CN115077827A - 一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法 - Google Patents

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CN115077827A CN202210624869.8A CN202210624869A CN115077827A CN 115077827 A CN115077827 A CN 115077827A CN 202210624869 A CN202210624869 A CN 202210624869A CN 115077827 A CN115077827 A CN 115077827A
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李乾
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邱静
程先哲
张勇
刘瑛
郭斯琳
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Abstract

一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，包括以下步骤：第一步，选择合适的标准振动谱；第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率；第三步，基于振动功率守恒原则对标准振动谱进行剪裁，得到剪裁后的振动试验谱：先计算标准振动谱的总功率P，然后除以间歇故障特征频率的带宽B，得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值。本发明通过对标准振动谱的剪裁得到电连接器间歇故障的振动试验谱，基于间歇故障特征频率进行剪裁，删除了无关的振动频段，增大了间歇故障特征频率的强度，有利于快速复现间歇故障。

Description

一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法
技术领域
本发明涉及振动试验谱的设计方法，具体是涉及一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法。
背景技术
电连接器是电子设备中的基本构成元部件，起到传递各种电信号作用。在设备使用过程中，受到插拔、扭转、外界振动、盐雾腐蚀等作用，电连接器的插针和插孔由于磨损出现松动、焊接点出现虚焊、断裂等现象，致使设备出现突发性的数据中断、错误、死机等现象，这种现象称为间歇故障。
间歇故障一般在设备运行过程中间歇性发生，它的发生规律与环境应力，尤其是振动或冲击应力高度相关，具有较强的随机性和不确定性。当把设备运回维修厂进行维修，首要工作是确认设备中是否存在间歇故障，这项工作被称为故障复现。要复现间歇故障，需要构建间歇故障复现试验系统，除了必备的检测仪器，还要准备各种环境模拟设备，尤其是可模拟设备服役振动或冲击环境的激振设备。间歇故障的复现试验应遵循以下原则：(1)故障一致原则，即要求仅激发出在服役中出现过的间歇故障，不能出现新的间歇故障或永久故障；(2)最小代价原则，即要求在满足证实间歇故障存在或分析所需样本量的前提下，尽量缩减试验周期；(3)最小附带损伤原则，即要求在满足激发目的的同时，使附加损伤尽量小。间歇故障复现方法分为基于振动试验和基于冲击试验两类。
目前基于冲击试验的间歇故障复现方法鲜有研究，基于振动试验的间歇故障复现方面，文献(李乾，电连接器间歇故障复现与评估关键技术研究[D]，国防科技大学博士学位论文，2018：43-60)提出了一种基于振动试验的间歇故障复现方法，主要过程如下：首先设计应振动试验谱，再将振动试验谱输入激振设备，由其产生规定的谱形、量级和顺序的振动应力，振动应力通过激振设备上的平台、夹具传递至被测电连接器，再由与电连接器相连的监测仪器记录下间歇故障数据，供研究人员分析和研究。
