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嘉峪檢測網 2020-03-06 17:07
內容提要：
當前產品振動試驗中斷處理方法主要依據GJB 150A和MIL-STD-810G標準，但是該標準只涉及一般性處理要求，缺乏具體的處理細節和注意事項，導致實用性降低。因此，本文針對基于LMS Test. Lab的電動振動試驗系統，詳細研究了振動試驗中典型的中斷處理方法。
本文首先分析了LMS振動控制采集分析軟件和振動臺系統的組成和工作原理，然后歸納總結了振動試驗常見的中斷原因和通用處理方法，最后從軟件異常、硬件故障和人因中斷等三方面分析研究了振動試驗中斷處理方法，有助于指導設計和試驗人員快速有效處理振動試驗中斷問題，縮短停機時間，降低試驗風險，同時為軍民產品振動環境與可靠性試驗大綱制定提供了參考。
引言
產品在運輸、儲存、使用過程中可能經受各類復雜力學環境的考驗，振動環境會導致產品及內部的動態位移，引發產品疲勞、磨損、強度破壞等結構故障，工作失靈、性能降低、超出容差范圍等功能故障，連接件松動分離、元器件脫落等工藝故障。為了評價產品環境適應性和可靠性，暴露生產工藝缺陷，通常使用振動臺模擬產品典型或極限振動工況，考核振動對產品結構設計、功能性能、制造工藝等方面影響。
振動試驗程序一般包括初始正弦掃頻、功能試驗、耐久試驗、最后正弦掃頻。其中，初始正弦掃頻目的是尋找和確定試件的共振頻率，使試件出現功能故障、性能指標超差的危險頻率；功能試驗旨在考核產品振動條件下的電性能特性，試驗時產品通電；耐久試驗則是考核產品強度、剛度、疲勞與壽命，僅在試驗前后通電；最后正弦掃頻通過檢查產品在試驗前后的響應及性能變化情況，幫助確定產品試驗后的疲勞特性和潛在損傷[1-3]。
振動試驗臺作為模擬真實振動環境效應的標準試驗設備，主要分為機械振動臺、電動振動臺和液壓振動臺三類。其中，電動振動臺具有工作頻率范圍寬，波形失真小，控制方便，抗干擾能力強，誤差小，精度高等優點，在電子、機械、航空、航天等領域廣泛應用[4]。
相較于一般民用產品，軍用產品振動試驗更加強調試驗控制的安全性，并且對試驗數據采集與信號處理的需求較高。因此，LMS Test. Lab振動控制采集分析系統憑借著良好的安全穩定性和高速多通道數據采集與試驗、分析、電子報告功能，在武器裝備，尤其是航空航天領域得以廣泛應用。但是，LMS Test. Lab也存在軟件保護環節過多，設置流程細節繁雜的缺點，給工程技術人員的現場使用帶來了困難。
試驗中斷處理為產品振動試驗大綱中必不可少的部分，合理的試驗中斷處理能降低過試驗、欠試驗的風險，縮短停機時間，減少試驗時間和費用等。試驗中斷的處理方法與產品特性、試驗方法、中斷原因、中斷時刻等密切相關，因此較為復雜。當前產品環境試驗中斷處理方法主要依據GJB150A和MIL-STD-810G標準，但是大多數只涉及到一般性處理要求，缺乏具體處理方法和注意事項，增加了工程技術人員使用標準的難度。
本文針對基于LMS Test. Lab的電動式振動臺系統，分析總結了振動試驗中斷原因和標準中的一般處理要求，詳細研究了振動試驗中斷處理方法，為設計和試驗人員快速有效處理振動試驗中斷問題提供了有效的參考。
01、基于LMS Test. Lab的振動試驗系統原理
電動振動臺系統由電動式振動臺、功率放大器、冷卻單元、滑臺系統、勵磁、振動控制儀、測量分析儀、計算機等組成，可以完成正弦振動、隨機振動等環境與可靠性試驗，實現GJB 150A、MIL 810G、GB/T 2423、TB/T 3058等系列標準要求[5]。
