基于改進后力學試驗夾具的航天閥門試驗方法

馮盟蛟，張文勝，次永偉，程建，張毅，匡以武

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 400245）

引言

力學試驗是考核航天器能否經受發射階段的惡劣動力學環境[1]的重要手段，而力學夾具是振動和沖擊試驗中的關鍵因素，甚至關乎整個試驗成敗。力學試驗夾具的研制和改進技術顯得尤為重要，可通過理論分析進行力學試驗夾具合理性驗證[2]，或通過采用建立有限元模型，利用模態進行分析和預測，對試驗夾具進行改進[3]等，也可通過將理論設計與仿真分析相結合的方法[4]，進行夾具的固有特性分析，從而驗證有效性。一些學者采用各種方法對力學試驗夾具進行結構設計及優化工作，并分析夾具對試驗結果及試驗方法的影響[5,6]，通過研究試驗夾具確保試驗成功。

整個試驗成敗不僅取決于試驗夾具，試驗方法的研究也是不可或缺的。如基于力限技術開展的力學試驗夾具的測試[7]，驗證試驗中力限方法的有效性和可行性；如將試驗測試技術與故障診斷相結合，將試驗測試技術發展到新的領域并促進了試驗測試技術的發展[8]。也有學者以航天器為研究對象，進行動力學試驗夾具測試分析，揭示了航天器力學測試技術的發展歷程及未來發展趨勢，為試驗測試技術的發展指明了方向[9]。隨著力學測試試驗技術的發展，其范圍已涉及很多方面，宇航產品環境工程[10]，動力學測試綜合技術[11]，聲振領域測試[12]，先進測試技術[13]等具有穩定的發展和較大的進步，未來趨勢將是全方面多層次的發展。

1 改進后的力學試驗夾具固有特性分析

1.1 原有的試驗夾具存在的問題

前期采用原有的試驗夾具進行試驗時發現力學試驗夾具仍然存在一些問題，亟待解決的問題主要有以下幾點：

1）力學試驗夾具負載測試產品試驗中，隨機試驗的過程中存在高頻控制超差的問題，會給產品試驗質量帶來風險，在對夾具進行改進時需要提升夾具剛度，減少2 000 Hz范圍內的諧波次數，改善高頻控制問題；

2）原有的力學試驗夾具長度方向過長，高度過高，降低重心高度可有效降低諧波的放大倍數，在對夾具進行改進時需要進一步驗證夾具的強度；

3）試驗夾具無法在水平臺面完成三個方向的振動試驗，需要倒臺安裝，會降低振動設備的利用率及試驗效率，延誤試驗進度；

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

1.2 改進后力學試驗夾具特性分析

針對改進后力學試驗夾具，驗證改進后力學試驗夾具的固有特性，分析改進后力學試驗夾具的優越性。改進后試驗夾具通過M12的標準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行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗過程中的連接剛度。試驗過程中的X向、Y向及Z向三個軸向（主方向）的試驗要求均利用水平滑臺來滿足試驗要求。

根據試驗要求，采用多點平均控制的方式進行試驗，試驗前需確認好控制點及測量點傳感器的粘貼位置，在確定位置需粘貼隔離膠帶或者采用膠木塊，保證不會因為傳感器與試驗夾具或者產品接觸而造成短路，控制點傳感器采用快干膠粘貼于試驗夾具底座上，測量點傳感器則是粘貼在產品與試驗夾具剛性連接的安裝面上，且靠近產品法蘭處。

1.2.1 特性分析試驗過程

根據GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》中的試驗規定，對改進后試驗夾具進行了X向、Y向、Z向3個方向的掃頻試驗，掃頻條件如表1所示，試驗過程中采用DP控制軟件，并采用由低到高掃描的方式完成掃頻，試驗安裝如圖1所示。

在試驗開始前應仔細核對產品上的各個測點，確保傳感器的連接剛度及傳感器線的緊固情況。由于試驗過程中三個方向依次進行，在控制儀和測量設備中設置相關參數；試驗夾具換方向后，三向傳感器主振方向發生變化，根據實際情況，將三向傳感器主振方向與控制器通道進行對應，同時修訂各個程序控制通道傳感器的靈敏度。

