某型前艙振動(dòng)夾具試驗(yàn)與位標(biāo)器故障研究

范東林，王學(xué)謙，李東升，段曉飛，王瑛

（1.國(guó)營(yíng)洛陽(yáng)丹城無線電廠，洛陽(yáng) 471000；2.空軍勤務(wù)學(xué)院，徐州 221000）

前言

某型產(chǎn)品前艙在使用振動(dòng)夾具進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)消耗電流異常情況，經(jīng)對(duì)位標(biāo)器故障進(jìn)行檢查與故障定位，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在陀螺卡滯的情況，且萬向支架邊軸承支撐柱（小軸）松動(dòng)，內(nèi)、外框之間活動(dòng)間隙不對(duì)稱。萬向支架組件結(jié)構(gòu)如圖1所示，本體與陀螺定子固結(jié)，本體通過一對(duì)小軸、邊軸承與外框連接，外框可繞小軸相對(duì)本體轉(zhuǎn)動(dòng)；外框再通過成對(duì)小軸、邊軸承與內(nèi)框組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，內(nèi)框可繞小軸相對(duì)外框轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 某產(chǎn)品外框架結(jié)構(gòu)圖

位標(biāo)器故障產(chǎn)生的原因是由于振動(dòng)使萬向支架邊軸承上小軸與外框的螺紋膠松動(dòng)，小軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使萬向支架松動(dòng)或陀螺轉(zhuǎn)子偏心，陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中導(dǎo)磁環(huán)與萬向支架發(fā)生摩擦，引起陀螺轉(zhuǎn)速下降，而陀螺電機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)，正常轉(zhuǎn)動(dòng)中，定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子永久磁場(chǎng)作用定子繞組形成反電勢(shì)（感抗），起到阻止定子電流增加的作用，若陀螺轉(zhuǎn)速下降，上述反電勢(shì)（感抗）將減小或消失，陀螺電機(jī)直接作為電感元件接入電源，電流將會(huì)異常增大。

1 振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)

某航空產(chǎn)品為細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品前端內(nèi)部安裝有位標(biāo)器，前端外部設(shè)計(jì)有反安定面（前翼），其后是舵面，為典型雙鴨式氣動(dòng)布局，見圖1所示。

1.1 振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了專用振動(dòng)夾具，用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行Y、Z兩個(gè)方向的振動(dòng)。夾具由底板、側(cè)板以及三組夾環(huán)組成，材料為L(zhǎng)Y12，采用螺紋連接形式，每組夾環(huán)又由中分的內(nèi)卡環(huán)、外卡環(huán)構(gòu)成。為避開產(chǎn)品前端反安定面，夾環(huán)1為相差180 °的兩段圓弧夾持，約占整個(gè)圓形區(qū)域的1/4，與產(chǎn)品接觸面積小、正交方向連接剛度差；夾環(huán)2、3夾持面占比均約為整個(gè)圓形區(qū)域的4/5，與產(chǎn)品接觸面積較大。振動(dòng)夾具在設(shè)計(jì)時(shí)，三組夾環(huán)均由與產(chǎn)品艙表面接觸的可分開式內(nèi)卡環(huán)，以及用于固定內(nèi)卡環(huán)的的外卡環(huán)組成。外卡環(huán)未固緊時(shí)，與艙表面直接連接的內(nèi)卡環(huán)可繞水平X軸旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品Y、Z兩個(gè)方向的振動(dòng)。

從圖3可以看出，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，從底板到與艙表面連接的內(nèi)卡環(huán)環(huán)節(jié)過多，降低了振動(dòng)夾具的整體剛度。尤其夾環(huán)1，因與產(chǎn)品接觸面積小且在圖3所示水平（Z向）振動(dòng)時(shí)，水平方向缺少支撐弧段，造成振動(dòng)傳遞性欠佳。

圖3 某產(chǎn)品振動(dòng)夾具

1.2 振動(dòng)夾具的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為評(píng)估振動(dòng)夾具的動(dòng)態(tài)特性，將振動(dòng)夾具安裝到振動(dòng)臺(tái)上，對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試的2號(hào)夾環(huán)處主振動(dòng)方向響應(yīng)曲線見圖4所示。

圖4 2號(hào)卡環(huán)加速度響應(yīng)譜

由圖可以看出，振動(dòng)夾具的一階固有頻率約為180 Hz，不滿足不小于500 Hz要求，且2號(hào)卡環(huán)在180 Hz頻率點(diǎn)處共振峰值極大，傳遞率超過300，超過3 dB的累計(jì)帶寬約為100 Hz，品質(zhì)因數(shù)Q值約為15。

