论文部分内容阅读
[摘要]本文依据气动式振动台的工作原理及基本特性，确定影响振动台性能指标及试验结果的重要参数为校准项目，并阐述了相应的校准方法，实现了气动式振动台的校准。
[关键词]气动式振动台 校准 超高斯 低频能量
[中图分类号] TB534+.2 [文献码] B[文章编号] 1000-405X（2013）-10-148-1
1引言
随着竞争的发展与深化，市场对产品的要求越来越高，作为产品质量与可靠性保障重要手段的环境可靠性试验也相应地得到不断的发展。可靠性强化试验（Reliability Enhancement Testing，简称RET）是近年来发展起来的一种新的试验技术，它是通过对产品施加极限环境应力，激发产品设计和工艺缺陷，据此寻求相应的改进措施并进行验证，从而使产品的可靠性得到快速增长。气动式振动台是RET试验的主要试验设备，它可以快速有效地激发产品的潜在缺陷，因而在RET试验中发挥着重要作用。
近几年来RET试验在航空、航天方面的应用越来越多，发展也很快。由于航天航空产品的特殊性，在其生产、科研和试验领域所涉及到的环境试验设备必须进行准确计量，以保证产品的高可靠性。然而，目前对于气动式振动台校准还没有有效的方法，同时，由于气动式振动台与其它振动台的运行原理不同，不能直接应用已有的标准，因此很有必要进行气动式振动台校准方法的研究。
2气动式振动台的工作原理
气动式振动台可产生三轴六自由度随机振动，所以也称之为全轴振动台。它主要是由振动台面、气锤以及支撑弹簧组成。振动台面是正方形铝板，并由4个无转动约束的接地弹簧来支撑，台面下方不同位置处按不同的角度分别安装有气锤，通过气源对气锤提供纯净压缩空气，用伺服阀控制冲击波形及量值大小，使其为振动台面提供激励信号，进而使振动台产生全轴振动振动试验环境。
由于设计原因，气动式振动台主要有以下几个特性：
（1）振动台能产生连续的超高斯型的伪随机振动频谱，其频率范围从10Hz～10000Hz，是近似平稳的随机过程；
（2）振动台在随机作用力作用下出现的六自由度振动，包括三个垂直向量和三个旋转向量；
（3）振动台由于设计原因，低频能量不足，尤其是2000Hz以下频带内的能量分布较小；
（4）台面上各处振动能量分布相差较大，均匀性较差，不利于多台产品同时进行试验；
（5）振动台对气锤的气压进行反馈控制，以保证设定的加速度均方根值，但不能控制谱形；
（6）产生的速度和位移较小，对位移敏感的产品缺陷很难激发。
3气动式振动台的校准方案
校准装置主要由传感器（包括三轴向传感器）、多通道信号适调仪、动态信号分析仪等组成。振动台产生的波形，经传感器采集信号适调仪调整放大后，由动态信号分析仪进行计算分析，再和振动台技术指标及各项试验要求对比，完成校准。
3.1振动台随机信号的校准
根据现代振动疲劳损伤理论，累积疲劳损伤主要由大于2σ的应力峰所造成，并且等均值和量级的随机应力对疲劳损伤的强化程度存在这样一个关系：超高斯>高斯>亚高斯。而气动式振动台的关键技术就在于它可产生一种幅值概率密度分布为超高斯型的宽带伪随机振动激励，对产品的疲劳损伤累积型缺陷表现出很高的激发效力。因此，气动式振动台信号的超高斯性是振动台校准时必须校准的指标。
对于非高斯随机信号而言，工程中通常用峭度K来描述：超高斯信号峭度值K>0；亚高斯信号峭度值K<0；高斯信号峭度值K=0。峭度K借助隨机信号X 的各阶中心矩定义式如下：
综上所述，通过校准装置的采集、分析以及计算，气动式振动台x、y、z三个轴向随机信号的峭度值K均应大于零。
3.2振动台低频能量的校准
气动式振动台由于自身设计的原因，2000Hz以下振动信号的能量分布不均匀且出现一个低谷。然而对于大多数电子产品而言，其固有频率大都落在10Hz～2000Hz之间，这就导致了不能充分地激发该类受试产品的各阶模态，进而限制了气动式振动台在电子产品可靠性强化试验中的作用。因此，要准确评价一台气动式振动台的性能，就必须对其低频能量进行校准。
