垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)一致性探討

趙青，吳瑞軒

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

導(dǎo)彈是一種高技術(shù)制導(dǎo)彈藥，擁有可靠的精度和打擊能力。在整個(gè)壽命期里會(huì)經(jīng)歷自主飛、運(yùn)輸?shù)雀鞣N振動(dòng)環(huán)境[1]，這種振動(dòng)環(huán)境是導(dǎo)彈所經(jīng)歷的最嚴(yán)酷的環(huán)境之一，必須保證導(dǎo)彈具有承受各種振動(dòng)環(huán)境的能力[2]。對(duì)于導(dǎo)彈往往是通過地面振動(dòng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其對(duì)各種振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)能力，而導(dǎo)彈組件級(jí)產(chǎn)品是通過實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)來驗(yàn)證其對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)能力。

近年某型空空導(dǎo)彈某組件在進(jìn)行例行振動(dòng)試驗(yàn)后測(cè)試不合格，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)組件內(nèi)連接銅線斷裂。在故障攻關(guān)中查出振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備由之前的水平滑臺(tái)更換為垂直振動(dòng)臺(tái)。通過對(duì)組件關(guān)鍵位置在兩種振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵位置其振動(dòng)量級(jí)被放大，造成該組件承受長(zhǎng)時(shí)間超出正常量級(jí)的考核，導(dǎo)致銅線疲勞斷裂。因此，在進(jìn)行垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)互換時(shí)，必須對(duì)被試品開展垂直振動(dòng)臺(tái)和水平滑臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)一致性研究，避免造成過試驗(yàn)或者欠試驗(yàn)，保證導(dǎo)彈生產(chǎn)交付進(jìn)度，增強(qiáng)我國國防力量。

1 振動(dòng)響應(yīng)影響因素

振動(dòng)臺(tái)是振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心一環(huán)，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣將直接影響每一次振動(dòng)試驗(yàn)的成功與否。目前導(dǎo)彈組件級(jí)產(chǎn)品一般都要進(jìn)行X、Y、Z 3個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)，若被試品無法利用夾具倒90°方向在垂直振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，則會(huì)在水平滑臺(tái)上開展試驗(yàn)。

垂直振動(dòng)臺(tái)是振動(dòng)發(fā)生器將垂直方向上的運(yùn)動(dòng)傳遞給試驗(yàn)件。水平滑臺(tái)是振動(dòng)臺(tái)的輔助設(shè)備，通過與滑臺(tái)的摩擦力和螺釘?shù)募羟辛?shí)現(xiàn)對(duì)被試品的推動(dòng)。垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)的傳遞特性不一樣，在產(chǎn)品上的振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)有差別，因此，對(duì)于同一被試品、同一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)條件，不能盲目地在垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)之間進(jìn)行更換來開展振動(dòng)試驗(yàn)。必須在被試品的關(guān)鍵位置進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，確保關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)一致，才可以更換。而被試品的振動(dòng)響應(yīng)與振動(dòng)夾具形狀、裝夾方式、控制傳感器位置和控制方式等有關(guān)。本文從振動(dòng)夾具與控制傳感器兩個(gè)方面著手，說明當(dāng)振動(dòng)夾具與控制傳感器不同時(shí)，在被試品的關(guān)鍵位置其振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)有所不同。

1.1 振動(dòng)夾具裝夾方式

GJB 150.16—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定試驗(yàn)樣品應(yīng)通過夾具或直接地和振動(dòng)臺(tái)連接并且用常規(guī)的連接方式可靠地固定。安裝夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量地使夾具同試驗(yàn)樣品在質(zhì)量分布上是對(duì)稱的，以使不平衡載荷減到最小[3]。

振動(dòng)試驗(yàn)夾具是用于將試驗(yàn)樣品安裝到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的過渡件，分別與試驗(yàn)樣品和振動(dòng)臺(tái)剛性連接。夾具是振動(dòng)試驗(yàn)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)的成功與否、試驗(yàn)結(jié)果的可信程度與試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)、制作和安裝使用水平息息相關(guān)。由于試驗(yàn)產(chǎn)品或物件門類多，形狀也不盡相同，人們很難用通用的夾具來完成所有的振動(dòng)試驗(yàn)。夾具形狀不同、材料不同，在不同方向的振動(dòng)臺(tái)上傳遞特性也會(huì)有所不同。

在垂直振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，試件和夾具的組合重心盡可能地落在振動(dòng)臺(tái)的中心線上，以免引起振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的搖晃振動(dòng)，致使振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體撓臂損壞，振動(dòng)波形失真。尤其是夾具或試件的重心較高時(shí)，設(shè)計(jì)具有良好平衡性能的夾具就更加重要，故應(yīng)盡量地設(shè)計(jì)成對(duì)稱的、低重心的夾具。在水平滑臺(tái)上進(jìn)行激振時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)夾具與水平滑臺(tái)接觸的平面一定要光滑，安裝時(shí)不允許有異物存在，在進(jìn)行安裝時(shí)，存在的螺紋孔都應(yīng)盡可能地連接固定。