LMS Test. Lab將振動控制與信號的采集、分析和后處理模塊集成在同一平臺中，包括數據采集前端、測試分析軟件，以及測量傳感器等輔助試驗設備，可以實現正弦、隨機、沖擊、跟蹤與諧波駐留、時頻域記錄與分析等功能。
試驗系統工作原理圖（圖1）
試驗系統工作原理如圖1所示，振動臺依據電磁感應原理，通電動圈組件在磁路組件中受到電磁力而運動，與之相連接的臺面就會產生振動。當控制儀設定產生的振動信號經功率放大器放大后，傳到振動臺動圈繞組上，振動臺就會按要求進行振動，測試分析儀也會監測到相應的的振動信號用于分析處理。冷卻單元通過閉環水循環保障振動臺工作時動圈和勵磁線圈處于正常溫度范圍內。由于開展實際振動試驗時，試件和夾具的尺寸有時會大于振動臺動圈臺面，因此一般會加裝擴展臺面。滑臺是在水平方向振動試驗中傳遞振動的試件支撐裝置，通過靜壓軸承之間形成的油膜將滑板浮起，使滑板在振動臺的驅動下，沿力的作用方向做往復運動。油泵為滑臺提供液壓油回路。夾具盡可能地模擬邊界條件，將振動不失真的傳遞給試件。控點傳感器安裝在夾具上試件與夾具的結合面，靠近固定點，測點傳感器則選在試件上剛度較大的位置，避免局部薄壁振動。
02、振動試驗中斷處理原因及一般要求
2.1 振動試驗中斷原因
試驗系統停機、試件故障、人因中斷等三類因素都有可能引發振動試驗中斷，如圖2所示，試驗系統停機主要包括軟件通訊等故障、控制參數超出允差范圍、測量信號異常等軟件異常，以及功放、勵磁、冷卻系統、控制測量系統等試驗設備報警/停機，水電氣供應異常等硬件故障；試件故障主要有試件外觀損傷、結構破壞，或者設計工藝缺陷造成的功能性能異常；人因故障涵蓋試驗參數設置出錯、夾具試件傳感器安裝方式不恰當、響應過大需要調整試驗條件、試驗期間人員/設備難以協調等方面[6]。
圖2 振動試驗中斷原因分析
2.2 振動試驗中斷處理一般要求
GJB 150A和MIL-STD-810G將試驗中斷情況歸結為允差內中斷和超允差中斷兩大類，其中超允差中斷又細分為欠試驗條件中斷和過試驗條件中斷，這兩種標準處理試驗中斷的一般要求如圖3所示[7-8]。
圖3 振動試驗中斷處理邏輯框圖
當試驗開始并發生中斷，試驗條件仍保持在允差范圍內時，不構成一次中斷，因此若在中斷期間試驗條件保持在正確的試驗量值，從中斷點繼續試驗，持續時間不變。當出現超允差中斷時，需要判斷是欠試驗還是過試驗。對于欠試驗中斷，從低于試驗條件的點重新達到規定的試驗條件，恢復試驗直至結束。對于過試驗中斷，若無安全問題，且試件無損傷，且能證明過試驗條件對試件沒有任何影響，則繼續試驗，適當延長時間。若試件出現損傷，對于不可修的試件和關鍵部件需修復的試件，則應采用新的試件重新進行試驗，做完規定的試驗時間；對于可修復的試件，修復部位非關鍵時，應采用經修復的試件重新開始整個試驗。對于過試驗后使用修復試驗繼續試驗的情況，應征得委托方同意，避免后續出現失效時引發爭議。一旦過試驗中斷導致出現安全問題，應使用新試件重新試驗[9]。
03、LMS Test. Lab試驗中斷處理方法
中斷過程應對試件外觀、結構、功能性能進行檢查，分析試驗前后控制曲線和響應曲線，關注敏感點的危險頻率，評估試件是否發生了變化或失效。同時，試驗中斷時，振動系統由于慣性等原因可能會產生大量級的瞬態沖擊力，造成過試驗。應根據歷史經驗，結合試件的響應特性、瞬態沖擊的量值、頻率、持續時間等因素對過試驗進行風險評估。
由于振動試驗為應力累積效應和特定功能退化的作用原理，作用效果與中斷時間長短無關，因此在保證中斷期間試件不受額外應力的前提下，出現允差內中斷時可直接從試驗中斷點處直接恢復繼續完成試驗。若試件損壞失效，則應修復失效部件或更換新試件。若超允差過試驗中斷未發現試件出現安全、性能和材料問題，可以將過試驗時間計入總試驗時間，但均衡的持續時間不計在內。若超允差欠試驗中斷，應充分考慮欠試驗的量級和時間，隨機振動試驗可借鑒低量值激勵均衡的處理方法，允許的持續時間為：