在產品狀態確認無誤后，試驗夾具狀態確認好后，才能開始試驗并對測點數據進行保存，所有的控制曲線；測點軸向測試曲線；測點徑向測試曲線；測點切向測試曲線；所有通道測試曲線需進行保存，并將所有的測試數據導出至Excel保存。

1.2.2 特性分析試驗測試及結果評定

試驗產品、改進前力學夾具及改進后力學試驗夾具固有特性對比見表2。

表2 試驗產品、改進前夾具及改進后試驗夾具特性對比表

1）固有頻率特性評定

由表2可見，改進前夾具三個方向的一階固有頻率均較低，產品與改進前夾具的X向、Y向一階固有頻率較接近，由此導致試驗過程中出現“控不住”、無法進行振動沖擊工況的準確模擬、甚至造成實際試驗量級相比設計試驗量級放大一倍以上。改進后夾具三個方向的一階固有頻率較改進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。由此可見改進后的力學試驗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

改進后夾具的X向、Y向、Z向改進后試驗夾具的一階固有頻率為1 490 Hz、1 870 Hz、1 870 Hz，相比改進前的783 Hz、649 Hz、1 180 Hz有大幅度的提高。改進后夾具三個方向的半功率計算方法可以進行品質因子的計算，經計算，該夾具在X向的品質因子為33.11，Y向品質因子為11.68，Z向品質因子為11.68，對應的阻尼比分別為0.015、0.043、0.043，X向、Y向的放大倍數為5.62、7.26，符合要求。

（3）改進后夾具橫向振動比分析評定

改進后夾具的橫向振動比如圖2所示（圖中黑色為改進前，灰色為改進后），將三軸向加速度計連接在振動臺臺面中心，使三軸向加速度計的三個方向分別對應夾具的三個正交方向。在試驗系統規定的工作頻率范圍內，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的正弦振動方式進行振動測試，測量三個方向的加速度幅值，按式計算出橫向振動比，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 改進前后夾具X向、Y向橫向振動比

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

表3 改進前夾具和改進后夾具的橫向振動比分析表

2 采用改進后力學夾具的產品試驗情況

通過對改進后夾具固有特性的試驗結果分析，驗證了改進后的力學試驗夾具的固有特性的改善。本文采用改進后的力學試驗夾具負載試驗產品完成振動試驗和沖擊試驗，試驗方法包含試驗狀態、試驗過程及試驗結果分析。

2.1 振動試驗

2.1.1 振動試驗狀態

試驗產品排氣閥通過M16的標準螺釘固定在試驗夾具上，試驗夾具通過M12的標準螺釘固定在振動臺臺面（振動臺尺寸為1.5 m×1.5 m）上，試驗產品與試驗夾具、試驗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行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗過程中的連接剛度。試驗過程中的X向、Y向及Z向三個軸向（主方向）的試驗要求均利用水平滑臺來滿足試驗要求。

根據試驗要求，采用多點平均控制的方式進行試驗，試驗前確認好控制點及測量點傳感器的粘貼位置，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，保證不會因為傳感器與試驗夾具或者產品接觸而造成短路，采用快干膠粘貼于產品法蘭A口與試驗夾具的連接界面上，測量點傳感器則是粘貼在產品法蘭B端面上，且靠近產品法蘭處。振動試驗X向、Y向、Z向三個方向的試驗狀態分別如圖3（a）、（b）、（c）所示。

圖3 改進后夾具X向、Y向、Z向振動試驗照片

2.1.2 振動試驗過程

根據GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》中的試驗規定，根據表4、表5試驗要求對產品進行了X向、Y向、Z向3個方向的正弦振動試驗、隨機振動試驗。

表4 正弦振動試驗條件

振動試驗的具體試驗過程為：試驗前安排→試驗前檢查→試驗夾具安裝→產品安裝→第一個方向正弦振動→第一個方向隨機振動→產品拆除，試驗夾具換方向→產品第二個方向安裝→第二個方向正弦振動→第二個方向隨機振動→產品拆除，試驗夾具換方向→產品第三個方向安裝→第三個方向正弦振動→第三個方向隨機振動→產品拆除→試驗后產品基本性能測試→過程監控（確保試驗質量和安全）→試驗結束。

