影响振动试验效果的因素及解决方案

万英英 杨争彪

（西安航空制动科技有限公司，兴平 713100）

环境振动试验是航空电子产品及液压附件产品研制过程中必不可少的功能验证环节，目的在于验证产品是否能在承受规定的振动环境条件下维持性能完好，并保持结构完整。振动台在进行环境振动试验时会受各种因素影响，导致振动实验结果不准确，严重时会直接导致振动试验失败，无法判定产品性能是否满足设计需要[1]。本文将对影响振动试验结果的因素进行分析，并提出有效解决措施。

1 电振动台工作原理

电振动台具有频率范围宽（5～3 000 Hz）、推力大（数十吨）以及可控性好等特点，可进行随机、正弦、冲击以及炮振等环境振动试验。在环境振动试验中，目前80%以上都使用电振动台。它基于电磁感应原理，即处于恒定磁场中的导体通过电流时导体会受到安培力的作用。半导体通过交变电流时会受到变化的力产生振动。振动台的驱动线圈位于一个高磁感应强度的空隙，当信号发生器或控制器产生期望振动信号并经功率放大器放大后，通到驱动线圈就会产生预期波形。振动台振动激励系统结构如图1所示。控制系统输出需要的标准信号，经功率放大器放大后驱动振动台振动。振动台上的标准传感器感受到振动幅值大小后，经电荷放大器放大输出信号反馈回控制系统，最终输出期望信号[2]。

图1 系统结构图

2 影响环境振动试验效果的因素

2.1 试验设备

要想保障振动试验结果理想，需选择适合该试验件的试验设备。在选择环境振动试验设备时，应根据试验量级、试验频率范围、试验件和夹具质量来计算振动试验所需的推力、最大加速度、最大速度及最大位移等指标选择合适的试验设备。所选的设备应按相关标准进行计量检定，并要求均在计量合格有效期内。下面给出所需振动台的参数计算方法[3]。

2.1.1 振动台所需推力计算方法

在进行振动试验前需要选择合适的振动台，因此需要计算试验所需推力

式中：FS为振动台所需推力，对于正弦振动试验对应的是正弦振动峰值推力，对于随机振动试验对应的是随机振动的均方根推力，单位为N；M活为所有活动部件的质量，包括动圈、夹具、试验件和其他活动部件的质量，单位为kg；α为加速度，正弦振动试验时为加速度峰值，随机振动试验时为加速度均方根，单位为m·s-2。

例如，某振动台动圈10 kg，试验件10 kg，夹具5 kg，随机振动加速度均方根值为8 m/·s-2，采用式（1）计算，可以得到所需的随机振动均方根推力为200 N，选择振动试验台时振动台随机推力必须大于200 N。

2.1.2 正弦振动试验最大位移、最大速度和加速度计算

正弦振动试验通常会给出试验频率及其位移振幅或者加速度振幅，需要据此确定正弦振动试验的最大位移、最大速度和最大加速度量值。假定位移振幅为A（单位为m），频率为f（单位为Hz），则该频率下的速度振幅和加速度振幅分别为

式中：Vm为速度振幅，m·s-1；Am为加速度振幅，m·s-1。

根据试验规定的频率和振动量值，计算正弦振动试验各个规定频率处的位移振幅、速度振幅和加速度振幅，确定正弦振动试验所需的最大加速度、最大速度和最大位移，选择满足要求的振动台。

2.1.3 随机振动最大位移、最大速度和加速度均方根的计算

随机振动试验一般会给出加速度谱密度要求，计算加速度均方根，可作为随机振动加速度要求。另外，可根据加速度谱密度W计算速度谱密度和位移谱密度

式中：V为速度谱密度，m2·s-2·Hz-1；X为位移谱密度，单位为m2·Hz-1。

得到速度谱密度和位移谱密度后，计算其对应的均方根值乘以3得到其3σ峰值，即得到随机振动所需的最大位移和最大速度估算值。

使用上述方法，根据随机振动给定加速度功率谱密度计算随机振动试验所需的最大速度、最大位移和加速度均方根值，选择满足要求的振动台。

2.2 试验夹具

试验件在进行振动试验时，通常需要借助专用的夹具工装才能安装在振动试验台上，进而按照给定的试验条件进行振动试验。经过多次试验发现，重心高、质量大的夹具工装在试验频率范围内会出现夹具共振现象。当夹具和试验件耦合共振时，结果可能会是灾难性的。因此，振动试验夹具设计的好坏对振动试验的可靠性至关重要。在平时的环境振动试验中，应尽可能避免夹具工装与试验件产生共振耦合等。

