环境与可靠性试验技术

GJB150.16A-2009的振动试验控制方法加速度输入控制法加速度输入控制法是一种基于真实模拟外部振源通过安装平台施加于产品上的激励状态（量级和谱型）的振动试验方法，也就是前面介绍过的“振源模拟”方法，是振动试验中使用最早，也是目前使用最多的一种振动试验方法。加速度输入控制法的振动控制（反馈）用加速度计安装在试验件与夹具连接点的夹具上，振动台的运动由控制加速度计的反馈信号控制，以保证夹具/试件连接界面处的振动状态达到试验任务规定的振动量级和谱型，这实际上就是把夹具当作产品的安装平台，要求振动试验中通过夹具施加的激励与产品在安装平台上遭受的振动量级和谱型相同。试验的操作者可以根据试验件的大小及结构的复杂程度，选择安装在夹具上的单个测量点或靠近产品固定点附近的若干个加速度计测量点的平均值、最大值、最小值、加权平均值作为反馈值与参考加速度值（峰值或功率谱）进行比照，完成闭环控制。这种控制方法基本上不考虑试验过程中产品的动态响应会反过来影响安装平台的振动状态，故能够“放心”使用加速度输入控制法的条件是：1） 在实际使用中，被试件所遭受的激励不是均布性的载荷，输入的激励只有通过有限的少数连接点对产品产生振动激励；2） 被试件的结构响应不会明显改变试验安装试验平台的动力特性，这取决于被试件的尺寸、结构复杂性、负载性质及其质量的大小；3） 被试件的质量相对于夹具的质量较轻。加速度响应控制法加速度响应控制法是一种基于振动试验时，要求产品上某个或几个特点监测点的响应特性与该产品在外场使用过程中实测的响应特性相同或非常接近（控制误差范围之内），也就是前面介绍过的“响应模拟”方法。加速度响应控制法是更加符合产品故障机理的使用方法，是实验室振动环境模拟试验的发展趋势。由于实施加速度响应控制法的前提条件是必须有实测加速度响应特性做比较，故这种方法只适用于那些已有外场实测响应数据的产品，或者是有同类型产品可供参考的统计数据给以支持。目前飞机组合外挂的振动环境模拟试验通常使用这种方法。加速度响应控制法与加速度输入控制方法不同点有：1）振动试验时，不一定要求夹具与试件连接界面处输入的振动激励达到或满足产品安装平台上的振动激励量级和谱型，但是要求试件上某个特定的监测点（预先指定的），或几个特定监测点的平均值（或加权平均值）能达到产品在预期使用中或实际使用中的典型的加速度响应值（量级和谱型）。所以加速度响应控制法是以被试产品的实际响应特性为依据去控制对产品的输入激励，这种方法显然更接近于产品在实际使用中的振动破坏机理，即产品在工作中的故障或损坏是产品自身响应的结果，而且这种试验方法也能更好地保护试验中的被试产品免遭过试验的损坏。2）加速度响应控制法的反馈用控制加速度计不是安装在试验件与夹具连接点的夹具上，而是安装在试验夹具与振动台台面的连接处的夹具上，这种振动控制方法是将夹具与产品视为一体，通过振动台与夹具的连接面对“夹具+产品”的整体进行激励。监测用加速度计安装在试件上某个或几个特点监测点处。试验开始时，先对试件施加一个低量级的振源激励，用安装在试验夹具与振动台台面的连接处的控制传感器的反馈信号进行控制，然后根据经验调节试验夹具与振动台台面连接处的振动输入量值，试验进行中，只要试件上某个或几个特定监测点处加速度的振动量级达到预先规定的振动量级（量级和谱型），就认为该试验的振动量级已满足试验规范的要求。此时，在振动台与夹具连接面上的激励谱可能还没有达到规定的量级，但只要产品上特定点的响应值达到规定值就表明实验室的振动试验已经很好地模拟了产品在实际使用中的振动状态。加速度限控制法加速度限控制法是一种基于加速度输入控制法的原理及方法，又吸取加速度限控制法中保护被试产品免遭过实验损坏的办法，是对加速度输入控制法的一种有效的补充和修正，是一种介于加速度响应控制法和加速度输入控制法之间的过渡性振动试验方法，其主要目的是对被试产品的保护。