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內(nèi)容提要：

 

當(dāng)前產(chǎn)品振動試驗(yàn)中斷處理方法主要依據(jù)GJB 150A和MIL-STD-810G標(biāo)準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)只涉及一般性處理要求，缺乏具體的處理細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)，導(dǎo)致實(shí)用性降低。因此，本文針對基于LMS Test. Lab的電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)，詳細(xì)研究了振動試驗(yàn)中典型的中斷處理方法。

 

本文首先分析了LMS振動控制采集分析軟件和振動臺系統(tǒng)的組成和工作原理，然后歸納總結(jié)了振動試驗(yàn)常見的中斷原因和通用處理方法，最后從軟件異常、硬件故障和人因中斷等三方面分析研究了振動試驗(yàn)中斷處理方法，有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員快速有效處理振動試驗(yàn)中斷問題，縮短停機(jī)時(shí)間，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為軍民產(chǎn)品振動環(huán)境與可靠性試驗(yàn)大綱制定提供了參考。

 

引言

 

產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲存、使用過程中可能經(jīng)受各類復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的考驗(yàn)，振動環(huán)境會導(dǎo)致產(chǎn)品及內(nèi)部的動態(tài)位移，引發(fā)產(chǎn)品疲勞、磨損、強(qiáng)度破壞等結(jié)構(gòu)故障，工作失靈、性能降低、超出容差范圍等功能故障，連接件松動分離、元器件脫落等工藝故障。為了評價(jià)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，暴露生產(chǎn)工藝缺陷，通常使用振動臺模擬產(chǎn)品典型或極限振動工況，考核振動對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能性能、制造工藝等方面影響。

 

振動試驗(yàn)程序一般包括初始正弦掃頻、功能試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、最后正弦掃頻。其中，初始正弦掃頻目的是尋找和確定試件的共振頻率，使試件出現(xiàn)功能故障、性能指標(biāo)超差的危險(xiǎn)頻率；功能試驗(yàn)旨在考核產(chǎn)品振動條件下的電性能特性，試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品通電；耐久試驗(yàn)則是考核產(chǎn)品強(qiáng)度、剛度、疲勞與壽命，僅在試驗(yàn)前后通電；最后正弦掃頻通過檢查產(chǎn)品在試驗(yàn)前后的響應(yīng)及性能變化情況，幫助確定產(chǎn)品試驗(yàn)后的疲勞特性和潛在損傷[1-3]。

 

振動試驗(yàn)臺作為模擬真實(shí)振動環(huán)境效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備，主要分為機(jī)械振動臺、電動振動臺和液壓振動臺三類。其中，電動振動臺具有工作頻率范圍寬，波形失真小，控制方便，抗干擾能力強(qiáng)，誤差小，精度高等優(yōu)點(diǎn)，在電子、機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4]。

 

相較于一般民用產(chǎn)品，軍用產(chǎn)品振動試驗(yàn)更加強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)控制的安全性，并且對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與信號處理的需求較高。因此，LMS Test. Lab振動控制采集分析系統(tǒng)憑借著良好的安全穩(wěn)定性和高速多通道數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)、分析、電子報(bào)告功能，在武器裝備，尤其是航空航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。但是，LMS Test. Lab也存在軟件保護(hù)環(huán)節(jié)過多，設(shè)置流程細(xì)節(jié)繁雜的缺點(diǎn)，給工程技術(shù)人員的現(xiàn)場使用帶來了困難。

 

試驗(yàn)中斷處理為產(chǎn)品振動試驗(yàn)大綱中必不可少的部分，合理的試驗(yàn)中斷處理能降低過試驗(yàn)、欠試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短停機(jī)時(shí)間，減少試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用等。試驗(yàn)中斷的處理方法與產(chǎn)品特性、試驗(yàn)方法、中斷原因、中斷時(shí)刻等密切相關(guān)，因此較為復(fù)雜。當(dāng)前產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中斷處理方法主要依據(jù)GJB150A和MIL-STD-810G標(biāo)準(zhǔn)，但是大多數(shù)只涉及到一般性處理要求，缺乏具體處理方法和注意事項(xiàng)，增加了工程技術(shù)人員使用標(biāo)準(zhǔn)的難度。

 

