三綜合試驗中若干問題的探討

吳剛

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036)

0 引言

溫度、濕度和振動是環(huán)境因素中的三大因素，是影響軍用武器系統(tǒng)戰(zhàn)術性能的重要因素[1]。開展溫度、濕度、振動三綜合試驗 (以下簡稱三綜合試驗)的目的是考核常規(guī)武器系統(tǒng)、設備在儲存、運輸和使用條件下經(jīng)受溫度、濕度和振動綜合環(huán)境應力時的環(huán)境適應性[2]。通過試驗揭示3種環(huán)境應力及其綜合環(huán)境應力對常規(guī)兵器戰(zhàn)術性能的影響，能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)兵器可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)、質量缺陷和設計中欠周到之處。為此，筆者對三綜合試驗中的幾個主要問題進行了探討，以期為相關工作人員提供一定的指導。

1 試驗設備的選用問題

三綜合試驗的設備主要由電動振動臺、振動控制器、環(huán)境試驗箱和附屬設備等組成。電動振動臺和振動控制器組合可完成振動試驗；電動振動臺、振動控制器和環(huán)境試驗箱組合可完成溫度-濕度-振動綜合試驗。環(huán)境試驗箱提供要求的溫度、濕度環(huán)境，振動臺和環(huán)境試驗箱配合時通過軟性連接，環(huán)境試驗箱不參與振動臺的振動。

1.1 對試驗箱的一般要求

環(huán)境試驗箱能夠在試驗時提供要求的高溫、低溫和濕度環(huán)境。主要由箱體、制冷加熱濕度設備、升降裝置和箱體控制器等組成。制冷、加熱和濕度設備用于提供要求的溫度、濕度環(huán)境。箱體依據(jù)試驗的需要，確定是否配置升降裝置和不通的箱體底板。在箱體和振動臺連接進行綜合試驗時，要求底板與振動臺的連接配合應合理、可靠，具有良好的密封性和隔熱效果，避免出現(xiàn)冷凝水滲透的情況。對于箱內隔熱輻射要求低溫時箱內壁與試驗溫度之差不超過8%(絕對溫度)，高溫時箱內壁與試驗溫度之差不超過3%(絕對溫度)。環(huán)境試驗箱的容積要根據(jù)被試品的包絡尺寸來確定，并兼顧以下原則：1)被試品的外廓表面距箱壁的距離大于100～150 mm；2)被試品的體積不得超過環(huán)境試驗箱有效工作空間的20%～30%；3)被試品的迎風端面積與該端面上試驗箱工作腔的總面積之比不大于35%～50%。

1.2 對振動試驗系統(tǒng)的一般要求

振動試驗系統(tǒng)包含振動臺與振動控制器。由于振動試驗系統(tǒng)與試驗箱是分離的，二者之間的相互作用較小，因此振動試驗系統(tǒng)只要滿足可靠性試驗的要求即可[3-4]。

1.2.1 電動振動臺的選擇

a)選擇適合該試驗推力的振動臺，試驗推力可利用式 (1)計算得到：

式(1)中：F——振動臺推力(N)；

arms——均方根加速度；

α——安全系數(shù)；

m——活動系統(tǒng)(包括動圈、試件、夾具、水平滑臺或擴展頭等)的重量 (kg)。

其中，安全系數(shù)α通常取60%～80%，在此范圍內α取值越小越好，這樣振動臺便可以長時間地可靠使用；但絕不能超過80%，因為一旦超過80%，稍有不慎 (如被試品安裝不當或夾具設計不合理等)就可能發(fā)生共振現(xiàn)象，從而使得振動臺的推力超過額定的推力。長時間滿負荷工作，可能會使振動臺的可靠性大大地降低或損壞振動臺。

b)均方根加速度的計算

計算振動臺推力時需要知道均方根加速度值，隨機振動試驗控制的參數(shù)是功率譜密度，有些試驗規(guī)范給出了相應的均方根加速度值，而有些試驗規(guī)范往往只給出了功率譜密度曲線，這種情況下就需要通過計算得到均方根加速度值。由隨機振動理論可以知道，均方根加速度值可通過以下計算公式得到：