设计振动试验谱是复现间歇故障的重要步骤，决定了能否快速地激发出间歇故障。可采用以下三种方法设计激发间歇故障的振动试验谱：(1)选用标准谱法，即直接从已有的国家军队以及行业标准中筛选适合受试设备的振动试验谱(如GJB899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》、GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法，第16部分：振动试验》中提供的振动试验谱)，这种方法节省了设计振动试验谱所需的各种成本，能够尽快开展间歇故障复现试验，但是这些标准试验谱是大量统计服役环境数据，归纳总结出来的一般性试验谱，并非专门用于激发电连接器间歇故障，难以激发出间歇故障，或者需要耗费较长的时间才能激发出间歇故障，造成较高的试验成本，而且长时间激振有可能增加新的器件损伤，导致后面激发出的并非原有的间歇故障；(2)编制试验谱法，即基于通用的试验谱编制方法(如GJB/Z126-99《振动、冲击环境测试数据归纳方法》中给定的容差上限法等)，针对受试设备电连接器编制振动试验谱，这种方法得到的试验谱相比于标准谱可以更快地在试验中激发出间歇故障，激发效果也更好，但在试验前期需要大量收集受试设备服役中的振动环境数据，尤其要详细记录在发生间歇故障时刻的振动数据，基于这些实测数据，应用标准方法编制试验用的振动谱，前期准备工作比较耗时耗力；(3)剪裁标准谱法，即先选择合适标准试验谱，然后对标准谱进行适当剪裁(如从标准谱中剪辑出适合的频段，或者修改标准谱的幅值)从而得到激发间歇故障的试验谱，该方法是对前两种方法的折中。
综合起来看，第三种方法得到的试验谱优于标准试验谱，且前期不用耗费大量的时间去收集装备实测数据来编制试验谱，是现阶段开展间歇故障复现试验的最佳选择方案。问题在于如何实施剪裁，文献(王肇喜，蒋刚，王小卫.基于疲劳损伤等效的随机振动试验谱裁剪技术研究[C].第十二届全国振动理论及应用学术会议论文集,2017)提供了一种基于有限元仿真的试验谱剪裁方法，其目的是减小单轴振动标准谱的幅值(不改频率范围)得到三轴振动试验谱，但是目前尚无针对电连接器间歇故障的仿真模型和方法。文献(康甜，李春丽，蒋华兵.模拟公路运输的随机振动试验谱及调整方法研究[J].航天器环境工程，2015,32(5)：532-536)提供了一种针对公路运输试验谱的包络谱形调整方法，其采用一种车速比例函数来调整试验谱的包络。但是这些方法并非针对电连接器，尤其是复现电连接器间歇故障。
如何对标准谱进行剪裁，以尽快复现电连接器间歇故障，是本领域技术研究人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，该方法通过对标准振动谱的剪裁得到电连接器间歇故障的振动试验谱，基于间歇故障特征频率进行剪裁，即通过寻找间歇故障特征频率将标准振动谱缩小到较窄的频段，再基于振动功率守恒原则计算间歇故障特征频率的加速度功率谱密度值进而得到剪裁后的振动试验谱，在复现间歇故障过程中，删除了无关的振动频段，增大了间歇故障特征频率的强度，有利于快速复现间歇故障。
本发明申请人研究发现，标准振动谱涉及的频率范围较广，然而电连接器仅在有限的频段内容易发生间歇故障，这些频率称为间歇故障特征频率，其原因是在这些频率段内可能引发电连接器共振，使电连接器的插针与插孔发生较大的相对位移，进而导致接触电阻发生显著增大，最终发生间歇故障。据此，可以先设法找到电连接器间歇故障特征频率，再依据这些间歇故障特征频率对标准谱进行剪裁。但问题在于如何找到电连接器的间歇故障特征频率，以及如何对标准振动谱进行剪裁。
针对如何获取间歇故障特征频率的问题，有三种方法可供选择：(1)动力学模型计算法，即建立电连接器的动力学模型，然后模拟电连接器在发生间歇故障时的振动特性，通过仿真计算得到它的间歇故障特征频率，文献(凌三强.电连接器接触件插拔特性数值计算与实验研究[D],哈尔滨工业大学硕士学位论文，2017)建立了电连接器动力学模型，分析了接触部位的接触压力随插拔次数的变化规律，但并未分析接触压力变化后是否产生间歇故障，以及此时电连接器的振动特征频率，且此法极大依赖于模型的准确性，可能存在较大误差；(2)实测数据统计分析法，即收集电子设备在服役过程发生间歇故障时的振动数据，进行统计分析，确定其特征频率，文献(李继世,张大义,黄爱萍等.航空发动机外部附件振动试验载荷谱编制[J],航空发动机，2021,47(6):53-59)研究了航空发动机外部附件振动试验载荷谱中的间歇振动，但这是实测环境中的周期成分，并非是与故障相关的特征频率，此法准确性高于仿真法，与前面论及的基于实测数据编制试验谱的方法相似，耗时耗力；(3)故障注入试验分析法，即在同型号的完好电连接器中采取人工方式(即人工加速器件损耗，而非自然耗损)注入间歇故障，然后上振动试验台做振动试验，找出其特征频率，目前对电连接器注入间歇故障的方法包括改变接插部位的预紧力(如通过频繁插拔或用锉刀挫的方式磨损插针插孔，拧松紧固件)或减少焊接部位的焊锡，使其产生接触不良，对于如何开展试验和分析尚无相关文献，此法是前两种方法的折中，本发明采取该方法。