本文針對基于LMS Test. Lab的電動式振動臺系統(tǒng)，分析總結(jié)了振動試驗(yàn)中斷原因和標(biāo)準(zhǔn)中的一般處理要求，詳細(xì)研究了振動試驗(yàn)中斷處理方法，為設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員快速有效處理振動試驗(yàn)中斷問題提供了有效的參考。

 

01、基于LMS Test. Lab的振動試驗(yàn)系統(tǒng)原理

 

電動振動臺系統(tǒng)由電動式振動臺、功率放大器、冷卻單元、滑臺系統(tǒng)、勵磁、振動控制儀、測量分析儀、計(jì)算機(jī)等組成，可以完成正弦振動、隨機(jī)振動等環(huán)境與可靠性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)GJB 150A、MIL 810G、GB/T 2423、TB/T 3058等系列標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

 

LMS Test. Lab將振動控制與信號的采集、分析和后處理模塊集成在同一平臺中，包括數(shù)據(jù)采集前端、測試分析軟件，以及測量傳感器等輔助試驗(yàn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)正弦、隨機(jī)、沖擊、跟蹤與諧波駐留、時(shí)頻域記錄與分析等功能。

 

試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖（圖1）

 

試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖1所示，振動臺依據(jù)電磁感應(yīng)原理，通電動圈組件在磁路組件中受到電磁力而運(yùn)動，與之相連接的臺面就會產(chǎn)生振動。當(dāng)控制儀設(shè)定產(chǎn)生的振動信號經(jīng)功率放大器放大后，傳到振動臺動圈繞組上，振動臺就會按要求進(jìn)行振動，測試分析儀也會監(jiān)測到相應(yīng)的的振動信號用于分析處理。冷卻單元通過閉環(huán)水循環(huán)保障振動臺工作時(shí)動圈和勵磁線圈處于正常溫度范圍內(nèi)。由于開展實(shí)際振動試驗(yàn)時(shí)，試件和夾具的尺寸有時(shí)會大于振動臺動圈臺面，因此一般會加裝擴(kuò)展臺面?；_是在水平方向振動試驗(yàn)中傳遞振動的試件支撐裝置，通過靜壓軸承之間形成的油膜將滑板浮起，使滑板在振動臺的驅(qū)動下，沿力的作用方向做往復(fù)運(yùn)動。油泵為滑臺提供液壓油回路。夾具盡可能地模擬邊界條件，將振動不失真的傳遞給試件。控點(diǎn)傳感器安裝在夾具上試件與夾具的結(jié)合面，靠近固定點(diǎn)，測點(diǎn)傳感器則選在試件上剛度較大的位置，避免局部薄壁振動。

 

02、振動試驗(yàn)中斷處理原因及一般要求

 

2.1 振動試驗(yàn)中斷原因

 

試驗(yàn)系統(tǒng)停機(jī)、試件故障、人因中斷等三類因素都有可能引發(fā)振動試驗(yàn)中斷，如圖2所示，試驗(yàn)系統(tǒng)停機(jī)主要包括軟件通訊等故障、控制參數(shù)超出允差范圍、測量信號異常等軟件異常，以及功放、勵磁、冷卻系統(tǒng)、控制測量系統(tǒng)等試驗(yàn)設(shè)備報(bào)警/停機(jī)，水電氣供應(yīng)異常等硬件故障；試件故障主要有試件外觀損傷、結(jié)構(gòu)破壞，或者設(shè)計(jì)工藝缺陷造成的功能性能異常；人因故障涵蓋試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置出錯(cuò)、夾具試件傳感器安裝方式不恰當(dāng)、響應(yīng)過大需要調(diào)整試驗(yàn)條件、試驗(yàn)期間人員/設(shè)備難以協(xié)調(diào)等方面[6]。

 

圖2 振動試驗(yàn)中斷原因分析

 

2.2 振動試驗(yàn)中斷處理一般要求

 

GJB 150A和MIL-STD-810G將試驗(yàn)中斷情況歸結(jié)為允差內(nèi)中斷和超允差中斷兩大類，其中超允差中斷又細(xì)分為欠試驗(yàn)條件中斷和過試驗(yàn)條件中斷，這兩種標(biāo)準(zhǔn)處理試驗(yàn)中斷的一般要求如圖3所示[7-8]。

 

