基于改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具的航天閥門試驗(yàn)方法

馮盟蛟，張文勝，次永偉，程建，張毅，匡以武

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 400245）

引言

力學(xué)試驗(yàn)是考核航天器能否經(jīng)受發(fā)射階段的惡劣動力學(xué)環(huán)境[1]的重要手段，而力學(xué)夾具是振動和沖擊試驗(yàn)中的關(guān)鍵因素，甚至關(guān)乎整個試驗(yàn)成敗。力學(xué)試驗(yàn)夾具的研制和改進(jìn)技術(shù)顯得尤為重要，可通過理論分析進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)夾具合理性驗(yàn)證[2]，或通過采用建立有限元模型，利用模態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測，對試驗(yàn)夾具進(jìn)行改進(jìn)[3]等，也可通過將理論設(shè)計(jì)與仿真分析相結(jié)合的方法[4]，進(jìn)行夾具的固有特性分析，從而驗(yàn)證有效性。一些學(xué)者采用各種方法對力學(xué)試驗(yàn)夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作，并分析夾具對試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)方法的影響[5,6]，通過研究試驗(yàn)夾具確保試驗(yàn)成功。

整個試驗(yàn)成敗不僅取決于試驗(yàn)夾具，試驗(yàn)方法的研究也是不可或缺的。如基于力限技術(shù)開展的力學(xué)試驗(yàn)夾具的測試[7]，驗(yàn)證試驗(yàn)中力限方法的有效性和可行性；如將試驗(yàn)測試技術(shù)與故障診斷相結(jié)合，將試驗(yàn)測試技術(shù)發(fā)展到新的領(lǐng)域并促進(jìn)了試驗(yàn)測試技術(shù)的發(fā)展[8]。也有學(xué)者以航天器為研究對象，進(jìn)行動力學(xué)試驗(yàn)夾具測試分析，揭示了航天器力學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展歷程及未來發(fā)展趨勢，為試驗(yàn)測試技術(shù)的發(fā)展指明了方向[9]。隨著力學(xué)測試試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，其范圍已涉及很多方面，宇航產(chǎn)品環(huán)境工程[10]，動力學(xué)測試綜合技術(shù)[11]，聲振領(lǐng)域測試[12]，先進(jìn)測試技術(shù)[13]等具有穩(wěn)定的發(fā)展和較大的進(jìn)步，未來趨勢將是全方面多層次的發(fā)展。

1 改進(jìn)后的力學(xué)試驗(yàn)夾具固有特性分析

1.1 原有的試驗(yàn)夾具存在的問題

前期采用原有的試驗(yàn)夾具進(jìn)行試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)力學(xué)試驗(yàn)夾具仍然存在一些問題，亟待解決的問題主要有以下幾點(diǎn)：

1）力學(xué)試驗(yàn)夾具負(fù)載測試產(chǎn)品試驗(yàn)中，隨機(jī)試驗(yàn)的過程中存在高頻控制超差的問題，會給產(chǎn)品試驗(yàn)質(zhì)量帶來風(fēng)險，在對夾具進(jìn)行改進(jìn)時需要提升夾具剛度，減少2 000 Hz范圍內(nèi)的諧波次數(shù)，改善高頻控制問題；

2）原有的力學(xué)試驗(yàn)夾具長度方向過長，高度過高，降低重心高度可有效降低諧波的放大倍數(shù)，在對夾具進(jìn)行改進(jìn)時需要進(jìn)一步驗(yàn)證夾具的強(qiáng)度；

3）試驗(yàn)夾具無法在水平臺面完成三個方向的振動試驗(yàn)，需要倒臺安裝，會降低振動設(shè)備的利用率及試驗(yàn)效率，延誤試驗(yàn)進(jìn)度；

4）原有的力學(xué)試驗(yàn)夾具尺寸偏大，沖擊試驗(yàn)臺上無法進(jìn)行三個方向的沖擊試驗(yàn)，并且夾具與臺面的連接剛度低導(dǎo)致沖擊試驗(yàn)在高頻處衰減厲害，在對夾具進(jìn)行改進(jìn)時應(yīng)盡量提高試驗(yàn)夾具的一階頻率。

1.2 改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具特性分析

針對改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具，驗(yàn)證改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具的固有特性，分析改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具的優(yōu)越性。改進(jìn)后試驗(yàn)夾具通過M12的標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定于振動臺臺面（振動臺尺寸為1.5 m×1.5 m）上，試驗(yàn)夾具與振動臺剛性連接，固定后需使用力矩扳手將裸露在外的螺釘再次進(jìn)行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗(yàn)過程中的連接剛度。試驗(yàn)過程中的X向、Y向及Z向三個軸向（主方向）的試驗(yàn)要求均利用水平滑臺來滿足試驗(yàn)要求。