加速度限控制法与加速度输入控制法的原理及试验方法基本相同，其控制用加速度计安装点也是在试验件与试验夹具连接点的夹具上，试验时，按加速度输入控制法的办法输入振动激励，并逐级均衡试验控制依逐次逼近输入激励（量级和谱型）。加速度限控制法与加速度输入控制法的不同之处是在产品的某个或几个特定点处加装有监测用加速度计，这些监测用加速度计安装点的位置与加速度响应控制法相同。试验实施中，在增加输入振动激励量级的同时，必须随时观测试件特定点（振动敏感点或过载保护点）上安装的监测用振动加速度计的响应加速度量值，如果输入激励谱（量级和谱型）已经达到试验规范的要求，而特定点处监测用加速度计的量值还没有超过规定的极值，则试验可以开始正常进行，进入振动试验的计时，直到试验结束。如果试验进行过程中，特定点处监测加速度计的响应加速度值超过预先设定的最高量值，则必须中断试验进程，检查原因，按振动试验中断程序处理。如果在试验的初始阶段，输入激励谱（量级和谱型）还未达到试验规范要求的谱型和量级，而特定点处监测用加速度计的量值已经达到，甚至超过预先规定的极值，必须立即停止增加输入振动激励量，并停机对振动控制系统、夹具的结构及连接以及产品的安装状态进行检查和判断，或者对输入谱型及量值进行部分的修正后，再次按上面的方法施加激励，直到产品特定点上的响应加速度既不会超过原先设定的最高量值，同时又尽可能使夹具/试件连接界面处的激励能够达到或接近预先规定的输入激励谱型及量值，然后才可以开始正式的计时试验。注：加速度限控制法只是在“振源模拟”的试验方法中，从保护产品出发，要求产品特定点处监测的响应加速度值不能达到或超过预先设定的最高限值，这个最高限值可以是外场实测的统计数据，也可以是产品设计者给出的最高过载允许值。这和加速度响应控制法中要求试验时产品特定点处响应加速度的量级和谱型与产品实测的状态一致的“响应模拟”不是同一概念。推荐一些还不具备实施“加速度响应控制法”的试验条件，而制作成本较高或很重要的产品振动试验中推广这种方法。现有的振动控制仪具有振动量级极限控制的功能，可以在设置振动试验程序时，预先设定监测加速度计的响应加速度值最高限值，如果振动控制仪没有极限控制的功能，也可以在预实验时按照监测点的响应量值外推得到的输入激励谱量值的限制范围，确保被试产品不至于在试验中遭受严重的过载，或损坏。4.力限控制法力限控制法是在“振动台+夹具组合体”和“被试验件”之间硬性加装一个动态力传感器，“振动台+夹具组合体”的运动由动态力传感器的反馈信号所控制，以再现外场实测“被试验件”所遭受的界面力。当外场（安装平台/试件）的动力耦合与实验室（振动台+夹具组合体/试件）的动力耦合有明显差异时，应采用这种方法。这种控制方法能保证在实验室振动台与试件的界面上输入正确的外场实测的动态力。使用这种方法可避免试件结构最低共振频率上的过试验或欠试验，而用其他方式控制可能无法避免。使用力限控制方法的前提是必须预先有外场实测的界面力。5.开环波形控制法开环波形控制法是为了在实验室再现产品使用中实测瞬态波形的一种方法，这实际上与冲击试验中瞬态或短持续时间的时变随机振动类似。开环波形控制法的监测加速度计安装在试件上，安装位置与实测瞬态波形时的位置一样。振动台由经适当补偿的时间/电压波形来驱动，这个补偿波形直接从外场测量数据或特定的数字化波形中获得。试验时，测量监测加速度计的响应，并与给定条件作比较，要求响应波形与逆系统脉冲函数进行卷积。GJB150.16A-2009的振动试验过程振动试验过程与其他环境试验的过程相类似，分为：（软件和硬件）阶段、试验进行阶段和试验结束阶段。