振動(dòng)試驗(yàn)質(zhì)量監(jiān)控方法探究

王志浩，陳鑫，周天朋，張純

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462； 2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；3.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710072）

引言

環(huán)境試驗(yàn)是保障產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)正常使用的重要考核環(huán)節(jié)，在航空、航天等軍工產(chǎn)品交付前得到廣泛應(yīng)用，它主要考核產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[1]。振動(dòng)試驗(yàn)是力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中非常常見(jiàn)的一項(xiàng)試驗(yàn)，其振動(dòng)方式包含正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩類(lèi)，在MIL-STD-810H-2019《Environmental Engineering Considerations And laboratory Tests》、GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》、RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》、GB/T 2423.10-2019《環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)（正弦）》等標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)要求，同時(shí)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境溫濕度、允差等做出了明確的要求，試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)或結(jié)構(gòu)特性[2]。按照CANS-CL01-G001：2018《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》中對(duì)性能測(cè)試領(lǐng)域的相關(guān)要求，實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量監(jiān)控計(jì)劃需覆蓋到認(rèn)可能力范圍內(nèi)包括振動(dòng)試驗(yàn)在內(nèi)的所有檢測(cè)項(xiàng)目，并制定相應(yīng)監(jiān)控方法，可以使用同一種樣品在不同設(shè)備之間進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)比較數(shù)據(jù)一致性等質(zhì)量監(jiān)控方法[3-4]。

該文就近期筆者參與的某航天公司14 家實(shí)驗(yàn)室以及本級(jí)共15 家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行研究，按照CNAS-GL02:2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》對(duì)參加的15 家實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)及評(píng)價(jià)，為后續(xù)檢測(cè)行業(yè)振動(dòng)試驗(yàn)質(zhì)量監(jiān)控方法提供一定的參考。

1 質(zhì)量監(jiān)控方法

為了監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施運(yùn)行情況，保障實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)的運(yùn)行質(zhì)量，特開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和外部流轉(zhuǎn)，開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果比對(duì)，來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)質(zhì)量控制能力，以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)芰5]。

該文通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室間隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)的方法，利用試驗(yàn)件監(jiān)測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行比對(duì)，并通過(guò)判定準(zhǔn)則要求進(jìn)行評(píng)判，來(lái)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芰λ剑M(jìn)而加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)質(zhì)量的監(jiān)控。具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的檢測(cè)要求

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》、GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》等，本實(shí)驗(yàn)主要按照軍工試驗(yàn)常用標(biāo)準(zhǔn)GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》的要求開(kāi)展試驗(yàn)[6]。

2.2 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)試件為沿圓心方向割開(kāi)縫隙的圓筒狀金屬結(jié)構(gòu)件，其底座圓盤(pán)四邊角上配有 4 個(gè)螺栓安裝孔，使其便于安裝在振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)臺(tái)面上，在振動(dòng)試驗(yàn)前，需將控制傳感器安裝在試件與滑臺(tái)臺(tái)面對(duì)接面上剛度較好位置，同時(shí)需把監(jiān)測(cè)傳感器安裝在試件指定位置上。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

目前，振動(dòng)試驗(yàn)所采用的設(shè)備較為常見(jiàn)，主要由振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體、水平滑臺(tái)、冷卻系統(tǒng)、功放、控制電腦、振動(dòng)控制儀等模塊組成的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，其試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。振動(dòng)臺(tái)的工作原理是先啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，設(shè)置振動(dòng)控制儀的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)，然后打開(kāi)功放增益，通過(guò)功放將控制儀生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)逐級(jí)放大，然后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作，同時(shí)將控制點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)反饋給振動(dòng)控制儀，與設(shè)定好的參考譜進(jìn)行比較修正，得到新的驅(qū)動(dòng)譜，如此反復(fù)進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的工作原理是：將振動(dòng)臺(tái)通過(guò)控制振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，使控制譜達(dá)到并滿足試驗(yàn)控制精度的要求。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2.4 試驗(yàn)程序

