，嚴重時會直接導致振動試驗失敗，無法判定產品性能是否滿足設計需要[1]。本文將對影響振動試驗結果的因素進行分析，并提出有效解決措施。

1 電振動臺工作原理

電振動臺具有頻率范圍寬（5～3 000 Hz）、推力大（數十噸）以及可控性好等特點，可進行隨機、正弦、沖擊以及炮振等環境振動試驗。在環境振動試驗中，目前80%以上都使用電振動臺。它基于電磁感應原理，即處于恒定磁場中的導體通過電流時導體會受到安培力的作用。半導體通過交變電流時會受到變化的力產生振動。振動臺的驅動線圈位于一個高磁感應強度的空隙，當信號發生器或控制器產生期望振動信號并經功率放大器放大后，通到驅動線圈就會產生預期波形。振動臺振動激勵系統結構如圖1所示。控制系統輸出需要的標準信號，經功率放大器放大后驅動振動臺振動。振動臺上的標準傳感器感受到振動幅值大小后，經電荷放大器放大輸出信號反饋回控制系統，最終輸出期望信號[2]。

圖1 系統結構圖

2 影響環境振動試驗效果的因素

2.1 試驗設備

要想保障振動試驗結果理想，需選擇適合該試驗件的試驗設備。在選擇環境振動試驗設備時，應根據試驗量級、試驗頻率范圍、試驗件和夾具質量來計算振動試驗所需的推力、最大加速度、最大速度及最大位移等指標選擇合適的試驗設備。所選的設備應按相關標準進行計量檢定，并要求均在計量合格有效期內。下面給出所需振動臺的參數計算方法[3]。

2.1.1 振動臺所需推力計算方法

在進行振動試驗前需要選擇合適的振動臺，因此需要計算試驗所需推力

式中：FS為振動臺所需推力，對于正弦振動試驗對應的是正弦振動峰值推力，對于隨機振動試驗對應的是隨機振動的均方根推力，單位為N；M活為所有活動部件的質量，包括動圈、夾具、試驗件和其他活動部件的質量，單位為kg；α為加速度，正弦振動試驗時為加速度峰值，隨機振動試驗時為加速度均方根，單位為m·s-2。

例如，某振動臺動圈10 kg，試驗件10 kg，夾具5 kg，隨機振動加速度均方根值為8 m/·s-2，采用式（1）計算，可以得到所需的隨機振動均方根推力為200 N，選擇振動試驗臺時振動臺隨機推力必須大于200 N。

2.1.2 正弦振動試驗最大位移、最大速度和加速度計算

正弦振動試驗通常會給出試驗頻率及其位移振幅或者加速度振幅，需要據此確定正弦振動試驗的最大位移、最大速度和最大加速度量值。假定位移振幅為A（單位為m），頻率為f（單位為Hz），則該頻率下的速度振幅和加速度振幅分別為

式中：Vm為速度振幅，m·s-1；Am為加速度振幅，m·s-1。

根據試驗規定的頻率和振動量值，計算正弦振動試驗各個規定頻率處的位移振幅、速度振幅和加速度振幅，確定正弦振動試驗所需的最大加速度、最大速度和最大位移，選擇滿足要求的振動臺。

2.1.3 隨機振動最大位移、最大速度和加速度均方根的計算

隨機振動試驗一般會給出加速度譜密度要求，計算加速度均方根，可作為隨機振動加速度要求。另外，可根據加速度譜密度W計算速度譜密度和位移譜密度

式中：V為速度譜密度，m2·s-2·Hz-1；X為位移譜密度，單位為m2·Hz-1。

得到速度譜密度和位移譜密度后，計算其對應的均方根值乘以3得到其3σ峰值，即得到隨機振動所需的最大位移和最大速度估算值。

使用上述方法，根據隨機振動給定加速度功率譜密度計算隨機振動試驗所需的最大速度、最大位移和加速度均方根值，選擇滿足要求的振動臺。

2.2 試驗夾具

試驗件在進行振動試驗時，通常需要借助專用的夾具工裝才能安裝在振動試驗臺上，進而按照給定的試驗條件進行振動試驗。經過多次試驗發現，重心高、質量大的夾具工裝在試驗頻率范圍內會出現夾具共振現象。當夾具和試驗件耦合共振時，結果可能會是災難性的。因此，振動試驗夾具設計的好壞對振動試驗的可靠性至關重要。在平時的環境振動試驗中，應盡可能避免夾具工裝與試驗件產生共振耦合等。