针对如何对标准振动谱进行剪裁的问题，采取恒等功率的原则进行剪裁，即先从标准谱中裁出间歇故障特征频率，然后在保证振动功率不变的前提下，提高裁出频段的幅度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，包括以下步骤：
第一步，选择合适的标准振动谱；
第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率；
第三步，基于振动功率守恒原则对标准振动谱进行剪裁，得到剪裁后的振动试验谱：先计算标准振动谱的总功率P，然后除以间歇故障特征频率的带宽B，得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值。
进一步，第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率；具体方法如下：
步骤2.1，构建振动试验系统：振动试验系统包括振动台和检测单元，受试电连接器固定于振动台上，检测单元包括电流源模块和信号采集模块，电流源模块与受试电连接器连接，受试电连接器与信号采集模块连接；
步骤2.2，选取一批同型号的完好电连接器注入间歇故障，作为受试电连接器；
步骤2.3，将受试电连接器安装在振动试验系统上，受试电连接器插拔方向与振动方向垂直；
步骤2.4，向振动试验系统输入第一步中选择的标准振动谱，将标准振动谱从低向高分成多个频段，然后依次进行振动试验，记录各频段电连接器出现故障次数；
步骤2.5，当一个受试电连接器完成上述试验后，更换下一个受试电连接器，重复步骤2.3、2.4，直到对全部的受试电连接器均实施振动试验；
步骤2.6，试验数据分析与特征提取：统计每个频段中捕捉到的间歇故障次数，将统计间歇故障次数最多的频段作为间歇故障特征频率；
步骤2.7，若各频段捕捉到的间歇故障均为0次，则返回步骤2.2，对受试电连接器进一步注入间歇故障，然后重复步骤2.3、2.4，直到捕捉到间歇故障，然后重复步骤2.6，得到间歇故障特征频率。
进一步，步骤2.3中，按照四线检测法将检测单元与受试电连接器连接，具体连接方法如下：通过线缆A、B将电流源模块和受试电连接器连接，线缆A、B的一端分别连接电流源模块，线缆A、B的另一端分别连接受试电连接器；通过线缆C、D将信号采集模块和受试电连接器连接，线缆C、D的一端分别连接信号采集模块，线缆C、D的另一端分别连接受试电连接器。
进一步，步骤2.4中，检测单元对间歇故障进行检测：通过信号采集模块捕捉受试电连接器端电压信号，当信号采集模块捕捉到的受试电连接器端电压出现一个向上的跳变，截取跳变电压幅值超过bV0伏的一段连续信号，统计这段信号的持续时长τ，若时长τ超过预设的门限值T，则判断信号采集模块捕捉到这次间歇故障，记录检测单元捕捉到间歇故障的频段和间歇故障的次数，V0是受试电连接器处于静置状态下测量到的电压峰值，b为系数。
进一步，步骤2.4中，系数b设置为5.0～10.0。
进一步，步骤2.4中，预设的门限值T为50～1000纳秒。
进一步，步骤2.4中，振动试验采用扫频振动试验或随机振动试验。
进一步，第三步中，计算得到标准振动谱的总功率为：
Figure BDA0003676635940000081
其中，W(f)为标准振动谱所对应的加速度谱密度函数，其中f表示频率，fl、ft表示标准振动谱中的最低频率和最高频率；
得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值为：
Figure BDA0003676635940000082
其中，fm～fn为间歇故障特征频率范围。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明给出了用于复现电连接器间歇故障的振动试验谱的设计方法，尤其是基于标准振动谱剪裁的方法，相比于其他两种试验谱的编制方法，该方法消耗的时间较少，且复现效果较好。
