軍用車載電源可靠性試驗中隨機振動參數(shù)選擇及工程實現(xiàn)

劉美玉

（總參信息化部駐北京地區(qū)軍事代表室，北京 100039）

引言

軍用車載電源是移動通信與指控系統(tǒng)的重要組成部分，其主要用途是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地提供系統(tǒng)所需的工作電壓。因此，提高車載電源的可靠性不僅是本身的需要，也是提高裝備系統(tǒng)可靠性的需要。軍用電源在車載環(huán)境下使用，所受振動應(yīng)力主要來源于車輛行駛，這種振動屬于隨機振動[1]，是影響可靠性的重要因素，其強度取決于行駛路面及車輛。車載電源隨機振動試驗，可模擬不同車輛、在不同道路上產(chǎn)生的振動應(yīng)力，通過應(yīng)力施加考核對設(shè)備可靠性的影響，隨機振動與正弦掃描振動相比能更有效地激勵故障，提高試驗效率，因此，普遍采用隨機振動試驗。在試驗中，必須科學合理地選擇試驗參數(shù)及方案，既要高效地剔除失效，又要保證受試產(chǎn)品安全。

1隨機振動試驗的概念及提高可靠性水平的機理分析

1.1 隨機振動試驗的基本概念及表征參數(shù)

隨機振動是復雜的力學問題，是一種瞬時值不確定的機械振動，只能用概率統(tǒng)計方法定量描述。隨機振動試驗就是通過試驗模擬使用遇到的隨機振動。試驗參數(shù)通常用頻率范圍、功率譜密度（PSD）、功率譜密度譜（加速度譜密度的譜ASD）、總均方根加速度（Grms）等來描述[1]。頻率范圍是試驗平臺對產(chǎn)品產(chǎn)生的最高與最低有效激勵頻率之差。功率譜密度譜G（f）又稱加速度譜密度譜（ASD）是指單位頻率上的能量，指的是振動能量在整個頻率范圍內(nèi)的能量分布，計量單位有（g2/Hz）或 （m2/s4/）Hz?？偩礁铀俣龋℅rms）是功率譜密度在全頻段范圍內(nèi)面積的積分后的平均值，它表征的是在全頻帶內(nèi)加速度的平均強度，總均方根加速度（Grms）與振動頻率結(jié)合起來，全面表征振動試驗應(yīng)力的大小[4]。

1.2 隨機振動試驗提高產(chǎn)品可靠性的機理

對電子產(chǎn)品，隨機振動主要從下列五方面激發(fā)故障。一是隨機振動生產(chǎn)交變應(yīng)力，能使結(jié)構(gòu)件造成疲勞損傷，強度不滿足使用要求時，就會產(chǎn)生裂紋或斷裂。二是使接插件、連結(jié)導線產(chǎn)生磨擦，當應(yīng)力積累到一定程度時，就會造成松動、破裂、斷開等。三是使安裝不當電子元件、器件會由于振動開裂、或從底部斷開，產(chǎn)生短路、開路故障。四是使焊點產(chǎn)生疲勞，強度不牢或虛焊的焊點，會開裂、脫落產(chǎn)生故障。五是使緊固件松動，造成設(shè)備接觸不良、甚至脫落，使電子元器件參數(shù)漂移，造成參數(shù)變化，影響產(chǎn)品性能[6]。 通過試驗、分析、驗證，找到失效的原因，通過改進設(shè)計、生產(chǎn)工藝等措施，達到提高可靠性的目的。

2 選擇隨機振動試驗參數(shù)的基本原則

2.1 結(jié)合實際應(yīng)用，符合任務(wù)剖面

選擇隨機振動試驗參數(shù)要緊密結(jié)合實際，根據(jù)任務(wù)剖面，參照相關(guān)標準進行，車載電源振動應(yīng)力剖面是陸地、車載條件，振動應(yīng)力主要來源于行駛振動，其頻率、振幅取決于運輸車輛和行駛道路。在陸地運輸環(huán)境下，主要有公路和鐵路運輸兩種形式，由于公路運輸比鐵路運輸更為嚴酷，因此，應(yīng)以公路運輸作為運輸環(huán)境進行隨機振動試驗，行駛道路可分高速路、等級公路、野戰(zhàn)條件3種[2,4,5]。車載方式有輪式、履帶車輛2種，振動應(yīng)力主要集中在垂直方向上。選擇隨機振動應(yīng)力的主要標準有GB/T 4857.23《包裝運輸裝件隨機振動試驗方法》、GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》、GJB 150.16-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》、GJB 3493-98《軍用物資運輸環(huán)境條件》等。選擇試驗參數(shù)主要參照上述標準以及任務(wù)剖面確定。

2.2 利于剔除故障，保證產(chǎn)品安全

隨機振動試驗主要目的是剔除失效，通過應(yīng)力施加，使隱含失效以故障形式表現(xiàn)出來。選擇試驗參數(shù)一方面要保證高效地激發(fā)故障。另一方面，要考慮其破壞性，參數(shù)選擇不當，會給受試設(shè)備造成壞破，影響產(chǎn)品性能。因此，選擇試驗參數(shù)，不僅要考慮試驗效率，更要避免造成意外損傷。

2.3 結(jié)合試驗設(shè)備，利于工程實現(xiàn)