衡量低频能量分布情况的指标为低频相对能量，即10Hz～2000Hz频段的信号能量占全频段信号能量的百分比。通过校准装置，采集振动台信号，并对其全频段均方根值及10Hz～2000Hz频段均方根值分别进行计算。进一步计算出低频段均方根值与全频段均方根值的比值，根据目前气动式振动台的技术水平[3]及试验要求，低频段均方根值不应低于全频段均方根值的25%。
3.3振动台均匀度的校准
台面是振动台的重要组成部分，而台面均匀度指标则是衡量振动台性能的重要依据。如果台面均匀性过大，产品安装不同的位置就有不同的试验结果，同时不利于多台产品同时进行试验，这将影响试验结果和试验效率。
由于气动式振动台激励方式的不同，台面特性差别较大，为全面地评价气动式振动台的均匀性，应该综合考虑台面上不同位置多个点的响应信号对不均匀度指标的影响，以累积不均匀度作为评价台面均匀性的指标。即提取台面上数个不同点的加速度响应信号，计算各点的加速度均方根值并求出各点均方根值的平均值，再以各点均方根值与平均值的差除以平均值作为各点的不均匀度值，而气动式振动台的累积不均匀度则是各点不均匀度值的和。依据目前的研究及试验结果[ 2 ]，气动式振动台的累积不均匀度应不大于10%。
4结论
本文依据气动式振动台的工作原理及相关特性，分析了气动式振动台影响性能指标的重要参数，提出了影响气动式振动台性能的校准项目，并给出了相应的校准方法，从而初步形成了气动式振动台的校准理论，为客观评价气动式振动台性能优劣提供了依据，为进一步进行气动式振动台校准体系的研究工作奠定了基础。
参考文献
[1]胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术.北京：中国计量出版社，1996.
[2]廖世佳，王考，陶俊勇.基于MSC 的气动式振动台台面性能研究.机械工程与自动化 2008， 128 （3）.
[3]王考，陶俊勇，陈循.气动式振动台振动信号低频能量改善研究.振动与冲击 2009，28 （2）.
[4]数字式电动振动试验系统检定规程.JJG 948-1999.
[关键词]气动式振动台 校准 超高斯 低频能量
[中图分类号] TB534+.2 [文献码] B[文章编号] 1000-405X（2013）-10-148-1
1引言
随着竞争的发展与深化，市场对产品的要求越来越高，作为产品质量与可靠性保障重要手段的环境可靠性试验也相应地得到不断的发展。可靠性强化试验（Reliability Enhancement Testing，简称RET）是近年来发展起来的一种新的试验技术，它是通过对产品施加极限环境应力，激发产品设计和工艺缺陷，据此寻求相应的改进措施并进行验证，从而使产品的可靠性得到快速增长。气动式振动台是RET试验的主要试验设备，它可以快速有效地激发产品的潜在缺陷，因而在RET试验中发挥着重要作用。
近几年来RET试验在航空、航天方面的应用越来越多，发展也很快。由于航天航空产品的特殊性，在其生产、科研和试验领域所涉及到的环境试验设备必须进行准确计量，以保证产品的高可靠性。然而，目前对于气动式振动台校准还没有有效的方法，同时，由于气动式振动台与其它振动台的运行原理不同，不能直接应用已有的标准，因此很有必要进行气动式振动台校准方法的研究。
2气动式振动台的工作原理
气动式振动台可产生三轴六自由度随机振动，所以也称之为全轴振动台。它主要是由振动台面、气锤以及支撑弹簧组成。振动台面是正方形铝板，并由4个无转动约束的接地弹簧来支撑，台面下方不同位置处按不同的角度分别安装有气锤，通过气源对气锤提供纯净压缩空气，用伺服阀控制冲击波形及量值大小，使其为振动台面提供激励信号，进而使振动台产生全轴振动振动试验环境。
由于设计原因，气动式振动台主要有以下几个特性：
（1）振动台能产生连续的超高斯型的伪随机振动频谱，其频率范围从10Hz～10000Hz，是近似平稳的随机过程；
（2）振动台在随机作用力作用下出现的六自由度振动，包括三个垂直向量和三个旋转向量；