•均方根值低于-12 dB時，無時間限制；
•均方根值在-12 dB~-6 dB之間時，不超過規定試驗時間的1.5倍；
•均方根值在-6 dB~0 dB之間時，不超過規定時間的10 %[10]。
對應振動試驗中斷原因，分別從軟件異常、硬件故障、人因中斷等三方面對基于LMS Test. Lab的振動試驗中斷處理方法進行分析，試件異?；蚬收喜辉诒疚挠懻摲秶?。
3.1 軟件異常
通信故障：在啟動LMS軟件時，出現掃描不通，無法連接控制儀的情況，應檢查確認線纜連接正常后重啟軟件和控制儀。值得注意的是，控制儀與軟件導通連接掃描測試，應在軟件打開后立即執行，若先打開項目文件，則無法找到硬件設備，造成通信異常。
自檢異常：LMS軟件出現DAC過載報警時，應提升驅動電壓，否則自檢無法通過；出現低啟動電壓警告的原因是傳感器量程過大，靈敏度太低，應適當調低傳感器量程；出現開環報警時，應使該通道信噪比大于開環信噪比閾值；若自檢環節太慢，應進行自檢加速8/16/32倍Flat設置；檢查信號通路，防止信號干擾，否則自檢完成后，振動臺可能自發出現連續敲擊聲。
試驗報警：試驗開始后出現的LMS軟件報警停機主要分為開環停機、過載停機和試驗曲線異常三類
•開環停機：當控點開環停機時，應增大傳感器量程，同時通過設置最大允許開環數，忽略部分控點開環，但是禁止忽略全部控制點，以防瞬時大電流，造成設備損壞；當測點開環停機時，應設置忽略測點開環，這是因為三軸傳感器僅振動方向有信號，其他兩方向無信號或信號極弱，若限幅測點開環，應額外設置忽略限幅點開環，由此帶來的不利后果是無法反映傳感器及連線是否松脫。
•過載停機：在發生信號過載停機時，應設置忽略控點或測點過載，而與傳感器量程設置無關。事實上，忽略控點過載的設置，由于具有風險，試驗應隨時準備停止。值得注意的是，在實時時域信號監測過程中并未發現超限異常，這是采樣頻率過低，異常點顯示不全的緣故。
•試驗曲線異常：當控點曲線超差時，應調寬停機線，增加報警、停機允許線數和超限重復次數，提高傳感器量程，同時信噪比調低，最小可設為1；若測量信號異常，則應在中斷期間檢查設備結構是否故障、傳感器及線纜是否松脫。
3.2 硬件故障
對于水電氣異常造成的試驗中斷，包括試件施加的電應力突然中斷等，應檢查相關設備是否出現報警信號，確認供應設備狀態，確認連接線纜、水氣管路正確連接。
針對功放報警/停機中斷，開展水平方向試驗時，可能出現靜壓軸承壓力報警，應松開牛頭連接，微調振動臺臺體傾角，達到更水平的狀態，使連接性能更優。開展垂直方向試驗時，可能出現功放過位移報警，應調節臺體氣囊以及支撐氣囊壓力，保證上下氣囊的耳軸間隙一致，以確保臺體在振動中無碰撞。當執行大量級正弦試驗時，試驗系統功率需求很大，可能出現功放輸出過載停機，應檢查功放線纜是否完好，連接是否正常，控點信號是否異常，造成瞬時大電流。特別地，夏冬兩季實驗室由于大量使用空調等電器設備，會出現總斷路器電流過載跳閘斷電，因此試驗時應確保試驗系統供電容量足夠。
3.3 人因中斷
排查通道選擇、傳感器參數、試驗條件等，避免參數設置錯誤；確認傳感器安裝牢固，連接線留有適當余量，無緊拽現象，確認電纜線連接到控制儀的對應采樣通道上連線、控點位置選擇合理；委托方在試驗現場會根據振動響應情況對試驗條件進行調整，一般設置控制曲線下凹，對指定一個或多個測點，在一定頻率范圍內設定限幅試驗條件；人員/設備無法協調等原因無法連續做試驗，被迫中斷。