隨機振動試驗能夠準確模擬產(chǎn)品使用中遇到的振動應(yīng)力，試驗效果真實有效。但工程實現(xiàn)復雜，難度較大，開展試驗，應(yīng)注意下列五個方面問題。一是振動臺推動力應(yīng)滿足受試產(chǎn)品重量要求。試驗推動力等于加載質(zhì)量和最大試驗加速度乘積，加載質(zhì)量包括試驗臺自重、夾具重量、產(chǎn)品重量3部分[1]。二是有利于隨機振動應(yīng)力與溫度、濕度綜合應(yīng)力同時施加，以利于快速激發(fā)故障。三是溫度箱體積應(yīng)滿足受試產(chǎn)品體積及安裝方式要求。受試產(chǎn)品總體積不應(yīng)大于試驗箱總體積40%。四是受試產(chǎn)品之間保持氣體流通。使受試設(shè)備之間保持良好通氣性能，使各部分溫度變化相同。五是保證測量與監(jiān)視儀器能實時監(jiān)控受試產(chǎn)品狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)故障。

3 軍用車載電源隨機振動的工程實現(xiàn)

3.1 根據(jù)任務(wù)剖面及相關(guān)標準確定試驗參數(shù)

軍用車載電源在訓練、演習及日常維護行駛道路，主要是在陸地行駛，可參考GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》、GJB 150.16-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》、GJB 3493-98《軍用物資運輸環(huán)境條件》及《綜合電源產(chǎn)品規(guī)范》決定試驗頻率、功率譜密度、總均方根加速度等參數(shù)。在“高速公路”、“等級公路”、“野戰(zhàn)運輸”3種[4]振動施加時間，一般推薦“高速公路振動”、“等級公路振動”、“野戰(zhàn)運輸振動”時間比例為60%：20%：20%。在可靠性試驗中，每個試驗周期可按常溫振動、高溫振動、低溫振動三種形式施加，施加應(yīng)力的時間，根據(jù)可靠性試驗方案決定[5]，表1所示給出了某型車載電源隨機振動試驗參數(shù)，可供參考。

3.2 針對受試產(chǎn)品特點設(shè)計試驗夾具

試驗夾具的作用是將受試產(chǎn)品與振動試驗臺剛性連結(jié)起來，保證試驗應(yīng)力不失真地傳遞到受試產(chǎn)品上，夾具設(shè)計應(yīng)把握三個原則[1]，一是結(jié)構(gòu)盡量簡單。由于夾具的諧振頻率f0取決于各部件諧振頻率，因此，試驗夾具應(yīng)盡量簡單。二是材料要優(yōu)化。夾具固有頻率的主要決定于比剛度（E/ρ），其中E是材料楊氏模量，ρ是材料密度，比剛度越大密度越小、質(zhì)量越輕，對推力影響就越小。三是形狀要匹配。夾具應(yīng)與受樣品的幾何形狀相匹配，以便更好地發(fā)揮固定作用。

表1 某型電源隨機振動參數(shù)

3.3 正確設(shè)置參數(shù)實施隨機振動試驗

隨機振動試驗臺工作原理如圖1所示。其中，振動控制器有一個白噪聲發(fā)生器，主要功能是在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生白噪聲。按試驗參數(shù)設(shè)置的功率譜密度，使白噪聲按功率譜曲線控制頻譜變化，并通過傅立葉變換，將頻域信號變換成現(xiàn)場振動時間歷程曲線，最終生成如圖2所示的頻譜曲線。

圖1 隨機振動試驗臺工作原理圖

試驗前按照表1的參數(shù)，在工作站輸入頻率范圍、功率譜密度（總均方根加速度）、振動時間等參數(shù)，啟動振動臺控制器，按要求進行試驗。

圖2是某試驗條件下的振動曲 線，縱坐標是功率頻密度PSD，橫坐標振動頻率，其值在10～500HZ之間。6條曲線分別表示功率譜的 HighAlarm(f)(上限告警值)、HighAbort(f))(上限告警值 )、LowAbort(f)（下限中斷值）、LowAlarm(f)(下限告警值)、control(f)（控制值）、profile(f))目標值，在試驗過程要注意監(jiān)視目標值profile(f)的變化判定是否滿足標準要求。

4 結(jié)束語

科學技術(shù)迅猛發(fā)展，促使隨機振動試驗技術(shù)日趨成熟，隨機振動試驗設(shè)備廣泛普及，為開展試驗提供了物質(zhì)條件。另外，武器裝備技術(shù)含量越來越高、對產(chǎn)品可靠性提出了更高的要求，通過施加隨機振動應(yīng)力，提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性、可靠性，成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。掌握試驗參數(shù)選擇的原則、試驗方法步驟，對推動試驗開展，提高監(jiān)督試驗質(zhì)量能力具有十分重要的意義。

圖2 某條件下隨機振動功率密度曲線

[1] 季馨，王樹榮.電子設(shè)備振動環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社 .2012.

[2] GJB 899A-2009，《可靠性鑒定和驗收試驗》[S].

[3] GJB 150.16-1986，《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》[S].

[4] GJB 3493-98，《軍用物資運輸環(huán)境條件》[S].

[5] GJB 367A-2001，《軍用通信設(shè)備通用要求》[S].

[6] GB/T 4857.23，《包裝運輸裝件隨機振動試驗方法》[S].

[7] 張增照.以可靠性為中心的質(zhì)量設(shè)計、分析和控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.