小型夾具隨機振動試驗高頻超差問題研究

許紅衛，馬嘯宇，周 建，宋少偉

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

振動試驗主要考核產品的可靠性，暴露產品在設計、工藝、質量等方面的缺陷。隨機振動試驗中，要求控制信號必須平穩、各態歷經并在規定的容差范圍內。但實際試驗中往往會出現控制曲線高頻部分超出容差帶的限制(簡稱為高頻超差)[1-4]，從而影響試驗考核結果的準確性和有效性。在某發動機測控電纜隨機振動試驗中，偶爾會出現高頻超差現象，為提高試驗考核準確性，有必要對測控電纜隨機振動試驗中出現高頻超差的問題進行相關研究，分析原因并找出小型夾具隨機振動試驗高頻超差相應的解決方案。

1 高頻超差原因分析

振動試驗高頻超差的原因有很多，如人員、設備、產品、試驗方法和環境等因素，通過對測控電纜長期的跟蹤試驗分析發現，高頻超差原因主要可以歸結為振動試驗夾具設計不合理及滑臺與振動試驗夾具之間的連接問題，主要影響因素有以下幾方面。

1.1 連接螺栓數量少

測控電纜振動試驗夾具有多種，主要為矩形條狀夾具，如圖1所示，測控電纜振動試驗夾具與滑臺之間采用兩根螺栓連接。測控電纜隨機振動試驗中最高頻率為2 000 Hz，按照振動試驗夾具設計的一般要求[5-7]，在振動臺上安裝夾具后，其一階頻率要大于2 000 Hz，對于一些質量小、重心低的夾具容易實現該要求，而對于質量大、重心高的夾具，采用兩根螺釘連接，其一階頻率通常會低于2 000 Hz，容易在共振點處發生超差現象。

圖1 振動試驗夾具Fig.1 Vibration test fixture

1.2 連接面平面度較差

試驗中發現，將圖1所示的試驗夾具與兩個不同的振動臺滑臺相連，隨機振動控制曲線分別如圖2和圖3所示。從圖中可見，在1#振動臺上出現了控制曲線高頻超差現象，而在2#振動臺上控制曲線全部在誤差帶內。經觀察發現，1#振動臺滑臺存在微變形，中間出現突起，導致連接面不平整，使得臺面到振動試驗夾具控制點的傳遞特性較差，由此引發高頻超差問題。

圖2 1#振動臺上控制響應曲線Fig.2 Control spectrum curve on 1# vibrostand

圖3 2#振動臺上控制響應曲線Fig.3 Control spectrum curve on 2# vibrostand

1.3 滑臺與振動試驗夾具連接剛度影響

用2#振動臺對圖1所示的夾具進行x向與y向白噪聲隨機振動試驗，獲取振動臺滑臺到夾具上表面控制點之間的傳遞特性曲線，如圖4所示。從圖4中可見，在2#振動臺上進行x向隨機振動試驗時，夾具一階頻率為1 017 Hz，進行y向隨機振動試驗時，一階頻率為1 647 Hz。從宏觀上看，x向與y向振動試驗中，雖然夾具近似對稱，其傳遞特性卻相差很大。以上結果表明：看似相同的兩個方向振動試驗，其傳遞特性可能相差較大，即使同一方向的振動試驗，不同的振動臺上得到的傳遞特性曲線也可能不一樣。由此解釋了試驗過程中，看似兩個方向一樣的振動試驗，一個方向控制響應效果較好，而另一個方向卻出現高頻超差問題，其主要原因在于夾具和臺面構成的結構系統的動態特性發生了改變。結構系統的動態特性變化主要原因在于滑臺與振動試驗夾具的連接剛度發生了改變，這從宏觀上是無法考慮的[8-10]。進一步的試驗通過在滑臺與振動夾具之間加入1 mm厚的毛氈，其傳遞特性如圖5所示。由圖5可知，在加入毛氈后，兩個方向的傳遞特性基本一致。

圖4 2#振動臺上傳遞特性曲線Fig.4 Transfer curve on 2# vibrostand

圖5 2#振動臺上加墊后傳遞特性曲線Fig.5 Transfer curve on 2# vibrostand with the felt

1.4 滑臺與振動試驗夾具連接非線性特性影響

測控電纜隨機振動試驗過程中還會出現一種現象，即在低量級振動試驗時控制響應曲線很好，隨著量級的不斷增大，有時也會出現高頻超差現象，圖6顯示了在-12 dB時的控制響應曲線，圖7顯示了在0 dB時的控制響應曲線。這種現象產生的主要原因在于滑臺與振動試驗夾具的連接非線性，在進行隨機振動控制時，控制系統在小量級下獲得傳遞特性曲線，然后進行迭代循環控制，由于滑臺和振動試驗夾具間的連接非線性，在高量級時，其傳遞特性曲線會發生改變，這就導致迭代過程出現誤差，發生高頻超差現象。

圖6 -12 dB量級時的控制響應曲線Fig.6 Control spectrum cure at-12 dB

圖7 0 dB量級時的控制響應曲線Fig.7 Control spectrum cure at 0 dB

1.5 滑臺與振動試驗夾具之間的連接阻尼影響

在3#振動臺上對圖1所示的夾具進行隨機振動試驗時，其控制響應曲線如圖7所示，高頻出現超差現象，而當在滑臺與振動試驗夾具工裝之間加入毛氈時，其控制響應曲線如圖8所示，無高頻超差現象。這主要是由于加毛氈后，阻尼增大，有助于平穩控制。

圖8 加毛氈時的控制響應曲線Fig.8 Control spectrum cure with the felt

2 解決途徑

隨機振動試驗中，當出現控制高頻超差時，通常的解決途徑為首先將系統各環節孤立開來，逐一進行測試分析。先判斷控制儀、振動臺是否出現故障，檢查的基本方法為空臺進行正弦和隨機振動試驗，如果控制譜正常，而且臺體無異常聲音，則基本排除控制系統和振動臺問題。然后分析夾具設計與安裝問題，可以考慮采取以下方法：

1)對小型夾具設計，應盡量保證夾具與滑臺連接后的頻率高于振動試驗最高頻率，可以采取降低重心的方式。

2)保證夾具與振動臺滑臺連接緊密，并采用盡量多的連接螺栓，以提高夾具與滑臺連接后的頻率。

3)改善連接阻尼，在夾具與滑臺之間墊毛氈或橡膠墊等阻尼材料，厚度適度。這樣不僅可以增大阻尼，而且可以削弱夾具與滑臺之間的接觸非線性效應。

此外，對于小型夾具振動試驗，采用多點平均控制也可有效抑制高頻超差問題。

3 結論

測控電纜隨機振動試驗中的高頻超差問題，主要原因在于夾具設計及與滑臺之間的連接特性。在解決方法上可以針對這兩個方面進行改進，同時也可以通過改變控制方法來抑制高頻超差。本研究為解決小型夾具隨機振動試驗的高頻超差問題提供了參考。