环境技术
ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY
1999年 第17卷 第2期 Vol.17 No.2 1999



大型构件试品振动控制方法研究
胡小弟　朱伟繁　查建新
　　摘　要：大型构件试品振动试验的控制方法是试验成败和确保试验准确度的关键。每项试验由于构件形式结构参量各不相同很难以一种 固定的控制模式对待，必须在对试品响应特性的研究分析的基础上比较若干控制方法的优劣，以确定有效可行的控制方法。本文作者结合某项工程试验的实践，论述研究分析的方法，供读者应用时参考。
　　关键词：响应特性； 过试验； 欠试验； 多点平均控制；多点最大值控制
　　中图分类号：　V216.2　　　文献标记码： A
　　文章编号：1004-7204-(1999)02-0001-06
Research of Structure Vibration Control Methods
HU Xiao-di， ZHU Wei-fan， ZHA Jian-xin
Nanjing Research Institute of Electronic Technology
　　Abstract：Control method is key to feasibility and accuracy of large structure vibration test. Due to its complex dynamic responses,control methods should be compared and proper methods chosen to make the test successful. Based on a eng ineering problem,several control methods are analysed in this paper.
　　Keywords：Response spectrum,Over test,Insufficient test, Multichannel average control,Multichannel peak control.
1　前言
　　大型构件试品实施振动试验，是试品试验考核的重要内容。由于试品体积大，质量重，重心高且多偏离等原因，试验难度很大，特别是试验控制困难。大型构件试品由于试品的体型特征，使用的振动试验台等情况差别很大，因此很难用某一种振动控制方法对待。选取的振动试验控制方法既要确保试验的正常进行，又要确保试验的一定精度，即试验的准确度。为此，对每一项大型构件试品都要在摸清试品构件响应的基础上确定有效可行的试验控制方法。
　　目前我所实施一项试验，由于构件刚度较弱，更换夹具涉及设计、加工周期和资金的投入。因此在现有夹具条件下，实施试验，使试品受到试验条件激励，难度很大。我们的做法是在摸清构件的响应特性的基础上，通过对试验方法的分析论证，选取适合该项试品的振动控制方法，使试验既顺利进行又确保了试验准确性，在大型构件试品的振动试验中有一定的代表性。本文通过该试品试验个例，阐述振动试验控制方法的应用及分析方法，以期引起同行的关注。
2　试验的基本情况
2.1　试品总成的情况：
　　试品总成有三个部分构成：其一是试验架（或称夹具），由角钢和上下钢板构成顶和底板，底面600×600mm、架高800mm的框架结构；其二是试品，安装于夹具框架顶板的下部；其三是试品的负载，由试品挂钩联接。
　　试品总成如图1所示，质量分布和重心如下：


图1　试品总成图
　　试验支架质量约500kg，试品质量约50kg，试品负载质量230kg, 试品总成共780kg，试品总成重心高度约500mm。
2.2　试验技术要求：
2.2.1　试验方式：正弦扫频试验
2.2.2　试验轴向：Z向，Y向
2.2.3　试验参量：
　　　　5-20Hz 　　1.27mm
　　　　20-33Hz　　2g
　　　　33-52Hz　　0.45mm
　　　　52-500Hz　　5g
2.2.4　要求试品部位受试验参量激励。
2.3　振动试验系统的选择：
2.3.1　承载：要求大于780kg
2.3.2　推力：F=(m0+m1)×a
式中： m0为振动台运动部分总质量，当水平向试验时m0为电枢、驱动夹、滑板、静压轴承的质量总和。
　　　m1为试品总成质量
　　　　a为试验最大峰值加速度（5g)
　　本所能承载780kg以上试品的振动台为LDS公司的V984LS-MPA96系统。其电枢质量为130kg，驱动夹、滑板、静压轴承的总和质量230kg，则m0为360kg，本项试验m1为780kg，所需最大试验推力为5700kg.f.V 984LS-MPA96系统正弦值推力为12247kg.f，能够满足本项试验的推力要求。
2.4　试验总成中试品部位的响应特性：
　　为了正确实施试验，大型构件试品的振动试验之前必须进行响应特性测试，以了解构件试品部位的峰谷点，作为选择控制方法的参考依据，响应的测试按寻找谐振点方法由台面作为控制点，构件试品部位作为响应测试点，以低能级等加速度量值控制振动台实施全频域（试验频率范围5-500Hz）扫频试验。如图2所示：


