某船用電子設(shè)備危險頻率放大倍數(shù)控制改進方法

李晶，辛穎，胡福林，黃少侃，陳曙

（中國船舶集團有限公司第七二二研究所，武漢 430205）

1 緒論

船只在航行或停靠中的振動環(huán)境會以累積和周期性的方式對安裝于其內(nèi)部的電子設(shè)備造成影響，使電子設(shè)備在危險頻率上放大倍數(shù)過大，導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞，使其功能和性能受到不良影響。危險頻率上放大倍數(shù)過大，則容易引起設(shè)備的失效，使設(shè)備出現(xiàn)故障或性能超差與失靈[1]。所以，在船用電子設(shè)備量產(chǎn)前，需對其進行振動試驗。通過振動試驗分析出其特定的危險頻率及其危險頻率放大倍數(shù)，在危險頻率上進行耐振試驗，以判定其是否符合客戶的使用要求。

2 問題的提出

某智能語音電暖風(fēng)機（以下簡稱試驗設(shè)備）在危險頻率上進行縱向耐振試驗時，產(chǎn)品外殼底板脫焊斷裂，初步斷定為該設(shè)備危險頻率放大倍數(shù)過大所致，預(yù)示著產(chǎn)品的設(shè)計存在缺陷，嚴重影響了產(chǎn)品的使用，實船安裝易發(fā)生故障。環(huán)境試驗工程師針對此設(shè)計缺陷需提出改進方法及措施，并通過振動試驗臺及相關(guān)數(shù)據(jù)采集等手段進行測量和驗證。

振動試驗臺作為對試驗設(shè)備進行振動試驗的重要設(shè)備，可以檢驗設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動性能。依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動性能，可以在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，采用改進產(chǎn)品設(shè)計或其他更加合理的方式來降低船用電子設(shè)備危險頻率上的放大倍數(shù)，并最大限度的發(fā)揮船用電子設(shè)備的功能效用。

利用現(xiàn)代化數(shù)字儀表結(jié)合計算機數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對振動試驗時船用電子設(shè)備進行數(shù)據(jù)測量與分析，尋得其危險頻率及其放大倍數(shù)后，便可使得試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計弱點得以暴露，有利于環(huán)境試驗工程師針對此產(chǎn)品設(shè)計缺陷提出改進方法及措施，進而降低影響設(shè)備功能性能的危險頻率放大倍數(shù)，降低設(shè)備使用風(fēng)險與維護成本，提升振動試驗后續(xù)服務(wù)品質(zhì)。

3 試驗條件

3.1 試驗要求

依據(jù)正弦振動試驗的試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，方法參考某行業(yè)產(chǎn)品在船用振動試驗大綱中的船主體區(qū)正弦振動試驗條件，該試驗設(shè)備試驗條件如下：

功能試驗振動量值：

頻率（1～16）Hz，位移1 mm；

頻率（16～60）Hz，加速度10 m/s2。

掃頻方式：對數(shù)掃頻。

掃頻速率：1 oct/min。

掃頻次數(shù)：10次掃頻循環(huán)。

試驗軸向：縱向、橫向。

該試驗設(shè)備實船安裝時不帶減震器，故在振動試驗時通過工裝夾具與振動臺體剛性連接，如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備振動試驗安裝示意圖

3.2 振動臺狀態(tài)和試驗設(shè)備外殼板參數(shù)

3.2.1 振動臺狀態(tài)

振動臺主要由激振器、伺服閥、液壓站和電控系統(tǒng)（數(shù)控和模控）組成。當(dāng)被試產(chǎn)品通過工裝夾具固定于試驗臺后，開啟耐振試驗，尋找危險頻率及其放大倍數(shù)，檢驗被試產(chǎn)品的設(shè)計是否存在缺陷。本次試驗的振動臺信息如表1。

表1 試驗振動臺信息

3.2.2 試驗設(shè)備外殼板參數(shù)

試驗設(shè)備外殼板設(shè)計是使用厚度為1.2 mm的022Cr19Ni10的不銹鋼。試驗設(shè)備1件，外殼板外觀光潔平整、去除毛刺銳邊、角，無變形。

3.2.3 試驗設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計圖

本次試驗設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計圖如圖2、3所示。

圖2 試驗設(shè)備設(shè)計示意圖

4 試驗過程

4.1 改進前試驗結(jié)果及振動試驗圖譜分析

將試驗設(shè)備固定在試驗臺上，按功能試驗振動量值要求進行試驗，確定危險頻率及其放大倍數(shù)。該試驗設(shè)備在危險頻率上進行縱向耐振試驗時，產(chǎn)品外殼底板脫焊斷裂，初步斷定為該試驗設(shè)備危險頻率放大倍數(shù)過大所致，需改進設(shè)計，避開共振[2]，或降低危險頻率上的放大倍數(shù)。