一般情况下，环境振动试验夹具应满足以下要求。

（1）夹具应尽可能质量小、刚度大。在整个试验频率范围内，夹具的响应特性要平坦，第一固有频率应高于最高试验频率。对于大型夹具，一阶固有频率应高于试件的第一固有频率的2倍以上，避免发生夹具与试验件的共振耦合[4]。

（2）夹具应能模拟试验件的实际安装状态，防止因安装状态不同而引入非关联故障模拟。

（3）夹具应尽量使用对称结构，避免横截面急剧变化。夹具与试验件连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时激励输入的均匀性。

（4）夹具的横向运动（垂直于激振方向）要尽量小。

（5）设计夹具时应确保夹具和试验件组合体的重心低，且与振动台的中轴线相重合。

（6）夹具设计应可能选择密度小、弹性模量与密度的比值高和阻尼高的材料。常用的材料主要为铝合金和镁合金，尽量不要使用钢材制作夹具。

（7）夹具尽可能使用整体结构，尽量减少中间环节。夹具制造工艺的优先顺序依次为铸造、整体机加工、焊接及拼装连接（螺接、黏接）。

表1是美国桑地亚公司提出的夹具设计要求[3]，在设计夹具时可作参考。

2.3 人为操作

试验操作人员在安装试验夹具、试验产品及传感器过程中，由于安装不牢固、安装位置不合适或在振动台启动过程中未检查各接线端是否有效连接，正式试验时电振动台软件会发出警告或停机信息，造成振动试验失败。以下总结振动试验过程中出现频率较高的4种警告或停机信息及可采用的简单解决措施，排除故障，使试验正常运行。

2.3.1 第1种

要求的驱动信号太大无法在满参考量值运行试验，且仍然保持最优动态范围和最小的驱动削波。这种情况必须降低要求的驱动信号量值。首先，检查功放和振动台是否已通电、处于工作模式且增益已设置为最大，检查振动台/功放是否有故障。其次，检查传感器是否安装在合适的位置、安装是否牢固以及工作是否正常。再次，检查电振动台与功放之间的驱动电缆是否正确连接且没有损坏。最后，检查电荷放大器输出灵敏度是否与试验设置中输入的值相匹配，输入灵敏度是否与加速度计相匹配。

2.3.2 第2种

谱控制线超过了试验设置中的最大线数。此时，首先确保传感器电缆两端都已正确连接且不存在开路情况，检查传感器是否装在合适的位置、安装是否牢固以及工作是否正常。其次，检查电荷放大器（信号调理器）和控制器之间的电缆是否正确连接且没有损坏。再次，在非常高的Q峰和谷处的控制，有时会造成一些谱线超出停机限。如果使用大的试件进行试验，那么采用平均控制可能有助于解决问题。最后，检查

试件和夹具是否安装牢固且没有损坏。若存在损坏，可能会有一些东西破裂、松动或有卡嗒声。

2.3.3 第3种

输出驱动电压超出最大限制。第一，检查功放和振动台是否已通电、处于工作模式且增益已设置为最大，检查振动台功放是否有故障。第二，确保传感器电缆两端都已正确连接且不存在开路情况，检查传感器是否装在合适的位置、安装是否牢固以及工作是否正常。第三，检查电荷放大器（信号调理器）和控制器之间的电缆是否正确连接且没有损坏。第四，检查试件和夹具是否安装牢固且没有损坏。第五，检查实际的振动台系统性能规范。如果合适，在试验设置中提高最大停机电压值。在现有试验负载重量的情况下，振动系统可能无法运行试验，需减少负载。

2.3.4 第4种

Windows驱动不能和电振动台控制仪建立连接。首先，检查电振动台控制仪是否打开。其次，将通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）线缆连接在计算机USB端口和电振动台控制仪USB端口之间。最后，有一个主要电源故障，Windows驱动可能进入不可达状态，需重新连接计算机和电振动台控制仪的电源。

3 结语

本文概述影响振动试验的主要因素及相应的解决措施。在今后的环境振动试验中，应保证振动台的选择符合要求、试验夹具设计合理、产品安装位置合适以及人为操作的可靠性，确保振动试验结果的准确性，更好地服务航空电子产品及液压附件产品性能验证和新产品的研制。