试验准备阶段试验前的准备工作分为试验前的软件准备和硬件准备，只有做好试验前的准备工作，完成试验才有把握，试验的准备工作做的越充分，越仔细，试验过程就会越顺利，出了问题也会更容易发现和解决。试验的准备工作有：1）接受和了解试验任务及被试产品：包括被试产品的名称、型号、系列号、组成、功能、附件、振动环境过往史。2） 熟悉被试产品特性：包括被试产品的外观、结构、对振动环境的敏感特性、动力特性，尤其是一阶谐振频率的数据及被试产品振动响应最激烈（或最敏感）的部位和最高振动响应加速度限制的量值。3）熟悉试验标准（规范、方法）的要求：包括振动试验的类型（正弦振动、随机振动、宽带随机振动叠加正弦振动、宽带随机振动叠加窄带随机振动等）、频率范围、振动加速度的量级或功率谱图、振动量值的容差、振动时间、振动方向4）选择振动试验设备及辅助性设备：根据试验条件估算所需振动台的最大推力，查阅选定的振动试验设备的技术指标及校准结果。振动台的最大推力Fmax如何选，有两种估算方法，第一种方法是夹具已选定，max可按牛顿第一定律直接计算，及：F=（M+M+M）XAmaxdjsg式中：F 振动试验需要的最大推力，N；maxMd 垂直振动时，Md是振动台动圈及台面的总质量；如果是水平振动，ddMd是振动台动圈加连接牛头加滑台的总质量，kg；d叫 夹具的惯性质量，kg；M 试件的总质量，kg；SA 振动试验给定的最大加速度，对于正弦振动是最大峰值加速度，对随机振动是总的均方根加速度值，（m/s2）由于上述计算都是将台面、夹具、试件当作纯惯性质量，实际上这些构件都

具有弹性和阻尼，而且还需要考虑一定的安全系数，实际选定的振动台的最大推

力应该比计算得到的F的值乘上大于1.2的系数。max在制定振动试验实施方案时，不一定能确认夹具的实际质量，有文献推荐选择振动台推力时，可以先根据试件的总质量Ms计算出Fs二MsX（A）g再按（Fmax：Fs$4:1）的比例估算振动台的最大推力。这种方法是认为在设计和选择夹具时，夹具与振动台面惯性质量之和应高于试件总质量的三倍以上（Md+Mj=3Ms）,这实际上是为了抑制振动试验中试验件的响应特性对夹具/台面的反响“映射”，有利于提高振动试验的控制精度。5） 准备安装被试产品的夹具：包括设计、制作或选用现有的夹具。对于大型、复杂型试件的振动试验，一般应对夹具进行预先加载（尽量模拟产品的载荷状态）的模拟试验，已确认夹具的动态特性符合试验要求。6） 选择试验过程进行中的控制方案：包括振动控制方案，测控点、监控点的数量及位置，并确认在夹具或振动台面上实现的可能性。7） 选择和准备振动测量装置：包括加速度传感器及二次仪表的校准数据，在此试验中的定标、导通、标记等；8） 对试验设备、被试验件及试验现场的供配电系统、地线、起重设备等进行安全检查。试验进行阶段包括对被试件、试验设备、测试设备的安装、调试及试验的实施，如：1） 对被试件进行初始的性能检测：这种检测主要由试验任务委托方实施，并记录在案；2） 安装夹具及被试产品：简单的和曾经使用过的夹具可以直接在夹具上安装试件进行试验，如果夹具的结构复杂或尺寸较大，尤其是第一次使用的新夹具，需要在夹具上加上与产品质量相当的“模拟负载”进行夹具的振动响应特性测试，验证夹具能够满足试验的要求，防止正式试验时，应为夹具的结构性共振，导致产品的非正常破坏。在夹具上安装试件时，与试件连接的辅助设备及电缆，管道等应保持现场使用中的状态，也包括试验过程中进行产品性能测试用检测仪器的连接；注意：实施试验时，与试件连接的辅助设备及电缆、管道的一部分惯性质量也会在被试验产品的带动下参与振动，称这部分参与振动的质量为“有效质量”，在计算需要的激振力时，应加入到被试验产品的质量中。