(2)本发明给出的振动试验谱剪裁方法，是基于间歇故障特征频率的剪裁方法，即通过寻找间歇故障特征频率将标准振动谱缩小到较窄的频段，再基于振动功率守恒原则计算间歇故障特征频率的加速度功率谱密度值进而得到剪裁后的振动试验谱，在复现间歇故障过程中，删除了无关的振动频段，增大了间歇故障特征频率的强度，有利于快速复现间歇故障。
(3)本发明采取了故障注入的方式获得电连接器间歇故障特征频率，该方法相比于其他两种方式消耗时间较少，且所得到间歇故障特征频率较准确。
附图说明
图1是GJB899中提供的标准振动谱。
图2是GJB150中提供的标准振动谱。
图3是本发明实施例间歇故障复现振动试验谱的设计步骤。
图4是图3所示实施例的振动试验系统。
图5是图3所示实施例的基于间歇故障特征频率的振动试验谱剪裁示例。
图中，1—恒流源，2—受试电连接器，3—示波器，4—夹具，5—振动台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图3，本实施例方法包括以下步骤：
第一步，选择合适的标准振动谱。参照图1、图2，可选择GJB899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》或GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法，第16部分：振动试验》中提供的飞机的振动试验谱中的标准振动谱。本实施例中选择GJB899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》提供的飞机的振动试验谱中的标准振动谱。
第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率。具体步骤如下：
步骤2.1，构建振动试验系统。参照图4，该系统主要由振动台5和检测单元构成。振动台5可以采用标准化的振动试验台，使用夹具4将受试电连接器2固定于振动台5上，检测单元包括电流源模块、信号采集模块和四根线缆(记为A、B、C、D)，电流源模块与受试电连接器2连接，受试电连接器2与信号采集模块连接，信号采集模块可采用示波器3，电流源模块为恒流源1；通过软件设置试验条件对其开展振动试验。
步骤2.2，选取一批(如2-10个)同型号的完好电连接器注入间歇故障，作为受试电连接器2，选取如下方法之一注入间歇故障：(1)采用拧松螺丝的方法对电连接器注入不同程度的间歇故障(Junyou Shi,Qingjie He,Zili Wang.An LSTM-based severityevaluation method for intermittent open faults of an electrical connectorunder a shock test[J].Measurement 173(2021)108653)；(2)采用插拔退化的方法对电连接器注入不同程度的间歇故障(凌三强.电连接器接触件插拔特性数值计算与实验研究[D]，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2017)；(3)采用微动磨损退化的方法对电连接器注入不同程度的间歇故障(贺占平.电接触故障中的微动因素影响与方法研究[D]，北京邮电大学博士学位论文，2008)。间歇故障的演化程度不影响其特征频率，所以为了尽快激发出间歇故障，建议将注入中后期的间歇故障，也就是在不形成永久故障的前提下，尽量加大连接部位的磨损程度。本实施例中选取拧松螺丝的方法对电连接器注入不同程度的间歇故障。
步骤2.3，将受试电连接器2安装在振动试验系统上。先按GJB1217A-2009《电连接器试验方法》中规定的安装要求将注入故障的受试电连接器2固定在振动台5上，为了避免振动试验造成受试电连接器2产生新的磨损进而影响试验结果，将受试电连接器2插拔方向与振动方向垂直安装(若受试电连接器2插拔方向与振动方向平行安装，则在振动中受试电连接器2接触部位会产生来回摩擦，进而造成新的磨损)；再将受试电连接器2按照四线检测法与检测单元连接，参照图4，连接方法如下：通过线缆A、B将恒流源1和受试电连接器2连接，线缆A、B的一端分别连接恒流源1，线缆A、B的另一端分别连接受试电连接器2；通过线缆C、D将示波器3和受试电连接器2连接，线缆C、D的一端分别连接示波器3，线缆C、D的另一端分别连接受试电连接器2。