圖3 振動試驗(yàn)中斷處理邏輯框圖

當(dāng)試驗(yàn)開始并發(fā)生中斷，試驗(yàn)條件仍保持在允差范圍內(nèi)時(shí)，不構(gòu)成一次中斷，因此若在中斷期間試驗(yàn)條件保持在正確的試驗(yàn)量值，從中斷點(diǎn)繼續(xù)試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間不變。當(dāng)出現(xiàn)超允差中斷時(shí)，需要判斷是欠試驗(yàn)還是過試驗(yàn)。對于欠試驗(yàn)中斷，從低于試驗(yàn)條件的點(diǎn)重新達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)條件，恢復(fù)試驗(yàn)直至結(jié)束。對于過試驗(yàn)中斷，若無安全問題，且試件無損傷，且能證明過試驗(yàn)條件對試件沒有任何影響，則繼續(xù)試驗(yàn)，適當(dāng)延長時(shí)間。若試件出現(xiàn)損傷，對于不可修的試件和關(guān)鍵部件需修復(fù)的試件，則應(yīng)采用新的試件重新進(jìn)行試驗(yàn)，做完規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間；對于可修復(fù)的試件，修復(fù)部位非關(guān)鍵時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)修復(fù)的試件重新開始整個(gè)試驗(yàn)。對于過試驗(yàn)后使用修復(fù)試驗(yàn)繼續(xù)試驗(yàn)的情況，應(yīng)征得委托方同意，避免后續(xù)出現(xiàn)失效時(shí)引發(fā)爭議。一旦過試驗(yàn)中斷導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題，應(yīng)使用新試件重新試驗(yàn)[9]。

 

03、LMS Test. Lab試驗(yàn)中斷處理方法

 

中斷過程應(yīng)對試件外觀、結(jié)構(gòu)、功能性能進(jìn)行檢查，分析試驗(yàn)前后控制曲線和響應(yīng)曲線，關(guān)注敏感點(diǎn)的危險(xiǎn)頻率，評估試件是否發(fā)生了變化或失效。同時(shí)，試驗(yàn)中斷時(shí)，振動系統(tǒng)由于慣性等原因可能會產(chǎn)生大量級的瞬態(tài)沖擊力，造成過試驗(yàn)。應(yīng)根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合試件的響應(yīng)特性、瞬態(tài)沖擊的量值、頻率、持續(xù)時(shí)間等因素對過試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

 

由于振動試驗(yàn)為應(yīng)力累積效應(yīng)和特定功能退化的作用原理，作用效果與中斷時(shí)間長短無關(guān)，因此在保證中斷期間試件不受額外應(yīng)力的前提下，出現(xiàn)允差內(nèi)中斷時(shí)可直接從試驗(yàn)中斷點(diǎn)處直接恢復(fù)繼續(xù)完成試驗(yàn)。若試件損壞失效，則應(yīng)修復(fù)失效部件或更換新試件。若超允差過試驗(yàn)中斷未發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)安全、性能和材料問題，可以將過試驗(yàn)時(shí)間計(jì)入總試驗(yàn)時(shí)間，但均衡的持續(xù)時(shí)間不計(jì)在內(nèi)。若超允差欠試驗(yàn)中斷，應(yīng)充分考慮欠試驗(yàn)的量級和時(shí)間，隨機(jī)振動試驗(yàn)可借鑒低量值激勵均衡的處理方法，允許的持續(xù)時(shí)間為：

•均方根值低于-12 dB時(shí)，無時(shí)間限制；

•均方根值在-12 dB~-6 dB之間時(shí)，不超過規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間的1.5倍；

•均方根值在-6 dB~0 dB之間時(shí)，不超過規(guī)定時(shí)間的10 %[10]。

 

對應(yīng)振動試驗(yàn)中斷原因，分別從軟件異常、硬件故障、人因中斷等三方面對基于LMS Test. Lab的振動試驗(yàn)中斷處理方法進(jìn)行分析，試件異?；蚬收喜辉诒疚挠懻摲秶?。

 

3.1 軟件異常

 

通信故障：在啟動LMS軟件時(shí)，出現(xiàn)掃描不通，無法連接控制儀的情況，應(yīng)檢查確認(rèn)線纜連接正常后重啟軟件和控制儀。值得注意的是，控制儀與軟件導(dǎo)通連接掃描測試，應(yīng)在軟件打開后立即執(zhí)行，若先打開項(xiàng)目文件，則無法找到硬件設(shè)備，造成通信異常。

 

