三综合试验中若干问题的探讨

吴刚

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036)

0 引言

温度、湿度和振动是环境因素中的三大因素，是影响军用武器系统战术性能的重要因素[1]。开展温度、湿度、振动三综合试验 (以下简称三综合试验)的目的是考核常规武器系统、设备在储存、运输和使用条件下经受温度、湿度和振动综合环境应力时的环境适应性[2]。通过试验揭示3种环境应力及其综合环境应力对常规兵器战术性能的影响，能够发现常规兵器可能出现的薄弱环节、质量缺陷和设计中欠周到之处。为此，笔者对三综合试验中的几个主要问题进行了探讨，以期为相关工作人员提供一定的指导。

1 试验设备的选用问题

三综合试验的设备主要由电动振动台、振动控制器、环境试验箱和附属设备等组成。电动振动台和振动控制器组合可完成振动试验；电动振动台、振动控制器和环境试验箱组合可完成温度-湿度-振动综合试验。环境试验箱提供要求的温度、湿度环境，振动台和环境试验箱配合时通过软性连接，环境试验箱不参与振动台的振动。

1.1 对试验箱的一般要求

环境试验箱能够在试验时提供要求的高温、低温和湿度环境。主要由箱体、制冷加热湿度设备、升降装置和箱体控制器等组成。制冷、加热和湿度设备用于提供要求的温度、湿度环境。箱体依据试验的需要，确定是否配置升降装置和不通的箱体底板。在箱体和振动台连接进行综合试验时，要求底板与振动台的连接配合应合理、可靠，具有良好的密封性和隔热效果，避免出现冷凝水渗透的情况。对于箱内隔热辐射要求低温时箱内壁与试验温度之差不超过8%(绝对温度)，高温时箱内壁与试验温度之差不超过3%(绝对温度)。环境试验箱的容积要根据被试品的包络尺寸来确定，并兼顾以下原则：1)被试品的外廓表面距箱壁的距离大于100～150 mm；2)被试品的体积不得超过环境试验箱有效工作空间的20%～30%；3)被试品的迎风端面积与该端面上试验箱工作腔的总面积之比不大于35%～50%。

1.2 对振动试验系统的一般要求

振动试验系统包含振动台与振动控制器。由于振动试验系统与试验箱是分离的，二者之间的相互作用较小，因此振动试验系统只要满足可靠性试验的要求即可[3-4]。

1.2.1 电动振动台的选择

a)选择适合该试验推力的振动台，试验推力可利用式 (1)计算得到：

式(1)中：F——振动台推力(N)；

arms——均方根加速度；

α——安全系数；

m——活动系统(包括动圈、试件、夹具、水平滑台或扩展头等)的重量 (kg)。

其中，安全系数α通常取60%～80%，在此范围内α取值越小越好，这样振动台便可以长时间地可靠使用；但绝不能超过80%，因为一旦超过80%，稍有不慎 (如被试品安装不当或夹具设计不合理等)就可能发生共振现象，从而使得振动台的推力超过额定的推力。长时间满负荷工作，可能会使振动台的可靠性大大地降低或损坏振动台。

b)均方根加速度的计算

计算振动台推力时需要知道均方根加速度值，随机振动试验控制的参数是功率谱密度，有些试验规范给出了相应的均方根加速度值，而有些试验规范往往只给出了功率谱密度曲线，这种情况下就需要通过计算得到均方根加速度值。由随机振动理论可以知道，均方根加速度值可通过以下计算公式得到：

式(2)中：arms——均方根加速度；

S(f)——加速度功率谱密度函数；

f1、f2——试验频率的上限、下限。

以上公式是根据功率谱密度曲线计算均方根加速度的基本公式。对于各种不同形状的功率谱密度曲线，可分别采用图解积分法、数值积分法等方法来求出曲线下的总面积，然后再开平方计算出均方根加速度值。

1.2.2 振动控制器的选择

振动控制器是振动试验的核心，振动控制器的好坏，对振动试验的安全可靠起着决定性的作用。振动控制器可以根据试验要求的不同，选择相应的控制软件进行试验。

2 其他辅件的选择及安装问题

2.1 过渡台面或试验夹具的选择

由于过渡台面或试验夹具放置于试验箱内，将与受试产品一样受到温度、湿度和振动应力的影响，因此其与试验箱将会相互影响[5]。由于过渡台面或试验夹具与受试产品都安装在试验箱的底部，将会影响试验箱的出风或回风路径 (空气流动方向如图1所示)，因此在安装时应该尽量地满足1.1中对试验件的放置要求。而过渡台面或试验夹具由于受到温度和湿度应力的作用，其特性与在正常大气条件下相比将有所改变 (如图2所示：输入相同驱动谱后监视点位置、安装方式和控制方式均未发生变化，但是监视曲线发生了较大的变化)。正因为如此，在IEC 68-2-6和GB 2423.10-81中均对试验夹具的动态特性做了严格的规定，以保证夹具有良好的传递性。