2.1.3 振動試驗結果

X向、Y向和Z向3個方向的正弦振動試驗和隨機振動試驗結果分別如圖4，圖5，圖6所示。從圖中可以看出，試驗過程中控制點均滿足試驗要求，在可控范圍內。而測量點的曲線波動較大，這與產品本身存在著重要的關聯，但都在試驗結果允許的范圍內，滿足試驗要求。

圖4 改進后夾具X向正弦振動和隨機振動試驗結果

圖5 改進后夾具Y向正弦振動和隨機振動試驗結果

圖6 改進后夾具Z向高頻隨機振動試驗

2.2 沖擊試驗

2.2.1 沖擊試驗狀態

試驗產品通過M12的標準螺釘固定在試驗夾具上，試驗夾具通過M12的標準螺釘固定在沖擊響應譜試驗臺面（沖擊臺尺寸為1.2 m×1.2 m）上，試驗產品與試驗夾具、試驗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行緊固，緊固力矩80 N·m，確保試驗過程中的連接剛度。沖擊試驗時的試驗產品與沖擊試驗夾具的具體安裝狀態見圖7。

圖7 改進后夾具進行沖擊試驗安裝狀態

根據試驗要求，沖擊試驗共采用了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的。采用單點控制的方式進行試驗，試驗前需確認好控制點及測量點傳感器的粘貼位置，在確定位置需粘貼隔離膠帶，保證不會因為傳感器與試驗夾具或者產品接觸而造成短路。試驗的兩個傳感器，第一個傳感器安裝在試驗夾具與試驗件連接處的試驗夾具上，另一個傳感器安裝在試驗件法蘭面上，且靠近產品法蘭處。

2.2.2 沖擊試驗過程

根據GJB 150.18A-2009《軍用裝備試驗室環境試驗方法第18部分：沖擊試驗》中的試驗規定，按照試驗要求，對試驗件進行并完成了軸、徑、切正反6個方向的沖擊響應譜試驗。沖擊試驗條件如表6所示。

表6 沖擊試驗條件

沖擊試驗的具體試驗過程為：試驗前安排→試驗前檢查→試驗夾具安裝→產品安裝→軸向正方向沖擊→軸向反方向沖擊→產品拆除，試驗夾具換方向→徑向正方向沖擊→徑向反方向沖擊→產品拆除，試驗夾具換方向→切向正方向沖擊→切向反方向沖擊→產品拆除→試驗后產品基本性能測試→過程監控（確保試驗質量和安全）→試驗結束。

沖擊試驗過程中必須滿足允差的要求：沖擊加速度響應譜值（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，沖擊響應譜加速度值應至少有50 %頻段達到試驗標稱值量級。

2.2.3 沖擊試驗結果

試驗結束后，對試驗數據進行保存并分析，在沖擊試驗中的第一個傳感器，即試驗夾具與試驗件連接處的負切向傳感器的沖擊響應譜試驗曲線如圖8所示。從圖中可以看出，沖擊曲線滿足允差的要求，結果準確可靠，在允差范圍內，滿足試驗要求，驗證了采用改進后力學夾具進行沖擊試驗的有效性，也進一步說明了改進后力學夾具的優越性。

圖8 沖擊響應譜試驗曲線

3 結束語

根據某航天閥門的試驗要求，前期進行試驗時發現原有的力學試驗夾具存在缺陷，將力學夾具從結構、強度、剛度等多個方面進行改進，并對改進后的試驗夾具進行了固有特性分析，對比分析確定了改進后力學試驗夾具的性能更加滿足航天閥門產品試驗要求。基于此，本文利用改進后力學試驗夾具完成了某航天閥門產品正弦振動和隨機振動試驗及沖擊響應譜試驗，采用多點平均控制的試驗方法進行正弦掃頻、正弦振動、隨機振動、沖擊響應譜等試驗項目，整個試驗過程中試驗環境符合要求，設備運轉正常，無異常發生，試驗結果及試驗曲線符合產品的試驗要求，驗證了力學試驗夾具及試驗方法的有效性和可行性。