图2　响应特性测试图
　　测试结果：试品部位一阶谐振频率为122Hz，谐振峰的峰高比am/a0 ＞5(am为谐振时的峰值加速度值，a0为台面控制的加速度值）；谷点频率150Hz，谷深比an/a0=0.25(an为谷点频率时的响应加速度值，a0 为台面控制的加速度值）。
3　试验方法的选择及分析
3.1　台面控制：
　　按常规试验方法，振动控制点位于台面时，试品部位的响应如图 3所示：


图3　试品部位响应图
　　显然，如图按试验条件参量实施控制，振动考核的试品部位在一阶谐振频率122Hz，谷点频率150Hz左右，将受明显的“过试验”和“ 欠试验”激励。
　　“过试验”量值为+13.98dB。
　　“欠试验”量值达-12.04dB。
3.2　试品部位单点控制：
　　要满足试品受试验条件的激励，第一种办法可将传感器置于试品部位，如图4所示：


图4　试品部位示意图
　　但由于夹具构件架刚度不够，导致峰谷响应强烈，当采用试品部位一点控制时，试品部位虽可受到准确的试验条件参量的激励，但振动台在谷点频率（150Hz）时的驱动需要大于四倍以上的推力， 大大超出了振动台推力范围的极值，因此试验无法实施。
　　试验由试品部位控制时的试品部件激励和振动台驱动谱如图5所示：



a1=5g　a2=2g　a3=0.127g
图5　试品部位单点控制驱动示意
a10为试品部位控制加速度
aD为振动台驱动加速度
3.3　试品部位多点平均控制
　　要满足试品受到试验条件参量激励的第二方法是试品部位的多点平均控制，即在试品部位安装二个以上的传感器，其信号用于平均控制的方法。多点平均控制方法在大型构件的试品中应用较为普遍，应用得当都能收到明显的效果。应用得当的前提是选择控制点的位置时，应该注意避免各点响应的一致和类同。
　　由于该试品的夹具（试验支架）总体上刚度较弱，同时试品本身体型较小且又处于夹具顶部，在水平振动激励时，试品部位各处响应峰谷点频率均相同，因此多点平均后的信号仍不能产生峰谷点的互抵，无法避免各点的响应一致，仍在峰谷点频率上出现较强的峰谷点响应，只是峰谷点幅值略为变化，其平均信号与试品部位单点控制信号无大差异，因此导致效果与试品部位单点控制时相同，虽试品部位可受准确的试验条件参量激励，但在平均信号的谷点频率，振动台驱动仍要超出振动台最大振动极限而导致无法实施。如图6所示：




图6　试品部位多点平均控制示意
a1为试品部位1响应加速度
a2为试品部位2响应加速度
a12为试品部位二点平均响应加速度
aD为振动台驱动加速度
3.4　试品部位多点最大值控制
　　要满足试品受到试验条件参量激励的第三种方法是试品部位多点最大值控制，即试品部位安装二个以上传感器，其信号取最大值控制的方法。多点最大值控制成效的关键同样是要避免各控制点响应的一致和类同，因为响应相同的各点都处于谷点时的最大值也仍为谷点，因此失去了多点最大值控制的效果。本试验在试品部位上的多点最大值控制由于试品部位各处响应接近，因此无法达到多点最大值控制的应有效果。如图7所示：




图7　试品部位多点最大值控制示意
a1为试品部位1响应加速度
a2为试品部位2响应加速度
am为试品部位二点最大值响应加速度
aD为振动台驱动加速度
　　显然在谷点频率150Hz上，多点最大值仍处于谷点。 要达到条件试验，必然使振动驱动值增大，由于谷深比近0.25，因此驱动大大超出振动台最大推力，试验无法实施。 
3.5　台面参于多点平均控制
　　试验多点平均和多点最大值控制均不奏效，无法实施试验，究其原因，主要是试品部位响应特性接近。为了实施试验提高多点平均或最大值控制的效果，必须要有不同响应特性的控制点参与多点平均或多点最大值控制。根据该项试验试品及夹具特定情况，这个控制点取台面最佳。台面参与多点平均控制，即台面与试品部位各安装一个以上的控制传感器，其信号实施平均控制的方法。当台面控制点参与试品部位多点平均控制，试品部位峰值与台面平均后峰值幅度降低，试品部位谷点与台面平均后谷点深度上提，要求振动台的驱动值减小，可以实施试验，其试验特性见图8所示：