自檢異常：LMS軟件出現(xiàn)DAC過載報(bào)警時(shí)，應(yīng)提升驅(qū)動電壓，否則自檢無法通過；出現(xiàn)低啟動電壓警告的原因是傳感器量程過大，靈敏度太低，應(yīng)適當(dāng)調(diào)低傳感器量程；出現(xiàn)開環(huán)報(bào)警時(shí)，應(yīng)使該通道信噪比大于開環(huán)信噪比閾值；若自檢環(huán)節(jié)太慢，應(yīng)進(jìn)行自檢加速8/16/32倍Flat設(shè)置；檢查信號通路，防止信號干擾，否則自檢完成后，振動臺可能自發(fā)出現(xiàn)連續(xù)敲擊聲。

 

試驗(yàn)報(bào)警：試驗(yàn)開始后出現(xiàn)的LMS軟件報(bào)警停機(jī)主要分為開環(huán)停機(jī)、過載停機(jī)和試驗(yàn)曲線異常三類

 

•開環(huán)停機(jī)：當(dāng)控點(diǎn)開環(huán)停機(jī)時(shí)，應(yīng)增大傳感器量程，同時(shí)通過設(shè)置最大允許開環(huán)數(shù)，忽略部分控點(diǎn)開環(huán)，但是禁止忽略全部控制點(diǎn)，以防瞬時(shí)大電流，造成設(shè)備損壞；當(dāng)測點(diǎn)開環(huán)停機(jī)時(shí)，應(yīng)設(shè)置忽略測點(diǎn)開環(huán)，這是因?yàn)槿S傳感器僅振動方向有信號，其他兩方向無信號或信號極弱，若限幅測點(diǎn)開環(huán)，應(yīng)額外設(shè)置忽略限幅點(diǎn)開環(huán)，由此帶來的不利后果是無法反映傳感器及連線是否松脫。

 

•過載停機(jī)：在發(fā)生信號過載停機(jī)時(shí)，應(yīng)設(shè)置忽略控點(diǎn)或測點(diǎn)過載，而與傳感器量程設(shè)置無關(guān)。事實(shí)上，忽略控點(diǎn)過載的設(shè)置，由于具有風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)應(yīng)隨時(shí)準(zhǔn)備停止。值得注意的是，在實(shí)時(shí)時(shí)域信號監(jiān)測過程中并未發(fā)現(xiàn)超限異常，這是采樣頻率過低，異常點(diǎn)顯示不全的緣故。

 

•試驗(yàn)曲線異常：當(dāng)控點(diǎn)曲線超差時(shí)，應(yīng)調(diào)寬停機(jī)線，增加報(bào)警、停機(jī)允許線數(shù)和超限重復(fù)次數(shù)，提高傳感器量程，同時(shí)信噪比調(diào)低，最小可設(shè)為1；若測量信號異常，則應(yīng)在中斷期間檢查設(shè)備結(jié)構(gòu)是否故障、傳感器及線纜是否松脫。

 

3.2 硬件故障

 

對于水電氣異常造成的試驗(yàn)中斷，包括試件施加的電應(yīng)力突然中斷等，應(yīng)檢查相關(guān)設(shè)備是否出現(xiàn)報(bào)警信號，確認(rèn)供應(yīng)設(shè)備狀態(tài)，確認(rèn)連接線纜、水氣管路正確連接。

 

針對功放報(bào)警/停機(jī)中斷，開展水平方向試驗(yàn)時(shí)，可能出現(xiàn)靜壓軸承壓力報(bào)警，應(yīng)松開牛頭連接，微調(diào)振動臺臺體傾角，達(dá)到更水平的狀態(tài)，使連接性能更優(yōu)。開展垂直方向試驗(yàn)時(shí)，可能出現(xiàn)功放過位移報(bào)警，應(yīng)調(diào)節(jié)臺體氣囊以及支撐氣囊壓力，保證上下氣囊的耳軸間隙一致，以確保臺體在振動中無碰撞。當(dāng)執(zhí)行大量級正弦試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)功率需求很大，可能出現(xiàn)功放輸出過載停機(jī)，應(yīng)檢查功放線纜是否完好，連接是否正常，控點(diǎn)信號是否異常，造成瞬時(shí)大電流。特別地，夏冬兩季實(shí)驗(yàn)室由于大量使用空調(diào)等電器設(shè)備，會出現(xiàn)總斷路器電流過載跳閘斷電，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保試驗(yàn)系統(tǒng)供電容量足夠。