1.2 控制方式

GJB 150.16—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法振動(dòng)試驗(yàn)》對(duì)振動(dòng)過程中控制點(diǎn)的選擇的規(guī)定：當(dāng)夾具較剛硬，試驗(yàn)樣品較小時(shí)，通?？捎门_(tái)面中心作為控制點(diǎn)；當(dāng)夾具剛性對(duì)控制值影響較大時(shí)，可選擇試驗(yàn)樣品與夾具或振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接點(diǎn)作為控制點(diǎn)；當(dāng)試驗(yàn)樣品較大，或用上述點(diǎn)控制不合適時(shí)，則可采用樣品預(yù)期的或在使用中測(cè)得典型響應(yīng)值的部位作為控制點(diǎn)；有時(shí)，也可將臺(tái)面、夾具、試驗(yàn)樣品上的各個(gè)部位綜合考慮作為控制點(diǎn)。控制點(diǎn)要根據(jù)試驗(yàn)不同的要求作具體的適當(dāng)?shù)倪x擇[3]。

而通過分析近幾年的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)傳感器的安裝位置對(duì)振動(dòng)臺(tái)整體的正弦及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果有著決定性的影響[4]。因此，當(dāng)控制傳感器的位置、個(gè)數(shù)不同時(shí)，在試件上的振動(dòng)響應(yīng)也不同。

2 案例

本文通過兩個(gè)案例來說明，在振動(dòng)試驗(yàn)條件不變的情況下，調(diào)整振動(dòng)夾具裝夾方式及被試品的控制方式，在被試品關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)是不同的。

2.1 改變振動(dòng)夾具裝夾方式

某型空空導(dǎo)彈組件在進(jìn)行交付振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一直使用垂直振動(dòng)臺(tái)開展振動(dòng)試驗(yàn)，現(xiàn)在對(duì)該組件上關(guān)鍵部位分別在垂直振動(dòng)與水平滑臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，了解其振動(dòng)響應(yīng)情況，以確定在進(jìn)行交付試驗(yàn)時(shí)是否可由垂直臺(tái)轉(zhuǎn)為水平滑臺(tái)。

2.1.1在垂直振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

某型空空導(dǎo)彈組件在垂直振動(dòng)臺(tái)開展振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)夾具為套筒式，控制傳感器有2個(gè)，采用兩點(diǎn)平均方式控制，產(chǎn)品安裝圖如圖1所示。

圖1 某型空空導(dǎo)彈組件在垂直臺(tái)振動(dòng)安裝圖

監(jiān)測(cè)傳感器安裝在關(guān)鍵部位，關(guān)鍵部位的振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖2所示（垂直振動(dòng)臺(tái)-套筒振動(dòng)夾具），RMS值如表1所示。

圖2 某型空空導(dǎo)彈組件振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比圖

2.1.2 在水平滑臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

該型產(chǎn)品在水平滑臺(tái)上開展振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，控制傳感器、監(jiān)測(cè)傳感器的安裝位置、控制方式同在垂直振動(dòng)臺(tái)上開展振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一致，產(chǎn)品安裝圖如圖3所示。

圖3 某型空空導(dǎo)彈組件在水平滑臺(tái)上的套筒式夾具安裝圖

進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖2所示（水平滑臺(tái)-套筒振動(dòng)夾具），RMS值如表1所示。將圖2中水平滑臺(tái)套筒振動(dòng)夾具的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試曲線與垂直振動(dòng)臺(tái)套筒振動(dòng)夾具的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：

1）在400～800 Hz左右、1 600～2 000 Hz左右高頻響應(yīng)激勵(lì)不起來；

2）振動(dòng)響應(yīng)RMS值減小，由9.9 g變?yōu)?.8 g。

從測(cè)試數(shù)據(jù)上看，在不更換振動(dòng)夾具、控制方式的情況下，由垂直振動(dòng)臺(tái)更換為水平滑臺(tái)存在欠試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

通過討論，決定用另一種振動(dòng)夾具——卡箍式夾具在水平滑臺(tái)上再次進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試。控制方式不變，產(chǎn)品安裝圖如圖4所示。關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖2所示（水平滑臺(tái)-卡箍振動(dòng)夾具），RMS值如表1所示，將此次測(cè)試數(shù)據(jù)與上兩次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：

圖4 某型空空導(dǎo)彈組件在水平滑臺(tái)上的卡箍式夾具安裝圖

1）水平滑臺(tái)卡箍振動(dòng)夾具的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試曲線與垂直振動(dòng)臺(tái)套筒振動(dòng)夾具的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試曲線相比，水平滑臺(tái)卡箍夾具在200～800 Hz、1 600～2 000 Hz左右也沒有激勵(lì)起來；