結論
本文介紹了基于LMS Test. Lab的電動式振動臺系統的組成與工作原理，分析總結了振動試驗中斷原因，以及GJB150A和MIL-STD-810G標準的一般中斷處理要求，從軟件異常、硬件故障、人因中斷等三方面詳細研究了基于LMS Test. Lab振動試驗中斷處理方法與注意事項。最后，針對振動試驗中斷處理給出了以下四點建議：
•設計人員應推演可能出現的各類中斷情況，在試驗大綱中詳細制定試驗中斷處理辦法，試驗人員在遇到突發狀況時應按大綱要求正確及時地處理試驗中斷。試驗超允差中斷后應結合試件狀態全面評估影響，若欠試驗時發生故障，按故障處理；若過試驗時無故障，評估確認無影響后可認為試驗通過。大型試驗各崗位人員安排應采用雙崗制，分別負責操作和檢查，確認軟件設置正確，硬件連接合理，減少人因中斷。
•試驗臺、擴展臺面、控制系統、夾具試件重量及形狀等都會影響控制效果，尤其是夾具設計，應遵循質量小、剛度大的原則，優選鑄造、其次焊接、最次螺接，避免多次螺接。垂直擴展臺面過大，而試件質量較小時，多點平均控制的控點附近若不便于加裝固定螺釘，應額外采用壓條壓接，保證信號良好傳遞，避免振動信號放大嚴重。
•注意傳感器量程與靈敏度的權衡選擇，量程太小時長時間過載對傳感器自身結構、功能性能都會產生不利影響，致使傳感器參數漂移，而量程太大靈敏度又不夠，造成試驗控制超差，出現過試驗或欠試驗。特別是控制傳感器量程過載的情況，只能采取忽略控點過載的設置，以保障試驗正常開展。該操作雖然可行，在傳感器量程不夠的情況下保證了試驗的順利開展，但是具有很大的失控風險，應做好隨時中斷試驗的準備。
•比較掃頻曲線發現特征頻率小幅度漂移，或者正式試驗后出現異常信號時，試驗人員僅從試件外觀無法發現潛在問題，難以確定受試設備是否出現結構故障，可分析時域曲線，有助于發現隱患，采取相應措施，避免試驗超差的風險。
參考文獻
[1] 季馨，王樹榮. 電子設備振動環境適應性設計 [M]. 北京: 電子工業出版社, 2012: 307-332.
[2] 施榮明. 飛機結構振動設計與試驗 [M]. 北京: 航空工業出版社, 2014: 307-332.
[3] 姜同敏. 可靠性與壽命試驗 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2012: 46-52.
[4] 亢立. 大推力電液振動試驗臺機械系統的設計研究 [D]. 蘇州: 蘇州大學, 2015: 1-3.
[5] 孟繁瑩. 大型電動振動臺動力學分析與數值模擬研究 [D]. 北京: 北京工業大學, 2013: 1-9.
[6] 張文娟. 對溫度試驗過程中"試驗中斷"和"試驗中斷處理"的認識 [J]. 現代測量與實驗室管理, 2010, 18(5): 40-41+59
[7] GJB 150A, 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S]. 2009.
[8] MIL-STD-810G, 環境工程考慮和實驗室環境實驗[S]. 2007.
[9] 熊伊, 姚珂, 江露. 淺談GJB150A和MIL-STD-810G中的"試驗中斷" [J]. 環境技術, 2017(4): 151-155.
[10] GB/T 2423.56, 環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動和導則 [S]. 2018.
作者：李鵬1,2，辛敏成1，張海濤1，劉凱1,2，鄒田驥1,2，呂從民1,2,*
單位：1. 中國科學院空間應用工程與技術中心；2. 中國科學院大學
來源：環境技術