該設(shè)備外殼板采用材料為022Cr19Ni10的不銹鋼設(shè)計，外殼板厚度為1.2 mm。其橫向、縱向振動圖譜如圖4所示。

圖4 1.2 mm厚外殼板振動圖譜

圖3 試驗設(shè)備外殼整體示意圖

如圖4，試驗設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計，通過傳感器在橫向振動試驗時采集到的危險頻率為42.453 7 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為4.710 8，其縱向振動采集到的危險頻率為48.797 2 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為4.309 0?？梢姡诖饲闆r下試驗設(shè)備兩個軸向上的危險頻率放大倍數(shù)較大。

4.2 改進后振動試驗數(shù)據(jù)采集及分析

該試驗設(shè)備危險頻率放大倍數(shù)控制改進方案有加厚產(chǎn)品外殼，或?qū)Ξa(chǎn)品外殼進行加強筋設(shè)計等。我們通過這兩種方法進行設(shè)計改進，并通過振動試驗圖譜分析改進后的效果。試驗設(shè)備連接方式見圖1。

4.2.1 2.0 mm厚外殼板設(shè)計振動試驗圖譜分析

試驗設(shè)備采用2.0 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計，其橫向、縱向振動圖譜如圖5所示。

圖5 2.0 mm厚外殼板振動圖譜

如圖5，試驗設(shè)備采用2.0 mm厚不銹鋼外殼板設(shè)計，通過傳感器在橫向振動試驗時采集到的危險頻率為24.530 2 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為5.899 6。其縱向振動采集到的危險頻率為35.487 7 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為6.648 1。可見，在此情況下試驗設(shè)備兩個軸向上的危險頻率前移，放大倍數(shù)反而更大。

4.2.2 加強筋外殼板設(shè)計振動試驗圖譜分析

試驗設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板經(jīng)內(nèi)部加強筋設(shè)計后，其橫向、縱向振動圖譜如圖6所示。

如圖6，試驗設(shè)備采用1.2 mm厚不銹鋼外殼板經(jīng)內(nèi)部加強筋的設(shè)計后，通過傳感器在橫向振動試驗時采集到的危險頻率為43.740 6 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)2.453 4，其縱向振動采集到的危險頻率為33.442 8 Hz，放大倍數(shù)數(shù)據(jù)為2.650 2。在此情況下，試驗設(shè)備在兩個軸向上的危險頻率基本和1.2 mm厚不銹鋼外殼設(shè)計無差異，且有效地抑制了放大倍數(shù)。

圖6 1.2 mm厚外殼板內(nèi)采用加強筋設(shè)計振動圖譜

綜上所述，不同設(shè)計下試驗設(shè)備振動結(jié)果如表2所示。

表2 不同設(shè)計下試驗設(shè)備振動圖譜數(shù)據(jù)

4.2.3 振動臺采集的部分圖譜展示

振動臺振動譜圖如圖7所示。

圖7 振動圖譜的波形

由于篇幅所限，數(shù)據(jù)的采集譜圖就不逐一列出，經(jīng)過以上分析可以初步得出的結(jié)論是：三種不同的設(shè)計方案所得出的測試數(shù)據(jù)和頻譜圖均表明在試驗設(shè)備外殼內(nèi)部進行加強筋設(shè)計時效果最佳，此時試驗設(shè)備性能測試的數(shù)據(jù)較為真實可靠，且對試驗設(shè)備的保護效果最佳。

5 試驗結(jié)論

5.1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果量值比較

綜合以上的數(shù)據(jù)進行分析，得出圖8所示的比較圖形。

圖8 不同外殼板設(shè)計下數(shù)據(jù)采集量值比較

由圖可知，當(dāng)采用加厚外殼板設(shè)計時，危險頻率上的放大倍數(shù)增大，當(dāng)采用加強筋設(shè)計時，放大倍數(shù)明顯降低了，也預(yù)示著振動臺對設(shè)備造成的影響最小，設(shè)計效果最佳。在后續(xù)試驗中繼續(xù)收集更多的有效案例數(shù)據(jù)加以分析，以彌補本次測量的不足。

5.2 結(jié)論

通過振動試驗，我們可以分析出船用電子設(shè)備的危險頻率及其放大倍數(shù)，從而提出降低危險頻率放大倍數(shù)的改進設(shè)計方案。通過分析不同改進方案的振動數(shù)據(jù)采集圖譜，驗證改進設(shè)計的有效性，對比得出最佳改進設(shè)計方案，最大限度的發(fā)揮船用電子設(shè)備的功能效用，降低設(shè)備使用風(fēng)險與維護成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。