根據(jù)試驗(yàn)要求，采用多點(diǎn)平均控制的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前需確認(rèn)好控制點(diǎn)及測量點(diǎn)傳感器的粘貼位置，在確定位置需粘貼隔離膠帶或者采用膠木塊，保證不會因?yàn)閭鞲衅髋c試驗(yàn)夾具或者產(chǎn)品接觸而造成短路，控制點(diǎn)傳感器采用快干膠粘貼于試驗(yàn)夾具底座上，測量點(diǎn)傳感器則是粘貼在產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具剛性連接的安裝面上，且靠近產(chǎn)品法蘭處。

1.2.1 特性分析試驗(yàn)過程

根據(jù)GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動試驗(yàn)》中的試驗(yàn)規(guī)定，對改進(jìn)后試驗(yàn)夾具進(jìn)行了X向、Y向、Z向3個方向的掃頻試驗(yàn)，掃頻條件如表1所示，試驗(yàn)過程中采用DP控制軟件，并采用由低到高掃描的方式完成掃頻，試驗(yàn)安裝如圖1所示。

在試驗(yàn)開始前應(yīng)仔細(xì)核對產(chǎn)品上的各個測點(diǎn)，確保傳感器的連接剛度及傳感器線的緊固情況。由于試驗(yàn)過程中三個方向依次進(jìn)行，在控制儀和測量設(shè)備中設(shè)置相關(guān)參數(shù)；試驗(yàn)夾具換方向后，三向傳感器主振方向發(fā)生變化，根據(jù)實(shí)際情況，將三向傳感器主振方向與控制器通道進(jìn)行對應(yīng)，同時修訂各個程序控制通道傳感器的靈敏度。

在產(chǎn)品狀態(tài)確認(rèn)無誤后，試驗(yàn)夾具狀態(tài)確認(rèn)好后，才能開始試驗(yàn)并對測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，所有的控制曲線；測點(diǎn)軸向測試曲線；測點(diǎn)徑向測試曲線；測點(diǎn)切向測試曲線；所有通道測試曲線需進(jìn)行保存，并將所有的測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel保存。

1.2.2 特性分析試驗(yàn)測試及結(jié)果評定

試驗(yàn)產(chǎn)品、改進(jìn)前力學(xué)夾具及改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具固有特性對比見表2。

表2 試驗(yàn)產(chǎn)品、改進(jìn)前夾具及改進(jìn)后試驗(yàn)夾具特性對比表

1）固有頻率特性評定

由表2可見，改進(jìn)前夾具三個方向的一階固有頻率均較低，產(chǎn)品與改進(jìn)前夾具的X向、Y向一階固有頻率較接近，由此導(dǎo)致試驗(yàn)過程中出現(xiàn)“控不住”、無法進(jìn)行振動沖擊工況的準(zhǔn)確模擬、甚至造成實(shí)際試驗(yàn)量級相比設(shè)計(jì)試驗(yàn)量級放大一倍以上。改進(jìn)后夾具三個方向的一階固有頻率較改進(jìn)前夾具均有很大提高，三個方向的一階頻率提升率分別為90 %、188 %、58 %，可見在X向和Y向各提高了一倍，同時，X向頻響得到了明顯的抑制。由此可見改進(jìn)后的力學(xué)試驗(yàn)夾具極大地改善了其自身的固有特性。

2）傳遞特性分析評定

改進(jìn)后夾具的X向、Y向、Z向改進(jìn)后試驗(yàn)夾具的一階固有頻率為1 490 Hz、1 870 Hz、1 870 Hz，相比改進(jìn)前的783 Hz、649 Hz、1 180 Hz有大幅度的提高。改進(jìn)后夾具三個方向的半功率計(jì)算方法可以進(jìn)行品質(zhì)因子的計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，該夾具在X向的品質(zhì)因子為33.11，Y向品質(zhì)因子為11.68，Z向品質(zhì)因子為11.68，對應(yīng)的阻尼比分別為0.015、0.043、0.043，X向、Y向的放大倍數(shù)為5.62、7.26，符合要求。

（3）改進(jìn)后夾具橫向振動比分析評定

改進(jìn)后夾具的橫向振動比如圖2所示（圖中黑色為改進(jìn)前，灰色為改進(jìn)后），將三軸向加速度計(jì)連接在振動臺臺面中心，使三軸向加速度計(jì)的三個方向分別對應(yīng)夾具的三個正交方向。在試驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)定的工作頻率范圍內(nèi)，按倍頻程選取10個頻率值，在所選頻率下以振動臺主振方向按照（20～2 000）Hz，1 g的正弦振動方式進(jìn)行振動測試，測量三個方向的加速度幅值，按式計(jì)算出橫向振動比，其中，ax和ay分別為垂直于主振方向的兩個互相垂直軸的加速度幅值分量；az為主振方向的加速度幅值。

