军用车载电源可靠性试验中随机振动参数选择及工程实现

刘美玉

（总参信息化部驻北京地区军事代表室，北京 100039）

引言

军用车载电源是移动通信与指控系统的重要组成部分，其主要用途是安全、可靠、高效、稳定、不间断地提供系统所需的工作电压。因此，提高车载电源的可靠性不仅是本身的需要，也是提高装备系统可靠性的需要。军用电源在车载环境下使用，所受振动应力主要来源于车辆行驶，这种振动属于随机振动[1]，是影响可靠性的重要因素，其强度取决于行驶路面及车辆。车载电源随机振动试验，可模拟不同车辆、在不同道路上产生的振动应力，通过应力施加考核对设备可靠性的影响，随机振动与正弦扫描振动相比能更有效地激励故障，提高试验效率，因此，普遍采用随机振动试验。在试验中，必须科学合理地选择试验参数及方案，既要高效地剔除失效，又要保证受试产品安全。

1随机振动试验的概念及提高可靠性水平的机理分析

1.1 随机振动试验的基本概念及表征参数

随机振动是复杂的力学问题，是一种瞬时值不确定的机械振动，只能用概率统计方法定量描述。随机振动试验就是通过试验模拟使用遇到的随机振动。试验参数通常用频率范围、功率谱密度（PSD）、功率谱密度谱（加速度谱密度的谱ASD）、总均方根加速度（Grms）等来描述[1]。频率范围是试验平台对产品产生的最高与最低有效激励频率之差。功率谱密度谱G（f）又称加速度谱密度谱（ASD）是指单位频率上的能量，指的是振动能量在整个频率范围内的能量分布，计量单位有（g2/Hz）或 （m2/s4/）Hz。总均方根加速度（Grms）是功率谱密度在全频段范围内面积的积分后的平均值，它表征的是在全频带内加速度的平均强度，总均方根加速度（Grms）与振动频率结合起来，全面表征振动试验应力的大小[4]。

1.2 随机振动试验提高产品可靠性的机理

对电子产品，随机振动主要从下列五方面激发故障。一是随机振动生产交变应力，能使结构件造成疲劳损伤，强度不满足使用要求时，就会产生裂纹或断裂。二是使接插件、连结导线产生磨擦，当应力积累到一定程度时，就会造成松动、破裂、断开等。三是使安装不当电子元件、器件会由于振动开裂、或从底部断开，产生短路、开路故障。四是使焊点产生疲劳，强度不牢或虚焊的焊点，会开裂、脱落产生故障。五是使紧固件松动，造成设备接触不良、甚至脱落，使电子元器件参数漂移，造成参数变化，影响产品性能[6]。 通过试验、分析、验证，找到失效的原因，通过改进设计、生产工艺等措施，达到提高可靠性的目的。

2 选择随机振动试验参数的基本原则

2.1 结合实际应用，符合任务剖面

选择随机振动试验参数要紧密结合实际，根据任务剖面，参照相关标准进行，车载电源振动应力剖面是陆地、车载条件，振动应力主要来源于行驶振动，其频率、振幅取决于运输车辆和行驶道路。在陆地运输环境下，主要有公路和铁路运输两种形式，由于公路运输比铁路运输更为严酷，因此，应以公路运输作为运输环境进行随机振动试验，行驶道路可分高速路、等级公路、野战条件3种[2,4,5]。车载方式有轮式、履带车辆2种，振动应力主要集中在垂直方向上。选择随机振动应力的主要标准有GB/T 4857.23《包装运输装件随机振动试验方法》、GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》、GJB 150.16-1986《军用设备环境试验方法》、GJB 3493-98《军用物资运输环境条件》等。选择试验参数主要参照上述标准以及任务剖面确定。

2.2 利于剔除故障，保证产品安全

随机振动试验主要目的是剔除失效，通过应力施加，使隐含失效以故障形式表现出来。选择试验参数一方面要保证高效地激发故障。另一方面，要考虑其破坏性，参数选择不当，会给受试设备造成坏破，影响产品性能。因此，选择试验参数，不仅要考虑试验效率，更要避免造成意外损伤。

