基于多點(diǎn)極值反饋的隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)方法

劉俊連

（北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854）

隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)是所有航天電子產(chǎn)品在交付前都必須通過的一項(xiàng)試驗(yàn)，其目的是為了提前激發(fā)產(chǎn)品可能存在的故障，使元器件的早期失效、設(shè)計(jì)缺陷和生產(chǎn)工藝缺陷提前暴露，確保交付使用的產(chǎn)品質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定。由于試驗(yàn)臺(tái)、工裝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)過程中構(gòu)成機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，而每個(gè)環(huán)節(jié)的固有諧振頻率不同，因此在標(biāo)準(zhǔn)控制譜輸入的情況下，設(shè)備內(nèi)部每塊模件上不同點(diǎn)的響應(yīng)互不相同，有的甚至超出標(biāo)準(zhǔn)譜X倍量級(jí)，造成設(shè)備內(nèi)部某些合格元器件的過考核，使交付產(chǎn)品存在質(zhì)量隱患。所以，在實(shí)驗(yàn)前均需對(duì)參試設(shè)備進(jìn)行摸底試驗(yàn)，確保設(shè)備內(nèi)部模件上激勵(lì)響應(yīng)的振動(dòng)量級(jí)控制在要求范圍內(nèi)。

1 隨機(jī)振動(dòng)的譜形和量級(jí)

隨機(jī)振動(dòng)是在寬頻范圍上對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)，產(chǎn)品上所有的諧振頻率在整個(gè)振動(dòng)時(shí)間內(nèi)同時(shí)受到激勵(lì)，因而能快速激發(fā)潛在的缺陷。GJB1032—1990規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖如圖1所示，頻率范圍一般為20～2000Hz，隨機(jī)振動(dòng)的量值一般應(yīng)低于產(chǎn)品環(huán)境鑒定試驗(yàn)的合格值，這個(gè)值對(duì)剔除產(chǎn)品的早期故障率最高，且不容易對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生疲勞損傷。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖

圖1是常用標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)振動(dòng)篩選功率譜密度曲線圖，在頻段內(nèi)功率譜密度曲線所圍成的面積，即為施加到振動(dòng)臺(tái)面的能量。圖1中升譜或降譜的斜率是按對(duì)數(shù)坐標(biāo)來給出，單位為倍頻程。假設(shè)頻率f1處的功率譜密度為 PSD1，f2處的功率譜密度為 PSD2，則譜值增量為,頻率增量為，由此可得譜線斜率為：

由(1)式可得：

由此可得f1和 f2之間的面積為：

由隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖，知：

所以，功率譜密度曲線所圍成的面積為：

由于產(chǎn)品中缺陷的析出取決于缺陷處的振動(dòng)響應(yīng)，而不是取決于振動(dòng)輸入，因此為了能將產(chǎn)品中的缺陷很好的析出，而又不使敏感、關(guān)鍵的元器件以及好的元器件被損壞，必須先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，摸清產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)輸入的響應(yīng)特性，再根據(jù)響應(yīng)特性來確定振動(dòng)量值，對(duì)產(chǎn)品影響大的頻段，要減少輸入，反之加大輸入，以保證振動(dòng)輸入的量值大小，既能激發(fā)缺陷，又不損壞產(chǎn)品，從而達(dá)到理想的篩選效果。振動(dòng)篩選的核心是譜形和總量值，確定振動(dòng)的譜形和總量值是關(guān)鍵，因此，隨機(jī)振動(dòng)篩選需要進(jìn)行摸底試驗(yàn)。

2 傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)摸底方法

傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)摸底方法連接如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)圖

圖中設(shè)備內(nèi)有n（n≥1）塊模件板，O1、O2分別為每塊模件的幾何中心，在O1、O2處粘貼傳感器，具體的試驗(yàn)步驟如下。

（1）選取每塊模件的幾何中心或模件上的關(guān)鍵件、重要件處粘貼1個(gè)傳感器。

（3）同時(shí)監(jiān)測每塊模件檢測點(diǎn)的激勵(lì)響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)譜形修正控制譜，使每塊模件上的激勵(lì)響應(yīng)控制在要求的量級(jí)內(nèi)，從而確定輸入控制譜。