圖2 某產(chǎn)品氣動(dòng)布局圖

對(duì)于超過3 dB帶寬、Q值指標(biāo)要求，由于國(guó)內(nèi)對(duì)美軍標(biāo)規(guī)定理解的不同，幾種文獻(xiàn)中規(guī)定并不一致，相關(guān)規(guī)定最早出現(xiàn)在MIL-STD-810B中，但兩項(xiàng)指標(biāo)在后續(xù)MIL-STD-810G，并未做相關(guān)規(guī)定[1,2]。一些文獻(xiàn)指出，傳遞性一般僅規(guī)定Q值極值不大于10，即使超差，尚可進(jìn)一步通過與產(chǎn)品聯(lián)合調(diào)試來判斷夾具是否可用[3]。

2 新振動(dòng)夾具的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 新振動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)某產(chǎn)品所改進(jìn)設(shè)計(jì)的振動(dòng)夾具如圖5所示，夾具采用鑄造式結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)板、加強(qiáng)板、上下夾環(huán)等組成，材質(zhì)為鋁合金。根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)，某產(chǎn)品前艙與振動(dòng)夾具夾持部位與反安定面重合時(shí)傳遞性最佳，振動(dòng)時(shí)不易對(duì)位標(biāo)器敏感器件造成損傷。按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，若前、后上夾環(huán)與底座夾角和水平面重合時(shí)，某產(chǎn)品前艙無法從振動(dòng)夾具上部裝入，若沿某產(chǎn)品前艙軸向安裝會(huì)與前艙艙體上元器件的干涉。后上夾環(huán)、前上夾環(huán)通過連接螺釘和墊圈與振動(dòng)夾具底座連接，結(jié)合面與水平面夾角設(shè)計(jì)為30 °，如圖6所示，某產(chǎn)品前艙安裝時(shí)，可在振動(dòng)夾具上部沿與鉛垂面夾角（15～30）°方向裝入，某產(chǎn)品前艙有反安定面4個(gè)，與鉛垂面夾角45 °，僅通過90 °旋轉(zhuǎn)某產(chǎn)品前艙而不必更換夾環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙鴨式氣動(dòng)布局產(chǎn)品前艙“Y”、“Z”向的振動(dòng)。

圖5 某產(chǎn)品前艙振動(dòng)夾具

圖6 前艙與振動(dòng)夾具安裝示意圖

2.2 新振動(dòng)夾具的動(dòng)態(tài)特性分析

在振動(dòng)臺(tái)上，對(duì)新振動(dòng)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試的夾環(huán)處主振動(dòng)方向響應(yīng)曲線見圖7所示，其中3號(hào)傳感器為主振方向響應(yīng)，6號(hào)傳感器為水平軸方向振動(dòng)響應(yīng)（正交方向響應(yīng)均方根值約為主振方向的0.44倍）。由圖8可以看出，振動(dòng)夾具的一階固有頻率約為680 Hz，滿足不小于500 Hz要求；在主振方向上，（500～1 000）Hz之間有1個(gè)共振峰值，傳遞率約為30，超過3 dB的累計(jì)帶寬約為200 Hz，品質(zhì)因數(shù)Q值約為6.8；（1 000～2 000）Hz之間有2個(gè)共振峰值，超過3 dB的累計(jì)帶寬約為200 Hz，振動(dòng)夾具的品質(zhì)因數(shù)Q值約為10。

圖7 新振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

3 兩種振動(dòng)夾具調(diào)試試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)于新研制的振動(dòng)夾具，使用前必須進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，確保產(chǎn)品各部位不發(fā)生欠振動(dòng)、過振動(dòng)[4]。新設(shè)計(jì)的振動(dòng)夾具重點(diǎn)需降低前艙導(dǎo)引頭位標(biāo)器加速度均方根值、功率譜密度曲線峰值的數(shù)值，盡可能將振動(dòng)方向的加速度均方根值控制在輸入值的1.5倍之內(nèi)、品質(zhì)因數(shù)Q盡可能控制在10以內(nèi)，避免前艙其余各處產(chǎn)生過振動(dòng)、欠振動(dòng)[5]。

新設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具既為解決位標(biāo)器振動(dòng)不合理帶來的邊軸承支撐柱（螺紋部分）松動(dòng)問題，同時(shí)也盡可能避免欠振動(dòng)。為此，有必要進(jìn)行新振動(dòng)夾具與原振動(dòng)夾具的試驗(yàn)效果對(duì)比。圖8、圖9為采用5點(diǎn)最大值控制、兩個(gè)振動(dòng)方向上兩種振動(dòng)夾具試驗(yàn)時(shí)位標(biāo)器響應(yīng)的對(duì)比，其中均方根值大者為原振動(dòng)夾具的位標(biāo)器響應(yīng)曲線。

