CN112525460B - 一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，属于可靠性模拟试验技术领域。该方法的实现步骤包括确定任务剖面、获得试验载荷量级；选择试验件，进行外观检查和功能检查；将试验件安装在夹具上；在试验件和试验台上安装传感器；检查试验台、夹具和测量系统的功能，检查试验台摇摆功能输入‑输出对应关系；对试验件施加规定的振动和摇摆载荷，并进行等效性验证；最后运行试验件，开始可靠性模拟试验，实时监控振动和摇摆量值。本发明的方法能够指导试验人员充分地利用试验平台完成在振动、摇摆载荷下的可靠性模拟试验。

Description

一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法
技术领域
本发明属于可靠性模拟试验技术领域，具体涉及一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法。
背景技术
对装备的可靠性评估可以采取多种手段，其中对装备进行可靠性模拟台架试验是较为常用的一种。对于舰载机电装备，其在工作时主要受到的载荷为振动和摇摆，其中发动机带来的振动加速度可达到30g，而风浪等外力可使船体发生±45°的摇摆。现有的模拟试验方法是通过简化载荷，只进行振动模拟试验而忽略摇摆载荷，或者反之只进行摇摆模拟试验。目前对试验的简化处理，使得相应的能够同时提供振动和摇摆载荷的试验台也未曾被开发出来。
在现有的试验方法中，GJB150.16A-2009和GJB150.23A-2009可作为可参考的试验方法。其中GJB 150.16A-2009提出了对于军用水面船的振动试验。该试验方法将船的振动表示为一个跟自然环境激励、强迫激励、舰船结构、装备安装结构和装备响应相关的复杂函数。该函数包括螺旋桨旋转轴旋转、往复机械及船体共振引起的周期分量，和由于航速、海况、机动等变化诱发的随机分量。将船的振动分解为正弦部分和随机部分，分别施加。采用通用的实验室振动台作为振动激励设备，将振动通过夹具/试件界面作用在试件上，根据需求可施加稳态和瞬态两种振动。正弦部分的试验量级可根据需要来确定试验的振动频率、振动位移和振动加速度；随机部分的试验量级可根据要求来确定加速度谱密度和(对数)频率。振动随机部分三个正交轴每个轴向试验持续时间为2小时，正弦部分试验持续时间应在选定的试验频率范围内，以每分钟一个倍频程的速率进行10次扫描循环。
GJB150.23A-2009提出了舰船设备的倾斜摇摆环境试验方法。试验将倾斜分为横倾和纵倾两种形式，将摇摆分为横摇和纵摇两种形式。并将整个试验分为三个程序：Ⅰ倾斜、Ⅱ摇摆、Ⅲ倾斜和摇摆综合试验。使用摇摆试验台使试件发生倾斜、摇摆运动，通过改变摇摆试验台的空间位置，使试件承受不同类型的应力。倾斜试验的主要量级是倾斜角度的大小，摇摆试验的主要量级是摇摆角度和周期的大小，摇摆周期应根据舰船排水量和海况确定，若有装备技术文件能提供实际摇摆周期，应按实际使用条件确定试验周期，若无，则参考相应的经验数据。试件安装方式、技术状态(在运输中、贮存中或是在工作中)应与实际使用情况相同或相近。倾斜试验时试验台应具备紧固水平，确保试验对象在最大试验载荷下能稳定保持在规定位置上，不发生明显晃动、漂移；摇摆试验台应至少模拟一种形式的舰船摇摆，通常是横摇和(或)纵摇，其摇摆角度和周期应能任意调节，波形失真小于15％。测试、检测为保证试件工作或通电的外部连接所形成的附加质量和约束，应保持最小或尽可能与实际安装相似，并控制摇摆角度、摇摆周期和倾斜角度的允差不超过规定值的±5％。满足以上条件，则可视为试验与实际等效。
根据GJB150.23A-2009中7.3.2规定的摇摆试验步骤如下：
a)将试件按其实际工作状态安装在试验台上；
b)除技术文件另有规定外，应使试件处在其工作状态，并稳定在要求的温度下(如适用)，用检测仪器对试验参数进行监视；
c)按技术文件确定的试验摇摆角度和摇摆周期进行试验；
d)按技术文件对试件进行工作性能检测，并记录检测结果；
e)除技术文件另有规定外，应保持该条件至少30min；
f)将试验台恢复至试验前的状态；
g)对试件进行尽可能全面的目视检查和工作性能监测，记录检测结果。