3） 安装测控及监控用传感器：根据选定的控制方案在确定点上安装好控制用传感器和监测用传感器，调整好归一化的电荷/电压比例，检查和确认控制用反馈传感器和监测传感器的定标与导通，连接并导通试验数据及图形记录装置；4）依据试验任务设置控制系统参数及控制程序；5）低量级的预试验：在正式开始试验以前，要进行低量级的预试验，一般规定用正式试验量级（指总的均方根加速度量值）的1/4进行预试验，这种量级的振动预试验，不会对被试件造成累积性损伤。低量级预试验的目的是了解振动试验系统各个部分的配合情况，观察试验能不能正常进行，产品及夹具的安装是不是合适，振动测量及控制反馈有没有问题等，从而确认试验是否可以正常实施。6）正式试验：正式试验应严格按照试验大纲和环境试验申请单的要求进行，在整个试验过程中需要实时监测振动量级是否控制在规定的误差范围之内，做好实时记录和中间检测，随时观察被试验的产品在整个振动试验过程中的状态，发现异常，立即停机待查。在振动试验过程中，有时会应为各种原因使试验突然中断，这个时候需要停止试验，根据不同的中断原因进行现场处理。7）试验结果确认：当试验达到规定的试验时间时，运行的试验程序会自动停止振动，试验者应仔细检查被试件及夹具的连接是否已松动或有无其他异常现象以确认试验过程是否正常。如发现异常，则该试验失效，按试验中断程序进行处理。如一切正常，检测被试件性能，检查试验记录，该次试验结束。如果试验大纲要求在同一安装状态下，还需要进行不同量级或不同方法的试验时，则按上述过程重复进行其他的试验。试验结束阶段1）卸载：在所有的振动试验都做完后，要先检查产品外观、机械性能、电气性能检测正常，试验结果和试验的记录都是有效的，得到确认后才能将夹具/产品从振动台上卸下。2）清理现场：当全部试验完成之后，试验结果及测试数据都已符合要求，即可清理现场，收拾整理好各类的测试导线，取下加速度计并清洗装盒，把试件和夹具等按实验室管理要求归位。3）整理试验数据：保留试验过程的原始数据、记录、照片及曲线，凡是试验中测试的数据、结果都需要进行整理，但是不要对原始数据进行涂抹和改动，所有原始数据、表格、曲线均应该签名、校对。4）编写试验报告：按试验任务书或试验大纲给出的判据对试验对试验结果进行（失效）分析和确认，按实验室管理体系的要求将试验结果（含数据、照片、曲线、结论等）编写完成试验报告。5） 归档：为满足环境试验的“可追溯性”要求，试验过程中产生的全部文件都应归档待查。确保产品使用中出现故障时，在“故障归零”过程中可进行原始过程的追溯和试验过程的完整“复现”。GJB150.16A-2009振动预试验量级的选择进行正式的（即全量级的）随机振动试验前，必须先对试验样品进行较低量级的随机激励预试验，以便对闭环控制的均衡能力进行估计和分析，这种低量级预试验的目的是为了确认这次的试验是否可以正常进行。通常选用全试验量级（指总的均方根加速度量值）的1/4作为预试验的起点量级，其振动时间一般不受限制。由于低量级的预试验不足以激发出某些非线性因素的影响，从全试验量级的25%的低量级预试验提升到100%的全试验量级之间还需要步进式地提高试验的量级。在一些振动试验控制系统中，通常内置为四个台阶，每个台阶的试验量级分别是正式试验量级的：-12dB（给定的总均方根加速度量值的25%）；-9dB（给定的总均方根加速度量值的35%）；-6dB（给定的总均方根加速度量值的50%）；-3dB（给定的总均方根加速度量值的75%）；0dB（给定的总均方根加速度量值的100%）；如果夹具及被试件的动态响应特性较平缓，从-12dB上升到0dB的总时间大约是30s〜60s为宜。如果试验量级上升过程中，由于某些非线性因素的影响，在某个上升的台阶处突然有大的谐振响应，控制谱表现出严重的超差，此时，应停止试验，寻找原因，排除故障，并再一次从12dB处开始试验，不可贸然继续提高振动的量级，否则会导致被试件的非正常损坏。