圖2 改進(jìn)前后夾具X向、Y向橫向振動比

通過對試驗(yàn)夾具的橫向振動比分析（見表3），可見改進(jìn)后大部分橫向振動比均在改進(jìn)前小，該的橫向振動比在500 Hz以下,夾具的橫向振動比均小于15 %，滿足要求，由改進(jìn)前夾具和改進(jìn)后夾具的對比可見改進(jìn)后的試驗(yàn)夾具橫向振動比明顯減小，說明改進(jìn)后力學(xué)夾具的性能更好。頻率在（500～2 000）Hz以內(nèi)，改進(jìn)后夾具的橫向振動比基本都在50 %以內(nèi)，只有1個點(diǎn)橫向振動比超出，但在誤差允許的范圍內(nèi)，個別點(diǎn)的橫向振動比較高，但由對比可見改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具除在2 000Hz出現(xiàn)較高情況外，其他均滿足要求，相比于改進(jìn)前的性能評定更加滿足試驗(yàn)對夾具的橫線振動比的要求。

表3 改進(jìn)前夾具和改進(jìn)后夾具的橫向振動比分析表

2 采用改進(jìn)后力學(xué)夾具的產(chǎn)品試驗(yàn)情況

通過對改進(jìn)后夾具固有特性的試驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后的力學(xué)試驗(yàn)夾具的固有特性的改善。本文采用改進(jìn)后的力學(xué)試驗(yàn)夾具負(fù)載試驗(yàn)產(chǎn)品完成振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)方法包含試驗(yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.1 振動試驗(yàn)

2.1.1 振動試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)產(chǎn)品排氣閥通過M16的標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在試驗(yàn)夾具上，試驗(yàn)夾具通過M12的標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在振動臺臺面（振動臺尺寸為1.5 m×1.5 m）上，試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具、試驗(yàn)夾具與振動臺均采用的是剛性連接，固定完成后需使用力矩扳手將裸露在外的螺釘再次進(jìn)行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗(yàn)過程中的連接剛度。試驗(yàn)過程中的X向、Y向及Z向三個軸向（主方向）的試驗(yàn)要求均利用水平滑臺來滿足試驗(yàn)要求。

根據(jù)試驗(yàn)要求，采用多點(diǎn)平均控制的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前確認(rèn)好控制點(diǎn)及測量點(diǎn)傳感器的粘貼位置，采用ICP傳感器，在確定位置需粘貼隔離膠帶或者采用膠木塊，保證不會因?yàn)閭鞲衅髋c試驗(yàn)夾具或者產(chǎn)品接觸而造成短路，采用快干膠粘貼于產(chǎn)品法蘭A口與試驗(yàn)夾具的連接界面上，測量點(diǎn)傳感器則是粘貼在產(chǎn)品法蘭B端面上，且靠近產(chǎn)品法蘭處。振動試驗(yàn)X向、Y向、Z向三個方向的試驗(yàn)狀態(tài)分別如圖3（a）、（b）、（c）所示。

圖3 改進(jìn)后夾具X向、Y向、Z向振動試驗(yàn)照片

2.1.2 振動試驗(yàn)過程

根據(jù)GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動試驗(yàn)》中的試驗(yàn)規(guī)定，根據(jù)表4、表5試驗(yàn)要求對產(chǎn)品進(jìn)行了X向、Y向、Z向3個方向的正弦振動試驗(yàn)、隨機(jī)振動試驗(yàn)。

表4 正弦振動試驗(yàn)條件

振動試驗(yàn)的具體試驗(yàn)過程為：試驗(yàn)前安排→試驗(yàn)前檢查→試驗(yàn)夾具安裝→產(chǎn)品安裝→第一個方向正弦振動→第一個方向隨機(jī)振動→產(chǎn)品拆除，試驗(yàn)夾具換方向→產(chǎn)品第二個方向安裝→第二個方向正弦振動→第二個方向隨機(jī)振動→產(chǎn)品拆除，試驗(yàn)夾具換方向→產(chǎn)品第三個方向安裝→第三個方向正弦振動→第三個方向隨機(jī)振動→產(chǎn)品拆除→試驗(yàn)后產(chǎn)品基本性能測試→過程監(jiān)控（確保試驗(yàn)質(zhì)量和安全）→試驗(yàn)結(jié)束。

2.1.3 振動試驗(yàn)結(jié)果

X向、Y向和Z向3個方向的正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4，圖5，圖6所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)過程中控制點(diǎn)均滿足試驗(yàn)要求，在可控范圍內(nèi)。而測量點(diǎn)的曲線波動較大，這與產(chǎn)品本身存在著重要的關(guān)聯(lián)，但都在試驗(yàn)結(jié)果允許的范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求。