式(2)中：arms——均方根加速度；

S(f)——加速度功率譜密度函數(shù)；

f1、f2——試驗頻率的上限、下限。

以上公式是根據(jù)功率譜密度曲線計算均方根加速度的基本公式。對于各種不同形狀的功率譜密度曲線，可分別采用圖解積分法、數(shù)值積分法等方法來求出曲線下的總面積，然后再開平方計算出均方根加速度值。

1.2.2 振動控制器的選擇

振動控制器是振動試驗的核心，振動控制器的好壞，對振動試驗的安全可靠起著決定性的作用。振動控制器可以根據(jù)試驗要求的不同，選擇相應的控制軟件進行試驗。

2 其他輔件的選擇及安裝問題

2.1 過渡臺面或試驗夾具的選擇

由于過渡臺面或試驗夾具放置于試驗箱內，將與受試產(chǎn)品一樣受到溫度、濕度和振動應力的影響，因此其與試驗箱將會相互影響[5]。由于過渡臺面或試驗夾具與受試產(chǎn)品都安裝在試驗箱的底部，將會影響試驗箱的出風或回風路徑 (空氣流動方向如圖1所示)，因此在安裝時應該盡量地滿足1.1中對試驗件的放置要求。而過渡臺面或試驗夾具由于受到溫度和濕度應力的作用，其特性與在正常大氣條件下相比將有所改變 (如圖2所示：輸入相同驅動譜后監(jiān)視點位置、安裝方式和控制方式均未發(fā)生變化，但是監(jiān)視曲線發(fā)生了較大的變化)。正因為如此，在IEC 68-2-6和GB 2423.10-81中均對試驗夾具的動態(tài)特性做了嚴格的規(guī)定，以保證夾具有良好的傳遞性。

圖1 空氣流動方向

因此，對于三綜合試驗中夾具的特性，主要有下列幾點要求[6-7]：

1)重量輕、剛性好、固有頻率高，在整個試驗頻帶內，不應存在諧振點；

2)傳遞特性好，各點相應均勻一致；內阻尼大，非線性失真?。?/p>

3)橫向運動要??；

4)性能穩(wěn)定，再現(xiàn)性好；

5)受溫度、濕度影響時其特性變化要小，熱傳導率應與試件接近；

6)容量大、效率高、壽命長和使用方便。

某產(chǎn)品過渡臺面在溫度為-55、+25、+70℃，濕度為85%條件下的響應曲線如圖2所示。從圖2中可以看，在低溫時在8.1 Hz處出現(xiàn)了共振峰，而在高溫時其低頻段也很不穩(wěn)定。常溫時諧振頻率點為： 567.714、 631.120、 725.109、 1 118.955、1 555.979 Hz；低溫時諧振頻率點為：8.100、580.681、639.943 Hz；高溫時諧振點頻率點為：39.702、 588.798、 646.641、 1 555.979 Hz。 由此可見，由于溫度濕度的變化，該產(chǎn)品的特性也會隨之發(fā)生變化。

圖2 某產(chǎn)品過渡臺面在不同溫濕度條件下的響應曲線

2.2 傳感器的選擇與安裝問題

傳感器的正確選用和安裝是保證試驗質量的重要環(huán)節(jié)。

2.2.1 溫度與濕度傳感器的選擇與安裝

安裝溫度與濕度傳感器的目的是為了實時地采集試驗箱內的實際環(huán)境參數(shù)，為了保證試驗箱提供的環(huán)境參數(shù)與被試件需要考核的環(huán)境參數(shù)一致，應考慮將傳感器盡量地靠近試驗產(chǎn)品。