无论是GJB150.16A-2009还是GJB150.23A-2009，试验方法中涉及的载荷，或是振动载荷或是摇摆载荷，均为单一载荷，用来验证装备的抗振能力或者耐摇摆能力是可行的，但无法复现船载机电装备真实的工作情形，即无法完成船载机电装备真实工作环境下的可靠性评估。使用这种简化的单一载荷进行船载机电装备的可靠性试验，使试验不具备等效性，从而导致目前某些舰船机电装备在陆上台架试验时功能、性能稳定，但在装机实际使用不久便故障频发的情况。同时由于振动、摇摆载荷可同时施加的试验台还未被研制，相应的进行振动、摇摆综合载荷下的可靠性模拟试验的试验方法也未曾制定。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，该试验方法基于多轴摇摆与振动复合试验平台，能够充分地利用试验平台完成在振动、摇摆载荷下的可靠性模拟试验。
一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，该方法的实现步骤包括：
步骤一、确定任务剖面
步骤二、获得试验载荷量级；
步骤三、选择试验件，进行外观检查和功能检查；
步骤四、将试验件安装在夹具上；
步骤五、在试验件和试验台上安装传感器；
步骤六、检查试验台、夹具和测量系统的功能；
步骤七、检查试验台摇摆功能输入-输出对应关系；
步骤八、对试验件施加规定的振动和摇摆载荷，并进行等效性验证；
步骤九、运行试验件，开始可靠性模拟试验，实时监控振动和摇摆量值。
进一步地，所述步骤一中的任务剖面分为舰船的巡航任务剖面和作战任务剖面，巡航任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的50％，振动载荷为最大载荷的100％；作战任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的100％，振动载荷为最大载荷的110％，按试验件实际工作环境选择任务剖面。
进一步地，所述步骤二中的试验载荷量级包括振动、摇摆载荷量级，其中振动量级包括但不限于受试装备的三向振动加速度、振动位移幅值、振动频率；摇摆量级包括但不限于摇摆角度、摇摆周期、垂荡加速度、垂荡位移、垂荡周期，根据试验件实际工作环境确定，确定的载荷视为步骤一中的最大载荷。
进一步地，所述步骤三中的试验件是任意的需要进行可靠性测试的船载机电装备。
进一步地，所述步骤四中的夹具是搭载在该摇摆与振动复合试验平台上的夹具，与试验件通过螺栓连接。安装时应保证与实际安装状态相同或相近，且保证试验对象能稳定固定在试验台上，不随试验台的振动和摇摆而发生松动、摇晃及滑移，安装架不会因试验对象的重量和摇摆而形成的附加惯性力作用而发生明显形变。
进一步地，所述步骤五中的传感器包括但不限于加速度传感器、位移传感器、角度传感器、角加速度传感器，传感器量程及精度根据实际需求确定；要求传感器稳定安装在试验台上，根据实际情况亦可在试验件上安装传感器；测量振动的传感器在Z方向布置；测量摇摆的传感器在X/Y方向布置。
进一步地，所述步骤六中的测量功能要求在轻量载荷下进行，即控制试验台产生低量级的振动和摇摆载荷，测试项目包括但不限于：试验件和夹具连接稳固可靠；试验台、夹具和测量系统功能完好。
进一步地，所述步骤七中输入输出的对应关系的验证，是由于试验台摇摆功能依靠液压缸的升降来实现，控制液压缸升降幅度、升降频率来实现台面角度周期性的变化(即摇摆)，这种输入-输出间的关系是非线性的，因此需对“液压缸升降-试验台摇摆角度”间的对应关系进行验证。
进一步地，所述步骤八中的规定载荷量级根据步骤一中的任务剖面和步骤二中的最大载荷量级综合确定，分别控制试验台对试验件施加振动载荷和摇摆载荷，使试验件最终表现出来的振动响应和摇摆响应与所确定任务剖面下的响应在误差范围内保持一致，完成等效性验证。
有益效果：
1、本发明首先对任务剖面进行划分和确定，然后根据任务剖面来确定载荷的种类和载荷大小，通过相应试验台同时施加振动、摇摆载荷的方案，摇摆与振动复合试验平台的开发，使得该试验方法可投入使用且有实际使用需要。先前的试验台只能施加单一载荷，因而技术都是针对单一载荷，无法贴近地模拟船载机电装备的真实工作环境。本方法能够更好的模拟船载机电装备在工作中受到的真实载荷，即三向高频振动和摇摆，实现更真实的可靠性模拟试验效果。