图1 空气流动方向

因此，对于三综合试验中夹具的特性，主要有下列几点要求[6-7]：

1)重量轻、刚性好、固有频率高，在整个试验频带内，不应存在谐振点；

2)传递特性好，各点相应均匀一致；内阻尼大，非线性失真小；

3)横向运动要小；

4)性能稳定，再现性好；

5)受温度、湿度影响时其特性变化要小，热传导率应与试件接近；

6)容量大、效率高、寿命长和使用方便。

某产品过渡台面在温度为-55、+25、+70℃，湿度为85%条件下的响应曲线如图2所示。从图2中可以看，在低温时在8.1 Hz处出现了共振峰，而在高温时其低频段也很不稳定。常温时谐振频率点为： 567.714、 631.120、 725.109、 1 118.955、1 555.979 Hz；低温时谐振频率点为：8.100、580.681、639.943 Hz；高温时谐振点频率点为：39.702、 588.798、 646.641、 1 555.979 Hz。 由此可见，由于温度湿度的变化，该产品的特性也会随之发生变化。

图2 某产品过渡台面在不同温湿度条件下的响应曲线

2.2 传感器的选择与安装问题

传感器的正确选用和安装是保证试验质量的重要环节。

2.2.1 温度与湿度传感器的选择与安装

安装温度与湿度传感器的目的是为了实时地采集试验箱内的实际环境参数，为了保证试验箱提供的环境参数与被试件需要考核的环境参数一致，应考虑将传感器尽量地靠近试验产品。

2.2.2 振动传感器的选择与安装

a)正确选择振动传感器

目前在振动试验中用得最为广泛的传感器是压电式加速度计。其具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围广和频率特性好等优点。一般根据试验频率范围、幅值大小去选用合适的传感器，这些条件应落在所选传感器的线性范围内。对于一般的振动试验来说，选用灵敏度为100～200 PC.S2/m的传感器较为合适。如果需要测量低量级的加速度，应选择高灵敏度的传感器；如果要测量很高量级的加速度，则应选择低灵敏度的传感器。由于传感器处于试验箱内，将受到温度与湿度的作用，因此需要选用灵敏度在该三综合试验的温度湿度范围内的传感器。

b)正确安装传感器

在安装传感器时需要选择合适的位置。在闭环控制系统中，控制点的选择与控制精度有着密切的关系。对于元件型样品，控制点应选择在家具上；对于设备型样品，控制点应选择在固定点附近。测量传感器则可安装在不同的测量点上。

常用的固定方法主要有以下3种：

1)螺钉连接，该方法安全可靠，其安装谐振频率可达 10～30 kHz；

2)粘结，常用502胶，该方法方便牢靠，且有好的传递性，主要使用于300 m/s2、3 000 Hz以下的振动场合，以及测量点处不便于打孔的地方；

3)使用磁铁吸附的方法，该方法使用方便灵活，但只使用于测量频率低、振动量级小的场合。

由于传感器将受到温度与湿度的作用，因此在安装时应尽量地考虑选用螺钉紧固安装而少用粘接(用粘结剂紧固容易受到温度、湿度的影响而脱落)等方式固定传感器。控制点传感器的安装必须十分牢靠，绝不允许有松脱的情况出现，一旦松脱，则振动台将失控，容易损坏试验台。

由于有湿度的存在，因而还应考虑传感器的绝缘措施，应在传感器与安装点的台面或夹具等的中间垫上一块1 mm厚的绝缘垫，以避免在测试系统中引入电噪声，从而增大测量误差。

2.3 灵敏度的设置问题

对于压电式传感器必须经过电荷放大器的变换才能反馈到控制计算机，这样，电荷放大器的灵敏度设置是否与控制器的灵敏度设置匹配就相当关键。根据振动台的工作过程，电荷放大器的灵敏度小于控制器的灵敏度，则振动台的输出小于标准值；反之，则振动台的输出大于标准值。与标准值相差的倍数就是电荷放大器和控制器相差的倍数。

3 其他问题

试验过程包括试验前的准备和试验的实施两个环节。为了保证试验准确、顺利地进行，还应注意以下几个问题。

a)试验前的准备主要包括：1)依据被试品的情况确定任务剖面，确定试验设备、试验程序、被试品技术状态、试验量值、被试品安装方式和数据采集方式等，由于三综合试验的复杂性，最好在准备阶段先利用模拟试品进行摸底，对振动台的数据和安装方式进行考核以判断是否满足试验要求，同时检验试验方法的制定是否合理；2)被试品的试前检测；3)确定失效判据。

b)试验实施就是依据制定的试验方法和试验步骤进行试验。在试验实施过程中需要随时观察试验箱内的情况和振动台的监控情况，避免由于紧固件松动或传感器松脱而出现各种意外事故。

4 结束语

鉴于三综合试验相当复杂，因此要求三综合试验设备选型或试验时必须进行充分的准备和详细的分析计算，选择合适的试验设备，确定合理的试验方法。本文所讨论的三综合试验中的一些问题，是笔者在近几年的试验实践中所遇到的较为普遍的问题，这些问题如果处理不当，将对试验结果产生很大的影响，甚至可能得出错误的结论。因此，为了获得正确的试验结果，提高试验的可信度，必须高度重视和认真对待这些问题。

本文对三综合试验中常见的一些问题进行了讨论，对该试验的正确开展具有一定的参考作用。当然，随着试验技术的不断发展，试验中还会出现许多新的问题，有待今后探讨。