2）水平滑臺(tái)卡箍的振動(dòng)曲線與水平滑臺(tái)套筒的振動(dòng)曲線趨勢(shì)不同，但其RMS值相近，都比垂直振動(dòng)臺(tái)的RMS值小，具體如表1所示。

表1 某型空空導(dǎo)彈組件的振動(dòng)響應(yīng)RMS值

從測(cè)試數(shù)據(jù)上看，只改變振動(dòng)夾具的裝夾方式，不更改控制傳感器的控制方式，由垂直振動(dòng)臺(tái)更換為水平滑臺(tái)同樣存在欠試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

由于某種原因，該組件振動(dòng)控制方式不能更改，根據(jù)這次振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試決定在交付試驗(yàn)時(shí)依然使用垂直振動(dòng)臺(tái)，不更換為水平滑臺(tái)。

2.2 改變振動(dòng)控制方式+振動(dòng)夾具

某型導(dǎo)彈組件在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一直使用垂直振動(dòng)臺(tái)L型振動(dòng)夾具開展振動(dòng)試驗(yàn)，由于特殊情況，今后只能使用水平滑臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。大多數(shù)情況下，若將垂直振動(dòng)臺(tái)更換為水平滑臺(tái)，對(duì)振動(dòng)夾具也要重新設(shè)計(jì)。該組件水平滑臺(tái)的振動(dòng)夾具更換為底座卡箍型，現(xiàn)在通過調(diào)整控制方式，測(cè)試在組件關(guān)鍵位置上的振動(dòng)響應(yīng)，保證其與垂直振動(dòng)關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)一致。

2.2.1 在垂直振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

某型導(dǎo)彈組件在垂直振動(dòng)臺(tái)上開展振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)夾具為L(zhǎng)型夾具，控制傳感器有4個(gè)，采用4點(diǎn)平均方式控制，產(chǎn)品安裝圖如圖5所示。

圖5 某型導(dǎo)彈組件的垂直臺(tái)振動(dòng)安裝圖

監(jiān)測(cè)傳感器安裝在關(guān)鍵部位，關(guān)鍵部位的振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖6所示（垂直振動(dòng)臺(tái)-L型振動(dòng)夾具），其RMS值如表2所示。

2.2.2 在水平滑臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

該型產(chǎn)品的振動(dòng)設(shè)備更換為水平滑臺(tái)，振動(dòng)夾具更改為卡箍型，在關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)變化很大，產(chǎn)品安裝圖如圖7所示。針對(duì)這個(gè)問題，參考4個(gè)控制傳感器控制曲線的RMS值，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)的位置，通過不斷地調(diào)整控制傳感器位置，最終達(dá)到其關(guān)鍵部位的水平滑臺(tái)振動(dòng)RMS值與垂直振動(dòng)臺(tái)RMS值接近，具體如表2所示，振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖6（水平滑臺(tái)-卡箍振動(dòng)夾具）所示。從圖6中可以看出，20～500 Hz前后兩種振動(dòng)響應(yīng)曲線的趨勢(shì)相當(dāng)。

圖7 某型導(dǎo)彈組件在水平滑臺(tái)安裝圖

表2 某型導(dǎo)彈組件的振動(dòng)響應(yīng)RMS值

圖6 某型導(dǎo)彈組件的振動(dòng)響應(yīng)曲線對(duì)比圖

從振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，產(chǎn)品由垂直振動(dòng)臺(tái)更改為水平滑臺(tái)振動(dòng)后，通過調(diào)整水平滑臺(tái)的控制傳感器位置、振動(dòng)夾具，使關(guān)鍵位置在水平滑臺(tái)上的振動(dòng)量級(jí)和垂直振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)量級(jí)基本相當(dāng)，在今后的振動(dòng)試驗(yàn)中可以將垂直振動(dòng)臺(tái)改為水平滑臺(tái)。

3 結(jié)束語

從上述兩個(gè)案例中可以看出，垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)的傳遞特性不一樣，被試品關(guān)鍵位置在垂直振動(dòng)臺(tái)與水平滑臺(tái)上的振動(dòng)響應(yīng)也不一樣。建議被試品從研制到生產(chǎn)階段，應(yīng)盡量地保證在同一方向的振動(dòng)臺(tái)上開展試驗(yàn)[5]。若一定要更換振動(dòng)臺(tái)（由垂直振動(dòng)臺(tái)改為水平滑臺(tái)或?qū)⑺交_(tái)更改為垂直振動(dòng)臺(tái)），需要使用工藝件開展振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，不斷地調(diào)整振動(dòng)夾具的裝夾方式和控制傳感器的控制方式，確保被試品上的振動(dòng)響應(yīng)在合理的情況下進(jìn)行正式試驗(yàn)。