2、本发明的步骤一对任务剖面的提前设定，避免了试验件在远超出自身工作载荷的环境中模拟，降低了成本任务剖面的确定，使可靠性模拟试验在更贴近试验件真实工况的情形下开展。
3、本发明步骤二中规定了试验载荷量级包括振动、摇摆载荷量级，其中振动量级包括但不限于受试装备的三向振动加速度、振动位移幅值、振动频率；摇摆量级包括但不限于摇摆角度、摇摆周期、垂荡加速度、垂荡位移、垂荡周期，根据试验件实际工作环境确定。尽可能多的考虑到了试验台所模拟复现的工况所涉及的参数量级，并根据实际情况可加以补充扩展。
4、本发明的步骤七进行了输入输出的对应关系的验证，单纯的振动、单纯摇摆试验中，只需控制特定的振动频率振动加速度、摇摆角度摇摆周期，即输入-输出一一对应，无需额外检验。该检验步骤对于该试验台相当重要，使得摇摆角度准确，确保试验结果可靠。
5、本发明的步骤八规定载荷量级根据步骤一中的任务剖面和步骤二中的最大载荷量级综合确定，分别控制试验台对试验件施加振动载荷和摇摆载荷，使试验件最终表现出来的振动响应和摇摆响应与所确定任务剖面下的响应在误差范围内保持一致，完成等效性验证。最终施加到试验件上的载荷量级为综合“试验方法参考值”和“任务剖面”后得到的试验值，采用该方法确定最终试验值，使模拟试验可信度更高。
附图说明
图1为本发明方法实现的步骤流程图。
图2、3和4为多轴摇摆与振动复合试验平台的结构图。
其中，1为受试对象装配支撑固件，2为振动工作台面，3为摇摆工作台面，4为振动液压缸，5.1为第一摇摆支撑液压缸，5.2为第二摇摆支撑液压缸，5.3为第三摇摆支撑液压缸，6.1为第一球铰，6.2为第二球铰，6.3为第三球铰，6.4为第四球铰，7为单自由度铰座，8.1为第一球铰座，8.2为第二球铰座，8.3为第三球铰座，8.4为第四球铰座。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，该方法基于多轴摇摆与振动复合试验平台，如附图2和3所示，本发明的试验平台包括摇摆平台和振动平台；摇摆平台包括摇摆工作台面3、第一摇摆支撑液压缸5.1，第二摇摆支撑液压缸5.2，第三摇摆支撑液压缸5.3，第一球铰6.1，第二球铰6.2，第三球铰6.3，第四球铰6.4，单自由度铰座7，第一球铰座8.1，第二球铰座8.2，第三球铰座8.3，第四球铰座8.4；摇摆工作台面3与第一摇摆支撑液压缸5.1，第二摇摆支撑液压缸5.2，第三摇摆支撑液压缸5.3以球铰形式相连；第二摇摆支撑液压缸5.2和第三摇摆支撑液压缸5.3底部与地面以铰接形式相连。
振动平台安装于摇摆工作台面3的上方，振动平台包括受试对象装配支撑固件1、振动工作台面2和振动液压缸4；振动工作台面2中间开有一圈12个螺纹孔，侧边的两个角落处开有2组共8个螺纹孔，受试对象装配支撑固件1固定在振动工作台面2上，振动液压缸4顶部固定在振动工作台面2的底部中心位置。
为了实现多轴摇摆的模拟效果，摇摆工作台面3底部安装有第二球铰座8.2、第三球铰座8.3、第四球铰座8.4并通过第一球铰6.1、第二球铰6.2、第四球铰6.4与第一摇摆支撑液压缸5.1，第二摇摆支撑液压缸5.2，第三摇摆支撑液压缸5.3相连接；第二摇摆支撑液压缸5.2底部与固定在地面的第一球铰座8.1通过第三球铰6.3连接；所述第三摇摆支撑液压缸5.3底部与固定于地面的单自由度铰座7铰接。
为了实现摇摆工作台面和振动工作台的耦和以及避免相互的运动干涉，摇摆工作台面3的中心开有一个通孔，振动液压缸4穿过这个通孔与振动工作台面2的底部相连接。第二球铰座8.2、第三球铰座8.3、第四球铰座8.4与摇摆工作台面3通过螺栓连接；所述第一球铰座8.1和所述单自由度铰座7与地面通过螺栓连接。所述第二球铰座8.2、第三球铰座8.3分别固定于摇摆工作台面3一侧的两端，所述第四球铰座8.4固定于摇摆工作台面3上述一侧对侧的中点位置。