图8　台面参与试品多点平均控制示意
a1为试品部位1原有响应加速度
a0为台面响应加速度
a10为台面与试品部位二点平均响应加速度
aD为振动台驱动加速度
a1'为试品部位1实际响应加速度
3.6　台面参与多点最大值控制
　　台面参与最大值控制即台面与试品部位各安装一个以上的控制传感器，其信号取最大值控制的方法。
　　当台面控制点参与试品多点最大值控制后，最大值信号在试品部位峰值取决于试品部位。在试品部位谷点取决于台面，使驱动谱在试品部位峰值呈谷值，在试品部位谷点呈平直段。因此在此驱动谱激励下，试品部位所受激励除试品响应峰值频率附近呈欠试验外其余均按条件试验激励试品，见图9所示：




图9　台面参与试品多点最大值控制示意
a1为试品部位1原有响应加速度
a0为台面响应加速度
am为台面与试品部位二点最大响应加速度
aD为振动台驱动加速度
a1'为试品部位1实际响应加速度
4　误差分析及结论
4.1　几种控制方法的分析：
　　由以上几种控制方法分析，试品部位单点控制、试品部位多点平均控制、试品部位多点最大值控制三种方法，由于在试品部位响应谷点响应频率上振动台驱动值要求很大，大大超出振动台的最大推力范围，因此试验无法实施。
　　台面单点控制时在试品部位一阶谐振频率上试品经受近五倍试验值激励，谷点频率上受到近1/4的试验值激励，“过”， “欠”试验均十分强烈，试验误差为：
　　+13.98dB,-12.04dB。 
　　特别是“过试验”对于试品构件的破坏力很大，因此这种控制方法显然也是不可取的。
　　台面参与多点平均控制试验能够进行，驱动谱峰谷值比试品部位单点和试品多点平均减小，但仍有8.0g峰值和2.0g的谷值（试验设定值为5.0g），要求振动台推力是计算值的1.66倍，试品部位受到的试验误差分别为+4.1dB，-12.04dB。
　　台面参与多点最大值控制，驱动谱已无峰值，要求振动台的推力小于计算推力值。试品受到的激励，除在试品的谷点频率（150Hz 左右）出现很窄频带的“欠试验”外，其余频段均受试验条件量值的激励，试验误差范围为：+0dB，-12.04dB。
4.2　结论：
　　将上述分析列表综述，如表1所示：
表　1
项　　目控　制　方　式
台面单点台面参与试
品多点平均台面参与试品
多点最大值
试验误差(dB)+13.98+4.10+0
-12.04-7.96-12.04
试验频带二个带宽二个带宽一个带宽
过试验量(dB)+13.98+4.100 
要求振动台推力计算值计算值的1.66倍小于计算值

　　台面单点控制误差量值大，特别是“过”试验量值大，易损坏试品，不宜按此方法实施。
　　台面参与试品多点最大值控制，具有无“过”试验量、试验安全、试验误差频率范围较窄、要求振动台推力小等优点而优先使用。
　　如果试品“过”试验能力较强，而不允许“欠”试验，同时振动台的系统推力余量较大，那么，台面参与试品多点平均控制方法也是可行的。
作者简介：胡小弟，电子工业部第14研究所可靠性工程室副主任， 高级工程师。
作者单位：电子部第14研究所，　南京　210013
参考文献：
［1］　胡小弟“V984-MPA96振动台系统介绍”《环境条件与试验》［J］．1988.3
［2］　胡小弟，周伯荣，沈文俊“振动控制点的特殊应用技术用于夹具动态特性改善的研究”《环境条件与试验》［J］1989.2
［3］　胡小弟，刘继承“大型构件试品实施振动试验时的若干问题探讨” 《环境技术》［J］1997.2
收稿日期： 1999-03-11
