火工品大量值振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)研究及案例分析

張鵬輝，王 琦，王維娜，張 濤，劉衛(wèi)東

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火工品大量值振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)研究及案例分析

張鵬輝，王 琦，王維娜，張 濤，劉衛(wèi)東

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

為解決現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)無(wú)法滿足火工品大量值振動(dòng)試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)一種基于諧振原理的火工品振動(dòng)放大試驗(yàn)裝置。在振動(dòng)臺(tái)輸出較小激振力的情況下，在該裝置上依靠諧振放大來(lái)滿足試驗(yàn)需求，并針對(duì)具體的案例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的振動(dòng)放大試驗(yàn)裝置能夠有效滿足試驗(yàn)需求，振動(dòng)量值、偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可應(yīng)用在火工品大量值振動(dòng)考核試驗(yàn)中。

火工品：振動(dòng)試驗(yàn)；諧振放大；偏差

振動(dòng)是環(huán)境試驗(yàn)中很重要的一個(gè)環(huán)境參數(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)損壞、工作性能失靈和工藝性能破壞[1]，90%以上的工程產(chǎn)品在研發(fā)及生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的考核[2]。經(jīng)過(guò)科技人員近幾十年的努力，振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，滿足了實(shí)驗(yàn)室對(duì)常規(guī)振動(dòng)試驗(yàn)的需要。但是，隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中遇到的振動(dòng)環(huán)境日趨復(fù)雜和嚴(yán)酷，甚至個(gè)別的振動(dòng)環(huán)境已不能用現(xiàn)有的振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)模擬。

某電起爆器自主飛行振動(dòng)均方根加速度要求為139.9g，參考美國(guó)UD公司生產(chǎn)的激振力為35kN的SAI60-H560B-16型號(hào)振動(dòng)臺(tái)，其動(dòng)圈質(zhì)量為45kg，夾具與產(chǎn)品質(zhì)量總和取10kg，由牛頓第二定律可得所需最低的激振力為75.406kN，實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)臺(tái)輸出的激振力通常要多出30%的余量[3]，所以需要98.028 kN以上的激振力。由此可見(jiàn)35kN激振力的振動(dòng)臺(tái)無(wú)法滿足要求，其他型號(hào)的振動(dòng)臺(tái)隨著激振力的增大，動(dòng)圈質(zhì)量也增大，還需要考慮動(dòng)圈的耐振能力。并且通常情況下振動(dòng)臺(tái)都限制振動(dòng)試驗(yàn)最大加速度在100g以?xún)?nèi)[4]。因此，需要研究大量值振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，以滿足日益提高的火工品振動(dòng)試驗(yàn)考核要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于諧振原理的火工品振動(dòng)放大試驗(yàn)裝置，并對(duì)其開(kāi)展研究。

1 諧振放大振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

要滿足某電起爆器均方根加速度量值為139.9g的自主飛行振動(dòng)試驗(yàn)考核，需考慮借助基于諧振原理的火工品振動(dòng)放大裝置予以滿足。

諧振即物理的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，物體的加速度在跟偏離平衡位置的位移成正比，且總是指向平衡位置的回復(fù)力的作用下的振動(dòng)。在機(jī)械學(xué)里，激振頻率為系統(tǒng)固有頻率的整數(shù)倍時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅增長(zhǎng)到某一極大值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為諧振[5]。在實(shí)際的振動(dòng)試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)夾具的剛度有限，具有一定的彈性。彈性的存在將在試驗(yàn)夾具中引入諧振點(diǎn)，從而引發(fā)機(jī)械諧振?；谝陨显碓O(shè)計(jì)火工品諧振式振動(dòng)放大裝置，其示意圖如圖1所示。

圖1 火工品諧振振動(dòng)放大裝置示意圖

圖1中基板通過(guò)固定螺釘與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面可靠連接，在基板合適位置粘接傳感器并接入測(cè)試回路，作為控制通道采集振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由該傳感器的反饋來(lái)控制，以保證基板達(dá)到要求的振動(dòng)量值。諧振板與基板接觸面處通過(guò)螺釘緊固，其它位置懸空不加任何約束，諧振板端頭位置粘接傳感器，作為監(jiān)測(cè)通道采集振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)為試驗(yàn)所要求的規(guī)定量值?；鸸て吠ㄟ^(guò)螺紋連接方式固定在諧振板靠近監(jiān)測(cè)傳感器附近的端頭位置。采用加速度響應(yīng)控制方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行控制。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先施加一個(gè)低量級(jí)振動(dòng)，用控制傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行控制，然后在試驗(yàn)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)振動(dòng)的輸入，測(cè)量監(jiān)測(cè)傳感器的響應(yīng)，并與給定的條件做比較，直到監(jiān)測(cè)傳感器的振動(dòng)量級(jí)達(dá)到規(guī)定的振動(dòng)量級(jí)。

2 案例分析

某起爆器自主飛行振動(dòng)試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 某起爆器自主飛行振動(dòng)試驗(yàn)條件