圖8 兩種振動(dòng)夾具安裝前艙后的標(biāo)器響應(yīng)對(duì)比（Y向）

圖9 兩種振動(dòng)夾具安裝前艙后的位標(biāo)器響應(yīng)對(duì)比（Z向）

新振動(dòng)夾具試驗(yàn)時(shí)，位標(biāo)器的響應(yīng)從低頻、高頻都得到極大改善，180 Hz處功率譜密度峰值降低約50 %以上（淺色曲線），在中高頻處，功率譜密度峰值也得到明顯抑制，在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，加速度均方根值也得到降低。

4 位標(biāo)器失效討論

評(píng)定緊固件防松性能，國(guó)、內(nèi)外普遍采用兩種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法。第一種是緊固件加速振動(dòng)試驗(yàn)方法：ISO標(biāo)準(zhǔn)或GJB 715.3A，第二種是緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法：GB/T 10431，兩種都是加速緊固件松動(dòng)的試驗(yàn)方法。第一種方法目前在國(guó)內(nèi)主要用于航空航天系統(tǒng)，而其他系統(tǒng)多采用第二種方法。由于橫向力是使螺紋連接產(chǎn)生松動(dòng)的最苛刻外力，兩種試驗(yàn)方法都是從垂直于螺紋軸線的方向施加足夠大的橫向振動(dòng)，使螺紋件在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)。從試驗(yàn)方法中加載頻率來說，第一種試驗(yàn)方法振動(dòng)頻率約為30 Hz，第二種振動(dòng)頻率約為12.5 Hz，相比某產(chǎn)品前艙振動(dòng)試驗(yàn)，均可看作低頻加速振動(dòng)試驗(yàn)。從前艙振動(dòng)加載方向來看，相對(duì)于邊軸承支撐柱軸線方向，水平X軸振動(dòng)方向?yàn)楹愣M向振動(dòng)（經(jīng)監(jiān)測(cè)，X向很?。髡穹较蛴捎谌f向支架的高速旋轉(zhuǎn)可以看作沿邊軸承支撐柱軸線方向的正弦橫向力，會(huì)對(duì)螺紋松動(dòng)貢獻(xiàn)分量，應(yīng)適當(dāng)控制分量大小，即應(yīng)合理控制位標(biāo)器的主振方向的響應(yīng)。

某產(chǎn)品位標(biāo)器萬向支架與外環(huán)通過邊軸承、邊軸承支撐柱組合到一起，邊軸承支撐柱與萬向支架采用螺紋連接方式，為避免螺紋松動(dòng)，螺紋上涂有環(huán)氧類螺紋膠并固化。萬向支架邊軸承支撐柱松動(dòng)是由于在振動(dòng)環(huán)境下螺紋連接用螺紋膠發(fā)生失效引起；而螺紋膠失效應(yīng)為首先在中低頻條件下螺紋膠破裂、粘合力喪失，繼而在高頻振動(dòng)環(huán)境下，邊軸承支撐柱迅速發(fā)生松脫甚至退出。

螺紋膠的失效，可能在掛飛等條件下已經(jīng)出現(xiàn)，也有可能在過振動(dòng)試驗(yàn)條件下產(chǎn)生。如果螺紋膠的失效是在掛飛等條件下發(fā)生，那么振動(dòng)試驗(yàn)一定程度上完成了對(duì)產(chǎn)品缺陷的篩選；如果螺紋膠的失效是在振動(dòng)試驗(yàn)中產(chǎn)生，也有必要控制過振動(dòng)試驗(yàn)。聯(lián)合調(diào)試正是基于上述分析，將位標(biāo)器上180 Hz附近功率譜密度響應(yīng)峰值有效降低，同時(shí)使高頻部分響應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，以便最大限度降低螺紋失效可能性[6]。

5 結(jié)論

針對(duì)位標(biāo)器消耗電流異常故障，對(duì)產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行了排查分析，分析認(rèn)為振動(dòng)夾具引起的某產(chǎn)品局部過振動(dòng)不能排除。根據(jù)對(duì)兩種振動(dòng)夾具實(shí)際測(cè)試以及緊固件防松性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為引起位標(biāo)器失效的是由于萬向支架邊軸承支撐柱松動(dòng)是由于在振動(dòng)環(huán)境下螺紋連接用螺紋膠發(fā)生失效引起；而螺紋膠失效應(yīng)為首先在中低頻條件下螺紋膠破裂、粘合力喪失，繼而在高頻振動(dòng)環(huán)境下，邊軸承支撐柱迅速發(fā)生松脫甚至退出。

因此，設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具時(shí)，除可參照MIL-STD-810B評(píng)價(jià)振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性，更應(yīng)注重與產(chǎn)品的聯(lián)合調(diào)試，對(duì)于振動(dòng)工程中出現(xiàn)的產(chǎn)品失效故障，應(yīng)準(zhǔn)確分析故障機(jī)理，聯(lián)合調(diào)試無法有效控制關(guān)鍵部位的振動(dòng)量級(jí)時(shí)，有必要重新研制振動(dòng)夾具。