2.3 结合试验设备，利于工程实现

随机振动试验能够准确模拟产品使用中遇到的振动应力，试验效果真实有效。但工程实现复杂，难度较大，开展试验，应注意下列五个方面问题。一是振动台推动力应满足受试产品重量要求。试验推动力等于加载质量和最大试验加速度乘积，加载质量包括试验台自重、夹具重量、产品重量3部分[1]。二是有利于随机振动应力与温度、湿度综合应力同时施加，以利于快速激发故障。三是温度箱体积应满足受试产品体积及安装方式要求。受试产品总体积不应大于试验箱总体积40%。四是受试产品之间保持气体流通。使受试设备之间保持良好通气性能，使各部分温度变化相同。五是保证测量与监视仪器能实时监控受试产品状态，以便及时发现故障。

3 军用车载电源随机振动的工程实现

3.1 根据任务剖面及相关标准确定试验参数

军用车载电源在训练、演习及日常维护行驶道路，主要是在陆地行驶，可参考GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》、GJB 150.16-1986《军用设备环境试验方法》、GJB 3493-98《军用物资运输环境条件》及《综合电源产品规范》决定试验频率、功率谱密度、总均方根加速度等参数。在“高速公路”、“等级公路”、“野战运输”3种[4]振动施加时间，一般推荐“高速公路振动”、“等级公路振动”、“野战运输振动”时间比例为60%：20%：20%。在可靠性试验中，每个试验周期可按常温振动、高温振动、低温振动三种形式施加，施加应力的时间，根据可靠性试验方案决定[5]，表1所示给出了某型车载电源随机振动试验参数，可供参考。

3.2 针对受试产品特点设计试验夹具

试验夹具的作用是将受试产品与振动试验台刚性连结起来，保证试验应力不失真地传递到受试产品上，夹具设计应把握三个原则[1]，一是结构尽量简单。由于夹具的谐振频率f0取决于各部件谐振频率，因此，试验夹具应尽量简单。二是材料要优化。夹具固有频率的主要决定于比刚度（E/ρ），其中E是材料杨氏模量，ρ是材料密度，比刚度越大密度越小、质量越轻，对推力影响就越小。三是形状要匹配。夹具应与受样品的几何形状相匹配，以便更好地发挥固定作用。

表1 某型电源随机振动参数

3.3 正确设置参数实施随机振动试验

随机振动试验台工作原理如图1所示。其中，振动控制器有一个白噪声发生器，主要功能是在设定的频率范围内产生白噪声。按试验参数设置的功率谱密度，使白噪声按功率谱曲线控制频谱变化，并通过傅立叶变换，将频域信号变换成现场振动时间历程曲线，最终生成如图2所示的频谱曲线。

图1 随机振动试验台工作原理图

试验前按照表1的参数，在工作站输入频率范围、功率谱密度（总均方根加速度）、振动时间等参数，启动振动台控制器，按要求进行试验。

图2是某试验条件下的振动曲 线，纵坐标是功率频密度PSD，横坐标振动频率，其值在10～500HZ之间。6条曲线分别表示功率谱的 HighAlarm(f)(上限告警值)、HighAbort(f))(上限告警值 )、LowAbort(f)（下限中断值）、LowAlarm(f)(下限告警值)、control(f)（控制值）、profile(f))目标值，在试验过程要注意监视目标值profile(f)的变化判定是否满足标准要求。

4 结束语

科学技术迅猛发展，促使随机振动试验技术日趋成熟，随机振动试验设备广泛普及，为开展试验提供了物质条件。另外，武器装备技术含量越来越高、对产品可靠性提出了更高的要求，通过施加随机振动应力，提高产品环境适应性、可靠性，成为保证产品质量的重要手段。掌握试验参数选择的原则、试验方法步骤，对推动试验开展，提高监督试验质量能力具有十分重要的意义。

图2 某条件下随机振动功率密度曲线

[1] 季馨，王树荣.电子设备振动环境适应性设计[M].电子工业出版社 .2012.

[2] GJB 899A-2009，《可靠性鉴定和验收试验》[S].

[3] GJB 150.16-1986，《军用设备环境试验方法》[S].

[4] GJB 3493-98，《军用物资运输环境条件》[S].

[5] GJB 367A-2001，《军用通信设备通用要求》[S].

[6] GB/T 4857.23，《包装运输装件随机振动试验方法》[S].

[7] 张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制[M].北京：电子工业出版社，2010.