根據(jù)GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)方法要求，本次試驗(yàn)需在溫度為（15~35）℃、相對(duì)濕度為（20~80）%、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的環(huán)境條件下進(jìn)行。在試驗(yàn)開(kāi)始前，為了避免環(huán)境條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試件需在該試驗(yàn)環(huán)境條件下至少放置1 h。然后，按照振動(dòng)試驗(yàn)條件要求對(duì)振動(dòng)控制儀試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

3 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)依據(jù)CNAS-GL02:2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》[7]進(jìn)行評(píng)價(jià)。比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果|z|值。

當(dāng) |z|≤2 時(shí)， 說(shuō)明結(jié)果“滿意”，無(wú)需進(jìn)一步采取措施；

當(dāng)2 ＜|z|＜3，說(shuō)明結(jié)果“有問(wèn)題”，產(chǎn)生警戒信號(hào)；

當(dāng) |z|≥3，說(shuō)明結(jié)果“不滿意”，應(yīng)作出適當(dāng)分析，采取有效措施。

計(jì)算公式如下：

式中：

X—平均值；

σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

4 工裝設(shè)計(jì)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，特進(jìn)行試驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，設(shè)計(jì)一套振動(dòng)試驗(yàn)工裝，利用試驗(yàn)工裝的固有頻率特性，控制工裝一階頻率范圍和放大效果，通過(guò)在工裝剛度比較好的位置且放大較明顯的區(qū)域粘貼監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳感器，比對(duì)不同試驗(yàn)室間數(shù)據(jù)值，并判定其標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芰?，本文設(shè)計(jì)圓筒狀金屬結(jié)構(gòu)件及粘貼監(jiān)測(cè)傳感器位置如圖2。

圖2 試驗(yàn)件及試驗(yàn)方向

其中圓筒狀金屬結(jié)構(gòu)件分為兩半A、B 兩部分，在試件指定點(diǎn)上粘貼傳感器A1、A2。

通過(guò)SolidWorks 軟件來(lái)計(jì)算該工裝一階頻率值，其中試件底部固定約束，網(wǎng)絡(luò)為六面體圖形，計(jì)算為1 109.4 Hz（如圖3），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 試件一階固有頻率

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將試件通過(guò)4 個(gè)M12 螺栓固定在10 t 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)（型號(hào)：MPA3324/H1248A）滑臺(tái)上，并確認(rèn)試件Y 向與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向保持一直，按表2 條件進(jìn)行正弦掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)控制點(diǎn)位于試驗(yàn)件與滑臺(tái)對(duì)接面剛度較好位置處，采用兩點(diǎn)平均控制方式進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)放置于試驗(yàn)件頂面A1 點(diǎn)處，具體位置見(jiàn)圖2 中的A1，試驗(yàn)圖片見(jiàn)圖4。

圖4 試件試驗(yàn)圖片

表2 正弦掃描試驗(yàn)條件

試驗(yàn)后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線與控制點(diǎn)曲線進(jìn)行比對(duì)，得到傳遞率曲線（如圖5），從圖上可知該試件一階頻率為1 163 Hz，與設(shè)計(jì)頻率值較為接近，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 試件一階固有頻率

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文組織某航天公司14 家實(shí)驗(yàn)室以及本級(jí)共15家實(shí)驗(yàn)室按照表1 試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，按照CNASGL02:2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)參加的實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)試驗(yàn)，15 家實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

通過(guò)比對(duì)測(cè)點(diǎn)1：=2.264；測(cè)點(diǎn)2：=1.226，參與本次隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)的所有試驗(yàn)室比對(duì)結(jié)果值均|z|≤2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)

6 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)件監(jiān)測(cè)點(diǎn)值比對(duì)，15 家實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)結(jié)果值均|z|≤2，均滿足判定準(zhǔn)則的要求，驗(yàn)證了試驗(yàn)工裝滿足振動(dòng)試驗(yàn)方法要求，質(zhì)量監(jiān)控方法滿足振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)控需求。