一般情況下，環境振動試驗夾具應滿足以下要求。

（1）夾具應盡可能質量小、剛度大。在整個試驗頻率范圍內，夾具的響應特性要平坦，第一固有頻率應高于最高試驗頻率。對于大型夾具，一階固有頻率應高于試件的第一固有頻率的2倍以上，避免發生夾具與試驗件的共振耦合[4]。

（2）夾具應能模擬試驗件的實際安裝狀態，防止因安裝狀態不同而引入非關聯故障模擬。

（3）夾具應盡量使用對稱結構，避免橫截面急劇變化。夾具與試驗件連接面上的各連接點的響應要盡量一致，以確保試驗時激勵輸入的均勻性。

（4）夾具的橫向運動（垂直于激振方向）要盡量小。

（5）設計夾具時應確保夾具和試驗件組合體的重心低，且與振動臺的中軸線相重合。

（6）夾具設計應可能選擇密度小、彈性模量與密度的比值高和阻尼高的材料。常用的材料主要為鋁合金和鎂合金，盡量不要使用鋼材制作夾具。

（7）夾具盡可能使用整體結構，盡量減少中間環節。夾具制造工藝的優先順序依次為鑄造、整體機加工、焊接及拼裝連接（螺接、黏接）。

表1是美國桑地亞公司提出的夾具設計要求[3]，在設計夾具時可作參考。

2.3 人為操作

試驗操作人員在安裝試驗夾具、試驗產品及傳感器過程中，由于安裝不牢固、安裝位置不合適或在振動臺啟動過程中未檢查各接線端是否有效連接，正式試驗時電振動臺軟件會發出警告或停機信息，造成振動試驗失敗。以下總結振動試驗過程中出現頻率較高的4種警告或停機信息及可采用的簡單解決措施，排除故障，使試驗正常運行。

2.3.1 第1種

要求的驅動信號太大無法在滿參考量值運行試驗，且仍然保持最優動態范圍和最小的驅動削波。這種情況必須降低要求的驅動信號量值。首先，檢查功放和振動臺是否已通電、處于工作模式且增益已設置為最大，檢查振動臺/功放是否有故障。其次，檢查傳感器是否安裝在合適的位置、安裝是否牢固以及工作是否正常。再次，檢查電振動臺與功放之間的驅動電纜是否正確連接且沒有損壞。最后，檢查電荷放大器輸出靈敏度是否與試驗設置中輸入的值相匹配，輸入靈敏度是否與加速度計相匹配。

2.3.2 第2種

譜控制線超過了試驗設置中的最大線數。此時，首先確保傳感器電纜兩端都已正確連接且不存在開路情況，檢查傳感器是否裝在合適的位置、安裝是否牢固以及工作是否正常。其次，檢查電荷放大器（信號調理器）和控制器之間的電纜是否正確連接且沒有損壞。再次，在非常高的Q峰和谷處的控制，有時會造成一些譜線超出停機限。如果使用大的試件進行試驗，那么采用平均控制可能有助于解決問題。最后，檢查

試件和夾具是否安裝牢固且沒有損壞。若存在損壞，可能會有一些東西破裂、松動或有卡嗒聲。

2.3.3 第3種

輸出驅動電壓超出最大限制。第一，檢查功放和振動臺是否已通電、處于工作模式且增益已設置為最大，檢查振動臺功放是否有故障。第二，確保傳感器電纜兩端都已正確連接且不存在開路情況，檢查傳感器是否裝在合適的位置、安裝是否牢固以及工作是否正常。第三，檢查電荷放大器（信號調理器）和控制器之間的電纜是否正確連接且沒有損壞。第四，檢查試件和夾具是否安裝牢固且沒有損壞。第五，檢查實際的振動臺系統性能規范。如果合適，在試驗設置中提高最大停機電壓值。在現有試驗負載重量的情況下，振動系統可能無法運行試驗，需減少負載。

2.3.4 第4種

Windows驅動不能和電振動臺控制儀建立連接。首先，檢查電振動臺控制儀是否打開。其次，將通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）線纜連接在計算機USB端口和電振動臺控制儀USB端口之間。最后，有一個主要電源故障，Windows驅動可能進入不可達狀態，需重新連接計算機和電振動臺控制儀的電源。

3 結語

本文概述影響振動試驗的主要因素及相應的解決措施。在今后的環境振動試驗中，應保證振動臺的選擇符合要求、試驗夾具設計合理、產品安裝位置合適以及人為操作的可靠性，確保振動試驗結果的準確性，更好地服務航空電子產品及液壓附件產品性能驗證和新產品的研制。