2.2.2 振動傳感器的選擇與安裝

a)正確選擇振動傳感器

目前在振動試驗中用得最為廣泛的傳感器是壓電式加速度計。其具有結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、動態(tài)范圍廣和頻率特性好等優(yōu)點。一般根據(jù)試驗頻率范圍、幅值大小去選用合適的傳感器，這些條件應落在所選傳感器的線性范圍內。對于一般的振動試驗來說，選用靈敏度為100～200 PC.S2/m的傳感器較為合適。如果需要測量低量級的加速度，應選擇高靈敏度的傳感器；如果要測量很高量級的加速度，則應選擇低靈敏度的傳感器。由于傳感器處于試驗箱內，將受到溫度與濕度的作用，因此需要選用靈敏度在該三綜合試驗的溫度濕度范圍內的傳感器。

b)正確安裝傳感器

在安裝傳感器時需要選擇合適的位置。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制點的選擇與控制精度有著密切的關系。對于元件型樣品，控制點應選擇在家具上；對于設備型樣品，控制點應選擇在固定點附近。測量傳感器則可安裝在不同的測量點上。

常用的固定方法主要有以下3種：

1)螺釘連接，該方法安全可靠，其安裝諧振頻率可達 10～30 kHz；

2)粘結，常用502膠，該方法方便牢靠，且有好的傳遞性，主要使用于300 m/s2、3 000 Hz以下的振動場合，以及測量點處不便于打孔的地方；

3)使用磁鐵吸附的方法，該方法使用方便靈活，但只使用于測量頻率低、振動量級小的場合。

由于傳感器將受到溫度與濕度的作用，因此在安裝時應盡量地考慮選用螺釘緊固安裝而少用粘接(用粘結劑緊固容易受到溫度、濕度的影響而脫落)等方式固定傳感器。控制點傳感器的安裝必須十分牢靠，絕不允許有松脫的情況出現(xiàn)，一旦松脫，則振動臺將失控，容易損壞試驗臺。

由于有濕度的存在，因而還應考慮傳感器的絕緣措施，應在傳感器與安裝點的臺面或夾具等的中間墊上一塊1 mm厚的絕緣墊，以避免在測試系統(tǒng)中引入電噪聲，從而增大測量誤差。

2.3 靈敏度的設置問題

對于壓電式傳感器必須經(jīng)過電荷放大器的變換才能反饋到控制計算機，這樣，電荷放大器的靈敏度設置是否與控制器的靈敏度設置匹配就相當關鍵。根據(jù)振動臺的工作過程，電荷放大器的靈敏度小于控制器的靈敏度，則振動臺的輸出小于標準值；反之，則振動臺的輸出大于標準值。與標準值相差的倍數(shù)就是電荷放大器和控制器相差的倍數(shù)。

3 其他問題

試驗過程包括試驗前的準備和試驗的實施兩個環(huán)節(jié)。為了保證試驗準確、順利地進行，還應注意以下幾個問題。

a)試驗前的準備主要包括：1)依據(jù)被試品的情況確定任務剖面，確定試驗設備、試驗程序、被試品技術狀態(tài)、試驗量值、被試品安裝方式和數(shù)據(jù)采集方式等，由于三綜合試驗的復雜性，最好在準備階段先利用模擬試品進行摸底，對振動臺的數(shù)據(jù)和安裝方式進行考核以判斷是否滿足試驗要求，同時檢驗試驗方法的制定是否合理；2)被試品的試前檢測；3)確定失效判據(jù)。

b)試驗實施就是依據(jù)制定的試驗方法和試驗步驟進行試驗。在試驗實施過程中需要隨時觀察試驗箱內的情況和振動臺的監(jiān)控情況，避免由于緊固件松動或傳感器松脫而出現(xiàn)各種意外事故。

4 結束語

鑒于三綜合試驗相當復雜，因此要求三綜合試驗設備選型或試驗時必須進行充分的準備和詳細的分析計算，選擇合適的試驗設備，確定合理的試驗方法。本文所討論的三綜合試驗中的一些問題，是筆者在近幾年的試驗實踐中所遇到的較為普遍的問題，這些問題如果處理不當，將對試驗結果產(chǎn)生很大的影響，甚至可能得出錯誤的結論。因此，為了獲得正確的試驗結果，提高試驗的可信度，必須高度重視和認真對待這些問題。

本文對三綜合試驗中常見的一些問題進行了討論，對該試驗的正確開展具有一定的參考作用。當然，隨著試驗技術的不斷發(fā)展，試驗中還會出現(xiàn)許多新的問題，有待今后探討。