（3）振动台由于设计原因，低频能量不足，尤其是2000Hz以下频带内的能量分布较小；
（4）台面上各处振动能量分布相差较大，均匀性较差，不利于多台产品同时进行试验；
（5）振动台对气锤的气压进行反馈控制，以保证设定的加速度均方根值，但不能控制谱形；
（6）产生的速度和位移较小，对位移敏感的产品缺陷很难激发。
3气动式振动台的校准方案
校准装置主要由传感器（包括三轴向传感器）、多通道信号适调仪、动态信号分析仪等组成。振动台产生的波形，经传感器采集信号适调仪调整放大后，由动态信号分析仪进行计算分析，再和振动台技术指标及各项试验要求对比，完成校准。
3.1振动台随机信号的校准
根据现代振动疲劳损伤理论，累积疲劳损伤主要由大于2σ的应力峰所造成，并且等均值和量级的随机应力对疲劳损伤的强化程度存在这样一个关系：超高斯>高斯>亚高斯。而气动式振动台的关键技术就在于它可产生一种幅值概率密度分布为超高斯型的宽带伪随机振动激励，对产品的疲劳损伤累积型缺陷表现出很高的激发效力。因此，气动式振动台信号的超高斯性是振动台校准时必须校准的指标。
对于非高斯随机信号而言，工程中通常用峭度K来描述：超高斯信号峭度值K>0；亚高斯信号峭度值K<0；高斯信号峭度值K=0。峭度K借助隨机信号X 的各阶中心矩定义式如下：
综上所述，通过校准装置的采集、分析以及计算，气动式振动台x、y、z三个轴向随机信号的峭度值K均应大于零。
3.2振动台低频能量的校准
气动式振动台由于自身设计的原因，2000Hz以下振动信号的能量分布不均匀且出现一个低谷。然而对于大多数电子产品而言，其固有频率大都落在10Hz～2000Hz之间，这就导致了不能充分地激发该类受试产品的各阶模态，进而限制了气动式振动台在电子产品可靠性强化试验中的作用。因此，要准确评价一台气动式振动台的性能，就必须对其低频能量进行校准。
衡量低频能量分布情况的指标为低频相对能量，即10Hz～2000Hz频段的信号能量占全频段信号能量的百分比。通过校准装置，采集振动台信号，并对其全频段均方根值及10Hz～2000Hz频段均方根值分别进行计算。进一步计算出低频段均方根值与全频段均方根值的比值，根据目前气动式振动台的技术水平[3]及试验要求，低频段均方根值不应低于全频段均方根值的25%。
3.3振动台均匀度的校准
台面是振动台的重要组成部分，而台面均匀度指标则是衡量振动台性能的重要依据。如果台面均匀性过大，产品安装不同的位置就有不同的试验结果，同时不利于多台产品同时进行试验，这将影响试验结果和试验效率。
由于气动式振动台激励方式的不同，台面特性差别较大，为全面地评价气动式振动台的均匀性，应该综合考虑台面上不同位置多个点的响应信号对不均匀度指标的影响，以累积不均匀度作为评价台面均匀性的指标。即提取台面上数个不同点的加速度响应信号，计算各点的加速度均方根值并求出各点均方根值的平均值，再以各点均方根值与平均值的差除以平均值作为各点的不均匀度值，而气动式振动台的累积不均匀度则是各点不均匀度值的和。依据目前的研究及试验结果[ 2 ]，气动式振动台的累积不均匀度应不大于10%。
4结论
本文依据气动式振动台的工作原理及相关特性，分析了气动式振动台影响性能指标的重要参数，提出了影响气动式振动台性能的校准项目，并给出了相应的校准方法，从而初步形成了气动式振动台的校准理论，为客观评价气动式振动台性能优劣提供了依据，为进一步进行气动式振动台校准体系的研究工作奠定了基础。
参考文献
[1]胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术.北京：中国计量出版社，1996.
[2]廖世佳，王考，陶俊勇.基于MSC 的气动式振动台台面性能研究.机械工程与自动化 2008， 128 （3）.
[3]王考，陶俊勇，陈循.气动式振动台振动信号低频能量改善研究.振动与冲击 2009，28 （2）.
[4]数字式电动振动试验系统检定规程.JJG 948-1999.