 

3.3 人因中斷

 

排查通道選擇、傳感器參數(shù)、試驗(yàn)條件等，避免參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤；確認(rèn)傳感器安裝牢固，連接線留有適當(dāng)余量，無緊拽現(xiàn)象，確認(rèn)電纜線連接到控制儀的對應(yīng)采樣通道上連線、控點(diǎn)位置選擇合理；委托方在試驗(yàn)現(xiàn)場會根據(jù)振動響應(yīng)情況對試驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整，一般設(shè)置控制曲線下凹，對指定一個(gè)或多個(gè)測點(diǎn)，在一定頻率范圍內(nèi)設(shè)定限幅試驗(yàn)條件；人員/設(shè)備無法協(xié)調(diào)等原因無法連續(xù)做試驗(yàn)，被迫中斷。

 

結(jié)論

 

本文介紹了基于LMS Test. Lab的電動式振動臺系統(tǒng)的組成與工作原理，分析總結(jié)了振動試驗(yàn)中斷原因，以及GJB150A和MIL-STD-810G標(biāo)準(zhǔn)的一般中斷處理要求，從軟件異常、硬件故障、人因中斷等三方面詳細(xì)研究了基于LMS Test. Lab振動試驗(yàn)中斷處理方法與注意事項(xiàng)。最后，針對振動試驗(yàn)中斷處理給出了以下四點(diǎn)建議：

 

•設(shè)計(jì)人員應(yīng)推演可能出現(xiàn)的各類中斷情況，在試驗(yàn)大綱中詳細(xì)制定試驗(yàn)中斷處理辦法，試驗(yàn)人員在遇到突發(fā)狀況時(shí)應(yīng)按大綱要求正確及時(shí)地處理試驗(yàn)中斷。試驗(yàn)超允差中斷后應(yīng)結(jié)合試件狀態(tài)全面評估影響，若欠試驗(yàn)時(shí)發(fā)生故障，按故障處理；若過試驗(yàn)時(shí)無故障，評估確認(rèn)無影響后可認(rèn)為試驗(yàn)通過。大型試驗(yàn)各崗位人員安排應(yīng)采用雙崗制，分別負(fù)責(zé)操作和檢查，確認(rèn)軟件設(shè)置正確，硬件連接合理，減少人因中斷。

 

•試驗(yàn)臺、擴(kuò)展臺面、控制系統(tǒng)、夾具試件重量及形狀等都會影響控制效果，尤其是夾具設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循質(zhì)量小、剛度大的原則，優(yōu)選鑄造、其次焊接、最次螺接，避免多次螺接。垂直擴(kuò)展臺面過大，而試件質(zhì)量較小時(shí)，多點(diǎn)平均控制的控點(diǎn)附近若不便于加裝固定螺釘，應(yīng)額外采用壓條壓接，保證信號良好傳遞，避免振動信號放大嚴(yán)重。

 

•注意傳感器量程與靈敏度的權(quán)衡選擇，量程太小時(shí)長時(shí)間過載對傳感器自身結(jié)構(gòu)、功能性能都會產(chǎn)生不利影響，致使傳感器參數(shù)漂移，而量程太大靈敏度又不夠，造成試驗(yàn)控制超差，出現(xiàn)過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。特別是控制傳感器量程過載的情況，只能采取忽略控點(diǎn)過載的設(shè)置，以保障試驗(yàn)正常開展。該操作雖然可行，在傳感器量程不夠的情況下保證了試驗(yàn)的順利開展，但是具有很大的失控風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)做好隨時(shí)中斷試驗(yàn)的準(zhǔn)備。

 

•比較掃頻曲線發(fā)現(xiàn)特征頻率小幅度漂移，或者正式試驗(yàn)后出現(xiàn)異常信號時(shí)，試驗(yàn)人員僅從試件外觀無法發(fā)現(xiàn)潛在問題，難以確定受試設(shè)備是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障，可分析時(shí)域曲線，有助于發(fā)現(xiàn)隱患，采取相應(yīng)措施，避免試驗(yàn)超差的風(fēng)險(xiǎn)。

 

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作者：李鵬1,2，辛敏成1，張海濤1，劉凱1,2，鄒田驥1,2，呂從民1,2,*

 

單位：1. 中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心；2. 中國科學(xué)院大學(xué)