如图4所示，试验时将试验对象(如海水泵)安装于振动工作台面2上，通过螺栓将受试机体和振动工作台面上的支撑固件1相连接。第一摇摆支撑液压缸5.1、第二摇摆支撑液压缸5.2和第三摇摆支撑液压缸5.3的运动由各个动力系统独立控制，从而导致振动平台产生大幅度摇摆；振动平台的振动液压缸4带动振动工作台面2沿竖直方向往复运动产生振动；二者的叠加产生摇摆、振动的复合运动，模拟船舶设备在海上的真实工作情形。
将振动试验台、摇摆试验台通过机械方式耦合，对各个运动方向上的动力装置进行独立控制，以达到试验台在各个方向互不干涉的运动。该试验台的运动用于模拟船舶在航行时其内部机电装备受到的振动、摇摆载荷，其中振动载荷被认为是由船载动力装置如发动机等正常工作时产生的，摇摆载荷则是由风浪等外部作用使船体摇摆而产生的。该试验台通过模拟振动、摇摆复合载荷，来复现船舶航行时，船载机电装备受到的综合载荷，用于考察在综合载荷下机电装备的可靠性
如附图1所示，该方法的实现步骤如下：
S1、确定任务剖面；
S2、获得试验载荷量级；
S3、选择试验件，进行外观检查和功能检查；
S4、将试验件安装在夹具上；
S5、在试验件和试验台上安装传感器；
S6、检查试验台、夹具和测量系统的功能；
S7、检查试验台摇摆功能输入-输出对应关系；
S8、对试验件施加规定的振动和摇摆载荷，并进行等效性验证；
S9、运行试验件，开始可靠性模拟试验，实时监控振动和摇摆量值。
其中，S1中的任务剖面，分为舰船的巡航任务剖面和作战任务剖面，巡航任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的50％，振动载荷为最大载荷的100％；作战任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的100％，振动载荷为最大载荷的110％。按试验件实际工作环境选择任务剖面。
S2中的试验载荷量级，包括振动、摇摆载荷量级，其中振动量级包括但不限于受试装备的三向振动加速度、振动位移幅值、振动频率；摇摆量级包括但不限于摇摆角度、摇摆周期、垂荡加速度、垂荡位移、垂荡周期，根据试验件实际工作环境确定，确定的载荷视为S1提及的最大载荷。
S3中的试验件可以是任意的需要进行可靠性测试的船载机电装备。
S4中的夹具是搭载在该摇摆与三向振动复合试验平台上的夹具，与试验件通过螺栓连接。安装时应保证与实际安装状态相同或相近，且保证试验对象能稳定固定在试验台上，不随试验台的振动和摇摆而发生松动、摇晃及滑移，安装架不会因试验对象的重量和摇摆而形成的附加惯性力作用而发生明显形变。
S5中提及的传感器包括但不限于加速度传感器、位移传感器、角度传感器、角加速度传感器，传感器量程及精度根据实际需求确定。要求传感器稳定安装在试验台上，根据实际情况亦可在试验件上安装传感器。其中测量振动的传感器(包括但不限于加速度传感器、位移传感器)要求在Z方向布置；测量摇摆(X/Y方向的摇摆)的传感器(包括但不限于角度传感器、角加速度传感器)在X/Y方向布置。
S6中测量功能，要求在轻量载荷下进行，即控制试验台产生低量级的振动和摇摆载荷，测试项目包括但不限于：试验件和夹具连接稳固可靠；试验台、夹具和测量系统功能完好。
S7中输入输出的对应关系的验证，是由于试验台摇摆功能依靠液压缸的升降来实现，控制液压缸升降幅度、升降频率来实现台面角度周期性的变化(即摇摆)，这种输入-输出间的关系是非线性的，因此需对“液压缸升降-试验台摇摆角度”间的对应关系进行检验。
S8中的规定载荷量级，根据S1中的任务剖面和S2获取的最大载荷量级综合确定。分别控制试验台对试验件施加振动载荷和摇摆载荷，使试验件最终表现出来的振动响应和摇摆响应与所确定任务剖面下的响应在误差范围内保持一致，完成等效性验证。可根据情况将摇摆换为倾斜，即只要使试验台维持某一空间位置即可，倾斜量级由附表2给出。
S9要求在进行可靠性模拟试验前，若无特殊要求，需使试验件处于正常工作状态。可靠性试验进行期间实时采集振动和摇摆相关数据，包括但不限于振动加速度、振动位移、振动频率、摇摆角度、摇摆周期。试验最终考察试验件在不同任务剖面下的寿命，以受试对象的设计寿命为指标，进行受试件的通过性试验。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，其特征在于，该方法的实现步骤包括
步骤一、确定任务剖面
步骤二、获得试验载荷量级；
