某機柜低頻傳遞函數異常的故障復現及質量改進

李曉強，黃波，吳豪

（中國船舶重工集團第七二二研究所，武漢 430079）

引言

國內質量問題歸零的要求是1996年由航天工業總公司通過將幾十年科研生產工作中遇到的質量問題總結而來，其中管理問題的五點要求是“過程清楚、責任明確、措施落實、嚴肅處理、完善規章”,技術問題的五點要求是“定位準確、機理清楚、問題復現、措施有效、舉一反三”[1]。產品的最終質量表征實質上是一系列質量特性和質量管理活動在質量鏈各環節中傳遞、積累和相互作用的整體效應[2]。問題復現作為歸零的手段，主要用于驗證定位的準確性和機理分析的正確性。

本文通過分析某機柜在振動過程中低頻傳遞函數數據異常的現象，著眼于故障歸零活動中試驗技術部門涉及到的故障復現以及質量改進，為產品的設計部門提供試驗角度的分析和歸納。

1 過程質量管控中故障復現的背景及意義分析

隨著國防建設的大力發展，對于電子設備的要求也愈來愈嚴苛。在ISO 9000標準中，對質量的定義為質量是一組固有特性滿足要求的程度。質量問題歸零的責任主體一般是總體設計單位，試驗檢測部門在質量問題歸零的過程中參與度不足。隨著各行各業的迅猛發展，這一弊病逐漸顯露，例如在振動試驗中，產品的研發設計部門一般設計的著重點在于電子產品的靜態性能（結構件的強度和部件間的連接強度），容易忽略動態性能，僅把環境試驗作為一種考核驗證的手段。在質量歸零的過程中，尤其是故障復現階段，試驗檢測部門的參與，不僅有利于分析歸納不同試驗應力施加對產品造成的影響，而且有助于更快的定位故障模式，為故障復現提供幫助。

為了評價產品在服役過程中的抗振能力，要通過振動試驗模擬實際環境對電子設備進行考核，在對電子設備的抗振性研究中，試驗數據起到了主導作用，有助于研究電子設備的結構特性和所處的力學環境，從而優化模擬實際工作環境的試驗方案。尤其是振動試驗的傳遞函數數據對于我所裝備生產部減震器的設計研發生產、結構專業室電子設備結構的設計優化和改進以及各個相關專業室的電子器件的結構分析都有著極其重要的作用。試驗數據的準確性不僅可以有效的分析產品的結構特性，更快的定位產品的薄弱環節和提高產品的質量，也有利于降低研發成本和相關試驗成本。

2 故障復現

2.1 故障復現的管理要求和技術要求

為確保定位準確和機理清楚，原則上都應進行復現試驗。在發生質量問題時，在不影響設備和人員安全的情況下，應保護好現場并做好現場記錄，除非故障會危及受試樣機安全或樣機已無法工作方可切斷故障樣機電源外，一般應讓其以當前試驗應力繼續試驗以便對故障進行觀察，獲得更多的故障信息。質量問題歸零的責任主體應針對質量問題的具體現象和部位及時組織相應技術領域的人員進行現場確認,必要時應由認定機構提供鑒定結果作為旁證。

試驗檢測部門在故障復現的過程中需要記錄相關信息。故障設備的詳細信息、故障現象、故障日期和時刻、發現時機、前次監測時機、故障時所處環境應力（溫度、濕度、電壓、振動應力、電磁環境等）。復現試驗為質量考核提供試驗環境，它分為四個過程：試驗條件、試驗設備、試驗技術和試驗判據[3]。其中試驗判據由委托方的輸入文件即試驗大綱規定，在故障發生時應首先檢查試驗條件設置與試驗大綱的要求的一致性，其次試驗設備由試驗室的質量體系決定，試驗檢測部門應對試驗過程中所使用的儀器儀表及試驗設備進行質量確認，檢查計量有效性。試驗技術特別是試驗過程中的“放”、“測”、“控”的決定因素是環境試驗工程師（人），故障復現應保證試驗技術的可復現性。

此外環境條件對質量指標的影響非常大，以前產品設計時認為質量是產品的固有特性，影響因素主要是設計理念、制造水平和工藝質量。但是經過數據統計，由于性能試驗和作戰試驗所處的環境條件有很大的差別，從而表現出不同的質量指標[4]。

2.2 現象描述

進行某型電子機柜的振動試驗時，發現低頻數據異常，在振動臺的起始頻率1 Hz放大18.78倍，見圖1，但經試驗人員現場檢查振動狀態，并無明顯共振現象，因此判定該數據不計入共振頻率。假如未能有效分析和判斷這一現象，僅通過測試得到的數據進行試驗，極有可能發生欠試驗，導致共振點選擇失誤而在低于規定的量級進行了試驗，沒有達到振動試驗的考核效果，無法暴露產品的薄弱環節，給產品的質量驗證帶來隱患。此外錯誤的共振頻率也會影響設計人員對機柜結構設計參數的確定和減震器的選型。因此必須對這一現象進行故障復現和質量改進。

圖1 傳遞函數低頻數據異常示意圖

2.3 故障診斷

首先通過試驗技術中的“放”、“測”、“控”三個方面進行診斷檢查。

“控”，即排除振動臺本身控制輸出對測試造成的影響。通過振動臺空載運行白噪聲程序，檢查臺體的自相關性。由圖2可以得出的結論是：振動臺的自相關性在1~60 Hz范圍內趨近于1，即臺體的控制輸出滿足要求，符合試驗要求。