Tab.1 Test conditions for autonomous flight vibration of some initiator

備注：試驗(yàn)條件允許采用放大工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用SAI60-H560B-16型號(hào)振動(dòng)臺(tái)，采用圖1所示的振動(dòng)放大裝置進(jìn)行試驗(yàn)，在振動(dòng)放大裝置諧振板端頭位置分別固定3發(fā)產(chǎn)品。逐漸調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的輸出能量級(jí)別，直到監(jiān)測(cè)傳感器采集的信號(hào)滿足試驗(yàn)要求為止。待監(jiān)測(cè)傳感器采集的信號(hào)穩(wěn)定后，每隔30s采集數(shù)據(jù)，共采集9個(gè)點(diǎn)，利用分貝公式dB加速度=20lg (1/2)計(jì)算監(jiān)測(cè)傳感器所采集信號(hào)1與實(shí)際要求值2（2=139.9g/113g）的偏差，數(shù)據(jù)如表2~3所示。

表2 某起爆器自主飛行振動(dòng)X方向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.2 X direction test data of autonomous flight vibration of some initiator

表3 某起爆器自主飛行振動(dòng)Y方向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.3 Y direction test data of autonomous flight vibration of some initiator

在進(jìn)行X方向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)輸出能量級(jí)別僅為3.6%，即振動(dòng)臺(tái)輸出加速度值為139.9g×3.6%= 5.0364 g時(shí)，在諧振板端頭位置即可產(chǎn)生試驗(yàn)所需的139.9g的加速度均方根值。在進(jìn)行Y方向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)輸出能量級(jí)別為4.0%時(shí)，即振動(dòng)臺(tái)輸出加速度值為113g×4.0%=4.52 g，在諧振板端頭位置即可產(chǎn)生試驗(yàn)所需的113g的加速度均方根值。

由表2~3數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測(cè)傳感器量值與實(shí)際要求值偏差范圍在-1.116~0.442dB之間，GJB 150.16 A- 2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)在“6.2.3.2加速度譜密度”中，（c）條“均方根加速度值”中規(guī)定：“均方根值在監(jiān)測(cè)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)是很有用的。……根據(jù)試驗(yàn)變量和試驗(yàn)設(shè)備來(lái)規(guī)定均方根監(jiān)測(cè)值的允差”[6]。GJB 1032 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法中規(guī)定隨機(jī)振動(dòng)總均方根加速度容差為±1.5 dB[7]。該產(chǎn)品試驗(yàn)大綱同樣規(guī)定隨機(jī)振動(dòng)均方根加速度容差范圍為±1.5dB，可知該放大裝置得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是符合試驗(yàn)要求的，解決了之前利用現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)無(wú)法滿足試驗(yàn)需求的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于諧振放大振動(dòng)技術(shù)的振動(dòng)試驗(yàn)裝置，利用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)前，需要針對(duì)不同的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)規(guī)律的摸索歸納，以快速有效地利用該試驗(yàn)裝置滿足不同的試驗(yàn)條件需求，還需要進(jìn)行不斷的試驗(yàn)裝置改進(jìn)以及大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。在以后的工作中，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）積累裝置諧振板不同位置的試驗(yàn)量值。諧振加速度量值必然和諧振點(diǎn)與振源的距離有關(guān)，測(cè)試諧振板不同點(diǎn)加速度的大小，總結(jié)規(guī)律；

（2）改進(jìn)諧振板與基板的連接方式。比較焊接、螺接、整體切割等不同連接方式的區(qū)別；

（3）利用該諧振裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)不同的試驗(yàn)條件，振動(dòng)臺(tái)所提供的振動(dòng)能量級(jí)別不同，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，建立小型數(shù)據(jù)庫(kù)，方便快速有效地利用該試驗(yàn)裝置滿足試驗(yàn)需求。

[1] 胡志強(qiáng)編著.環(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2016.

[2] 編著委員會(huì)編.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[3] 李國(guó)新,程國(guó)元,焦清介.火工品實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[4] 盧兆明.道路車(chē)輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)方法和要求[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2011.

[5] 楊明,胡浩,徐殿國(guó).永磁交流伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振成因及其抑制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(1):79-84.

[6] GJB 150.16A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分:振動(dòng)試驗(yàn)[S].國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,2009.

[7] GJB 1032 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S].國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,1992.

Study and Case Analysis of High Value Vibration Test Technology for Initiators

ZHANG Peng-hui，WANG Qi，WANG Wei-na，ZHANG Tao，LIU Wei-dong

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to meet the demand of high value vibration test for the initiators, a vibration amplification device based on the principle of resonance was designed, which can meet the test requirements in the case of small output exciting force. Meanwhile, test verification and analysis for specific case was carried out, the results showed that the designed test device is effective, the deviation value of vibration meet the standard requirement, and the device can be used in the high value vibration test for initiators.

Initiators and pyrotechnics；Vibration test；Resonant amplification；Deviation

1003-1480（2018）03-0047-03

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.012

2018-01-23

張鵬輝（1984-），男，工程師，主要從事火工品力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)及研究工作。