因此，实施预试验的过程通常以人为操作升级为佳，不可盲目设置为随机振动试验控制系统的自动升级，防止升级过程中非线性因素的突然变化引发被试件的严重过载。上升过程中，在不同量级上停留时间的长短，可参靠GJB150.16A-2009对宽带随机振动满足试验条件前的激励条件的规定，该方法明确给出了进行全量级的随机振动试验前，允许预试验每个台阶的激励时间（即建立时间）为：a） 小于规定等级的25%（-12dB），无时间限制；b） 在规定等级的25%〜50%（-12dB〜-6dB），其时间应不大于规定试验时间的1.5倍；c） 在规定等级的50%〜100%（-6dB〜0dB），其时间应不大于规定试验时间的10%。请注意：上述的“建立时间”不应该从规定的试验总时间中扣除。对于一些试验时间较长（如超过10min时间）或产品响应特性比较平缓的随机振动试验，上述的要求很容易实现。但对于一些试验时间较短（如小于1min时间）或产品响应较复杂的随机振动试验，应尽可能缩短在-6dB（特别是-3dB）试验量级以上停留的时间。因为“建立时间”是不能计入试验总时间内，在-6dB（特别是-3dB）试验量级以上停留的时间过长，会对产品产生累积损伤，使整个试验出现过试验。如果在“建立时间”结束后，仍然不能满足随机振动试验允差的要求，则应停止试验，寻找超差的原因，重新组织试验。GJB150.16A-2009振动试验中断的处理在振动试验过程中，试验中断是常有的事情，一旦出现中断，应立即停机，检查试验中断的原因，有针对性的对后续的试验进行恰当的处理。非产品故障引发的中断此类中断的特点是被试产品工作正常，结构未见损坏。中断的原因可能是振动试验设备或试验测量装置的故障引发，或者是供电电源故障以及人为事故等。处理的办法按下述不同情况，分别进行：1）允差内的中断：如果试验中断前所有的振动试验条件参数均保持在允许的误差范围之内，处理完引发试验中断的故障后，可以继续进行试验，中断前的试验时间计入总的试验时间内。2）欠试验中断：中断发生时，如果试验条件低于规定的试验允差下限，应从低于试验条件的那个时间点开始，重新调整试验参数达到规定的试验条件（除另有规定外），恢复试验直至结束，再给出产品是否合格的结论。如果整个试验结束后，发现试验过程中有某个时间段出现“欠”试验，则应调整试验参数达到规定的试验条件，补足欠试验的时间后，再做结论。3）过试验中断：中断发生时，如果试验条件高于规定的试验允差上限，出现过试验中断时，原则上应立即停止试验，用新的试验件重新开始试验。如果该试验中断点已接近过半的试验时间，也可按下述三种情况分别处理：a） 若试验件在试验中断前未受损坏，可利用原件从中断点开始控制试验条件进入允许的误差带内，继续进行后续的试验，如果直至试验结束，试验件也未出现故障或损坏，说明该试验件具有良好的振动环境适应性，试验通过。b） 若中断前过试验产生的损坏只是试验件的某一部件或构件，而这一部件或构件与本次试验目的需要测试的数据绝对没有影响，并且知道这些损坏是由于过试验这一唯一因素引起的，则可修复试件，重新进行试验，并做完规定的时间。过试验发生后，若要修复试件继续进行后续的试验，则应得到委托方同意，以避免在后续的试验中出现失效时产生异议c） 如果在中断时间点后，产品在符合试验条件的后续振动试验中出现失效，除非有足够的理由证实中断前的过试验条件对被试件出现的失效没有影响，否则该试验的结果不能判断产品对给定的振动环境条件不适应。因为中断前的过试验条件很可能已对试验件造成了某种累计损伤，并在后续给定的振动环境条件下加剧了这种损伤，从而导致产品失效，为了正确判定该产品