圖2 振動臺在四個自由度上的自相關性

“測”，即檢查線纜連接情況。為防止加速度傳感器的連接電纜產生拍打和彎折作用對信號產生影響，傳感器電纜的安裝均會采用膠帶粘貼在安裝面上。并且電纜信號傳輸不良的時候，曲線會有中斷或者控制儀會有過載的報警，可在測試過程中觀測定位到，因此該項不是造成低頻信號異常的原因。

“放”，即檢查傳感器的固定安裝方式。常用的傳感器安裝方式包括蜂蠟或者熱熔膠、雙面膠固定、粘接劑固定和螺栓連接，試驗室在低頻振動環境下，采用的是雙面膠的固定安裝方式，他們的頻響特性如圖3所示，在低頻狀態下不會對信號產生影響。

圖3 不同固定方式對傳遞函數的影響

為驗證該頻點的異常振動是否真實存在，在進行電子設備試驗時，當采集到低頻異常數據時，振動臺在該頻率點駐留進行定頻試驗，目測被測件的振動劇烈程度，并未發現顯著的共振現象。

排除以上常規試驗技術的影響因素后，需要進一步分析研究處理手段和外部環境，即重點分析數據處理的合理性和環境噪聲的干擾對信號的影響。

2.4 故障定位

數據采集過程中用到的數據處理手段為FFT變換，當信號中存在直流分量時，經過FFT變換的信號會在0頻附近幅值很大，而我們常做的艦船振動條件（1~16 Hz 1 mm位移）在1 Hz時，加速度為a=0.04Af2=0.04*1*12=0.04 m/s2=0.004 g，由于該信號很小，當軟件的分辨率設置較低時，直流分量在低頻范圍內的跨度變大，很容易覆蓋實際振動臺的加速度信號，從而導致圖1所示的圖譜。

此外，由地回路和靜電場、電磁感應產生的噪聲問題是振動測量信號中普遍存在的，包括電容耦合噪聲、磁場耦合噪聲、電流耦合噪聲[5]。

電子設備采用的電插頭上的兩根針相當于電容的兩個極板，屏蔽不好的話會造成電容耦合噪聲，并且某一根針通有交流電時，他周圍會存在磁場，從而引入磁場耦合噪聲，此外信號電流和它的電流應用公共通路中的任何阻抗都會形成非信號電流，又作為另外一個交流激勵源的低端時，其公共電阻會使信號出現交流分量，引入電流耦合噪聲。

當進行低頻振動時，振動量級僅有0.004 g，當以上三類噪聲大于該振動量級時，會覆蓋掉振動信號，從而在低頻段采集到的噪聲數據，而非振動數據。

綜上所述，數據處理不合理以及環境噪聲干擾是造成低頻數據異常的影響因素。

2.5 質量改進措施

針對數據處理不合理的改進手段為：更換為直流分量影響較小的傳感器，改變譜線數和分析帶寬的設置（頻率的設置要覆蓋試驗頻率60 Hz），將分辨率控制在0.5 Hz以內。

傳感器的靈敏度數值越大，抗干擾能力越強，但是產生的電壓越大，在振動信號劇烈時，電壓信號會超出控制儀的輸入電壓信號的允許值。由于沖擊測量和機載振動試驗主要集中在中高頻，且振動量級比較大，大靈敏度的傳感器會使得控制儀的輸入電壓過載，因此推薦使用靈敏度在10 mV/g的傳感器，而艦載振動試驗主要集中在中低頻，需要在中低頻具有相對好的抗干擾性，推薦使用靈敏度在100 mV/g的傳感器。

對于譜線數和分析帶寬的設置，例如常見的振動頻率為1~60 Hz的艦船振動試驗[6]，頻率帶寬設置為100 Hz，譜線數設置為400，這樣分辨率為0.25 Hz，可以有效的降低直流分量的頻率跨度。

上述改進手段實施后，我們對電子設備進行試驗，可以對直流分量引起的低頻異常數據進行復現，且經過以上操作后，可以控制直流分量在0.5 Hz以內，對1 Hz以上的信號干擾小。

針對環境噪聲干擾的改進手段為：對電容噪聲的屏蔽，確保信號線是屏蔽線，并用屏蔽連接的方法接到放大器的公共輸入端。對磁耦合的屏蔽，將傳感器附近的電纜盡可能拉直，不要打圈，降低引入的電壓，也可以將載有電流的導線往返兩股緊緊的絞合在一起，相當于將靠的很近的正反兩個電磁場互相抵消，減少了總的與導線耦合的磁力線數，從而大大降低磁耦合的影響。

對電流耦合的影響，如圖4所示，左邊虛線方框內的傳感器系統直接粘貼在接地的電子設備上后，會在接地端1經過Rc到接地端2，然后經過eg和Rg回到接地端1形成地回路，從而把地回路電流耦合到信號線的高端，進入放大器。因此通過斷開A、B、C，讓系統只在一點接地，就可以克服地回路的影響。因此固定傳感器時，通過絕緣片（環氧板）粘貼在電子設備上，就可以較為有效的降低電流耦合的影響。在進一步跟蹤以上的實施效果，發現可以降低大多數的噪聲干擾，滿足要求。

圖4 測試系統多點接地造成的地回路

3 不足及展望

質量的反饋與改進涵蓋了產品的全壽命周期，質量問題不僅涉及到技術層面（結構設計、材質選用、加工工藝等），而且涵蓋了管理層面（評審專家組成員構成、評審責任等）。本文針對具體案例進行了質量問題歸零活動中故障復現方面的研究，對于質量問題歸零的其他方面的研究沒有展開，此外關于多應力場對電子產品的影響分析涉及不夠深入，因此多應力場對電子產品的影響及復現是下一步的研究方向。