步骤三、选择试验件，进行外观检查和功能检查；
步骤四、将试验件安装在夹具上；
步骤五、在试验件和试验台上安装传感器；
步骤六、检查试验台、夹具和测量系统的功能；
步骤七、检查试验台摇摆功能输入-输出对应关系；
步骤八、对试验件施加规定的振动和摇摆载荷，并进行等效性验证；
步骤九、运行试验件，开始可靠性模拟试验，实时监控振动和摇摆量值；
该方法基于多轴摇摆与振动复合试验平台，试验平台包括摇摆平台和振动平台；摇摆平台包括摇摆工作台面、第一摇摆支撑液压缸、第二摇摆支撑液压缸、第三摇摆支撑液压缸、第一球铰、第二球铰、第三球铰、第四球铰、单自由度铰座、第一球铰座、第二球铰座、第三球铰座、第四球铰座；摇摆工作台面与第一摇摆支撑液压缸、第二摇摆支撑液压缸、第三摇摆支撑液压缸以球铰形式相连；第二摇摆支撑液压缸和第三摇摆支撑液压缸底部与地面以铰接形式相连；
振动平台安装于摇摆工作台面的上方，振动平台包括受试对象装配支撑固件、振动工作台面和振动液压缸；振动工作台面中间开有一圈12个螺纹孔，侧边的两个角落处开有2组共8个螺纹孔，受试对象装配支撑固件固定在振动工作台面上，振动液压缸顶部固定在振动工作台面的底部中心位置；
为了实现多轴摇摆的模拟效果，摇摆工作台面底部安装有第二球铰座、第三球铰座、第四球铰座并通过第一球铰、第二球铰、第四球铰与第一摇摆支撑液压缸、第二摇摆支撑液压缸、第三摇摆支撑液压缸相连接；第二摇摆支撑液压缸底部与固定在地面的第一球铰座通过第三球铰连接；所述第三摇摆支撑液压缸底部与固定于地面的单自由度铰座铰接；
为了实现摇摆工作台面和振动工作台面的耦和以及避免相互的运动干涉，摇摆工作台面的中心开有一个通孔，振动液压缸穿过这个通孔与振动工作台面的底部相连接；第二球铰座、第三球铰座、第四球铰座与摇摆工作台面通过螺栓连接；所述第一球铰座和所述单自由度铰座与地面通过螺栓连接；所述第二球铰座、第三球铰座分别固定于摇摆工作台面一侧的两端，所述第四球铰座固定于摇摆工作台面上述一侧对侧的中点位置；
步骤六中的测量功能要求在轻量载荷下进行，即控制试验台产生低量级的振动和摇摆载荷，测试项目包括：试验件和夹具连接稳固可靠；试验台、夹具和测量系统功能完好；
所述步骤八中的规定载荷量级根据步骤一中的任务剖面和步骤二中的最大载荷量级综合确定，分别控制试验台对试验件施加振动载荷和摇摆载荷，使试验件最终表现出来的振动响应和摇摆响应与所确定任务剖面下的响应在误差范围内保持一致，完成等效性验证。
2.如权利要求1所述的一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，其特征在于，所述步骤一中的任务剖面分为舰船的巡航任务剖面和作战任务剖面，巡航任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的50％，振动载荷为最大载荷的100％；作战任务剖面下，摇摆载荷为最大载荷的100％，振动载荷为最大载荷的110％，按试验件实际工作环境选择任务剖面。
3.如权利要求1或2所述的一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，其特征在于，所述步骤二中的试验载荷量级包括振动、摇摆载荷量级，其中振动量级包括试验件的三向振动加速度、振动位移幅值、振动频率；摇摆量级包括摇摆角度、摇摆周期、垂荡加速度、垂荡位移、垂荡周期，根据试验件实际工作环境确定，确定的载荷视为步骤一中的最大载荷。
4.如权利要求3所述的一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，其特征在于，所述步骤三中的试验件是任意的需要进行可靠性测试的船载机电装备。
5.如权利要求4所述的一种基于多轴摇摆与振动复合试验平台的试验方法，其特征在于，所述步骤五中的传感器包括加速度传感器、位移传感器、角度传感器、角加速度传感器，传感器量程及精度根据实际需求确定；要求传感器稳定安装在试验台上，根据实际情况在试验件上安装传感器；测量振动的传感器在Z方向布置；测量摇摆的传感器在X/Y方向布置。
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