試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程

模件上單點(diǎn)的激勵(lì)響應(yīng)不能完全反應(yīng)整塊模件的響應(yīng)特性，模件上其他部分存在過考核的可能性。

3 多點(diǎn)極值隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)摸底方法

為了避免傳統(tǒng)試驗(yàn)方法對(duì)產(chǎn)品可能造成的過考核，提出了1種基于多點(diǎn)極值反饋的隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)摸底方法。該方法是確保設(shè)備內(nèi)各模件上各點(diǎn)的響應(yīng)特性滿足的梯形譜，以每塊模件上的最大振動(dòng)強(qiáng)度小于6.23g（允許偏差±1.5g）為目標(biāo)，監(jiān)測振動(dòng)臺(tái)面或支架上的功率譜密度，作為控制輸入條件，由此再現(xiàn)設(shè)備內(nèi)各點(diǎn)的振動(dòng)譜形，達(dá)到要求的振動(dòng)量級(jí)，以此輸入功率譜密度作為該設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)的條件，試驗(yàn)連接如圖4所示。

圖4中a～d為在模件n上選取的i個(gè)檢測點(diǎn)（受元器件安裝位置的限制，一般i≤5），監(jiān)測i個(gè)點(diǎn)的激勵(lì)響應(yīng)，得到極值響應(yīng)點(diǎn)，修正輸入控制譜，使每塊板上的極值響應(yīng)點(diǎn)均應(yīng)滿足要求，具體的試驗(yàn)步驟如下。

（1）在每塊模件上選取檢測點(diǎn)粘貼傳感器。

（3）同時(shí)監(jiān)測模件上的i個(gè)傳感器的輸出，確定極值響應(yīng)點(diǎn)P，P=max{Pi，i=1,2......}。

（4）按照步驟（1）～（3）的方法，確定該設(shè)備內(nèi)每塊模件的極值點(diǎn)。

（5）在各模件的極值響應(yīng)點(diǎn)粘貼傳感器，按照標(biāo)準(zhǔn)的控制譜施加振動(dòng)，根據(jù)極值點(diǎn)的響應(yīng)對(duì)控制譜進(jìn)行修正，使每個(gè)極值響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)量級(jí)均滿足要求，形成最終控制譜。

多點(diǎn)極值摸底試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖4 多點(diǎn)極值振動(dòng)摸底試驗(yàn)圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5 多點(diǎn)極值摸底試驗(yàn)流程圖

以下是某型號(hào)時(shí)序輸出電子設(shè)備在某一方向（Z向）的摸底情況，輸入控制譜和響應(yīng)譜的摸底結(jié)果如圖6、7所示。從圖6可以看出，使用傳統(tǒng)的篩選方法得到的輸入控制譜（量級(jí)為6.66805g），施加到某電子設(shè)備上，其某塊模件上幾何中心O點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)為7.61266g，滿足設(shè)計(jì)要求，在相同控制譜的控制下，同一模件上某一非幾何中心處的振動(dòng)響應(yīng)為13.883g，該非幾何中心點(diǎn)的響應(yīng)是幾何中心響應(yīng)的1.8倍，其它非幾何中心點(diǎn)的響應(yīng)有可能更大，可能對(duì)模件上的元器件造成過應(yīng)力，而用多點(diǎn)極值反饋方法得到的輸入控制譜（6.24985g），作用在相同的電子設(shè)備上，相同模件上任意兩點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)分別為5.83054g和6.51857g。響應(yīng)點(diǎn)均滿足應(yīng)力要求，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康?。由圖6、7可以得到，該方法能夠保證設(shè)備內(nèi)模件上各點(diǎn)的響應(yīng)特性滿足要求。

圖6 傳統(tǒng)方法控制—響應(yīng)譜

5 結(jié)語

圖7 多點(diǎn)極值控制—響應(yīng)譜

本文在傳統(tǒng)的振動(dòng)篩選的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多點(diǎn)極值反饋篩選振動(dòng)方法。該方法能夠更全面反映設(shè)備內(nèi)模件上各點(diǎn)的響應(yīng)特性，與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比較，能準(zhǔn)確地確定控制輸入譜，有效避免了設(shè)備過考核的可能，具有較好的參考價(jià)值。但是此方法受模件上元器件安裝的限制，這將是下一步研究的重點(diǎn)。