圖4 改進(jìn)后夾具X向正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果

圖5 改進(jìn)后夾具Y向正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果

圖6 改進(jìn)后夾具Z向高頻隨機(jī)振動試驗(yàn)

2.2 沖擊試驗(yàn)

2.2.1 沖擊試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)產(chǎn)品通過M12的標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在試驗(yàn)夾具上，試驗(yàn)夾具通過M12的標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺面（沖擊臺尺寸為1.2 m×1.2 m）上，試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具、試驗(yàn)夾具與沖擊臺均采用的是剛性連接，固定完成后需使用力矩扳手將裸露在外的螺釘再次進(jìn)行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗(yàn)過程中的連接剛度。沖擊試驗(yàn)時的試驗(yàn)產(chǎn)品與沖擊試驗(yàn)夾具的具體安裝狀態(tài)見圖7。

圖7 改進(jìn)后夾具進(jìn)行沖擊試驗(yàn)安裝狀態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)要求，沖擊試驗(yàn)共采用了2個傳感器，分別是：A12G01/750451 和DL111-1P/12010，這兩種類型的傳感器是專門針對沖擊試驗(yàn)的。采用單點(diǎn)控制的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前需確認(rèn)好控制點(diǎn)及測量點(diǎn)傳感器的粘貼位置，在確定位置需粘貼隔離膠帶，保證不會因?yàn)閭鞲衅髋c試驗(yàn)夾具或者產(chǎn)品接觸而造成短路。試驗(yàn)的兩個傳感器，第一個傳感器安裝在試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件連接處的試驗(yàn)夾具上，另一個傳感器安裝在試驗(yàn)件法蘭面上，且靠近產(chǎn)品法蘭處。

2.2.2 沖擊試驗(yàn)過程

根據(jù)GJB 150.18A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第18部分：沖擊試驗(yàn)》中的試驗(yàn)規(guī)定，按照試驗(yàn)要求，對試驗(yàn)件進(jìn)行并完成了軸、徑、切正反6個方向的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)條件如表6所示。

表6 沖擊試驗(yàn)條件

沖擊試驗(yàn)的具體試驗(yàn)過程為：試驗(yàn)前安排→試驗(yàn)前檢查→試驗(yàn)夾具安裝→產(chǎn)品安裝→軸向正方向沖擊→軸向反方向沖擊→產(chǎn)品拆除，試驗(yàn)夾具換方向→徑向正方向沖擊→徑向反方向沖擊→產(chǎn)品拆除，試驗(yàn)夾具換方向→切向正方向沖擊→切向反方向沖擊→產(chǎn)品拆除→試驗(yàn)后產(chǎn)品基本性能測試→過程監(jiān)控（確保試驗(yàn)質(zhì)量和安全）→試驗(yàn)結(jié)束。

沖擊試驗(yàn)過程中必須滿足允差的要求：沖擊加速度響應(yīng)譜值（絕對加速度，自然頻率間隔為六分之一倍頻程，Q=10）：（-6 ～ +6）dB。另外，在要求的頻率范圍內(nèi)，沖擊響應(yīng)譜加速度值應(yīng)至少有50 %頻段達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)稱值量級。

2.2.3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并分析，在沖擊試驗(yàn)中的第一個傳感器，即試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件連接處的負(fù)切向傳感器的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)曲線如圖8所示。從圖中可以看出，沖擊曲線滿足允差的要求，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，在允差范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了采用改進(jìn)后力學(xué)夾具進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的有效性，也進(jìn)一步說明了改進(jìn)后力學(xué)夾具的優(yōu)越性。

圖8 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)曲線

3 結(jié)束語

根據(jù)某航天閥門的試驗(yàn)要求，前期進(jìn)行試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)原有的力學(xué)試驗(yàn)夾具存在缺陷，將力學(xué)夾具從結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度等多個方面進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)后的試驗(yàn)夾具進(jìn)行了固有特性分析，對比分析確定了改進(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具的性能更加滿足航天閥門產(chǎn)品試驗(yàn)要求?；诖耍疚睦酶倪M(jìn)后力學(xué)試驗(yàn)夾具完成了某航天閥門產(chǎn)品正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)及沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)，采用多點(diǎn)平均控制的試驗(yàn)方法進(jìn)行正弦掃頻、正弦振動、隨機(jī)振動、沖擊響應(yīng)譜等試驗(yàn)項(xiàng)目，整個試驗(yàn)過程中試驗(yàn)環(huán)境符合要求，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無異常發(fā)生，試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)曲線符合產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了力學(xué)試驗(yàn)夾具及試驗(yàn)方法的有效性和可行性。