步骤2.4，向振动试验系统输入第一步中选择的标准振动谱，将标准振动谱从低向高分成四个频段，也可以分得更细一些，便于更精确地获得间歇故障特征频率，然后依次进行振动试验，振动试验采用扫频振动试验或随机振动试验，记录各频段电连接器出现故障次数。检测单元对间歇故障的检测方法如下：由电流源产生恒定电流信号，例如产生1A的电流，通过信号采集模块捕捉受试电连接器2端电压信号，当受试电连接器2的接插头发生短暂位移导致接触电阻发生跳变，示波器3中捕捉到的受试电连接器2端电压出现一个向上的跳变，为了排除噪声信号的干扰，截取跳变电压幅值超过bV0伏(V0是受试电连接器2处于静置状态下测量到的电压峰值，即噪声信号幅值；b为系数，b可设置为5.0～10.0)的一段连续信号，统计这段信号的持续时长τ，若时长τ超过预设的门限值T(如50-1000纳秒)，则判断示波器3捕捉到这次间歇故障，记录检测单元捕捉到间歇故障的频段和间歇故障的次数。
步骤2.5，当一个受试电连接器2完成上述试验后，更换下一个受试电连接器2，重复步骤2.3、2.4，直到对全部的受试电连接器2均实施振动试验。
步骤2.6，试验数据分析与特征提取。统计每个频段中捕捉到的间歇故障次数，将统计间歇故障次数最多的频段作为间歇故障特征频率。
步骤2.7，若各频段捕捉到的间歇故障均为0次，则返回步骤2.2，对受试电连接器2进一步注入间歇故障，然后重复步骤2.3、2.4，直到捕捉到间歇故障，然后重复步骤2.6，得到间歇故障特征频率。
第三步，基于振动功率守恒原则对标准振动谱进行剪裁，得到剪裁后的振动试验谱。方法如下：先计算标准振动谱的总功率P，即标准振动谱的谱线与横坐标闭合区间的面积，然后除以间歇故障特征频率的带宽B，得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值。
图5是基于间歇故障特征频率的振动试验谱剪裁示例，其中，f1、f2、f3、f4、f5为标准振动谱中从小到大排列的频率，W1为频率f1、f2下对应的加速度功率谱密度值，W2为频率f5下对应的加速度功率谱密度值，W0为频率f3、f4下对应的加速度功率谱密度值。计算得到标准振动谱的总功率为：
Figure BDA0003676635940000121
其中，W(f)为标准振动谱所对应的加速度谱密度函数，其中f表示频率，fl、ft表示标准振动谱中的最低频率和最高频率，图5中，即fl＝f1，ft＝f5。
于是得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值为：
Figure BDA0003676635940000131
其中，fm～fn为间歇故障特征频率范围。
本发明通过对标准振动谱的剪裁得到电连接器间歇故障的振动试验谱，基于间歇故障特征频率进行剪裁，即通过寻找间歇故障特征频率将标准振动谱缩小到较窄的频段，再基于振动功率守恒原则计算间歇故障特征频率的加速度功率谱密度值进而得到剪裁后的振动试验谱，在复现间歇故障过程中，删除了无关的振动频段，增大了间歇故障特征频率的强度，有利于快速复现间歇故障。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，选择合适的标准振动谱；
第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率；
第三步，基于振动功率守恒原则对标准振动谱进行剪裁，得到剪裁后的振动试验谱：先计算标准振动谱的总功率P，然后除以间歇故障特征频率的带宽B，得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值。
2.如权利要求1所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：第二步，对同型号完好电连接器开展间歇故障注入试验，获取间歇故障特征频率；具体方法如下：
步骤2.1，构建振动试验系统：振动试验系统包括振动台和检测单元，受试电连接器固定于振动台上，检测单元包括电流源模块和信号采集模块，电流源模块与受试电连接器连接，受试电连接器与信号采集模块连接；
步骤2.2，选取一批同型号的完好电连接器注入间歇故障，作为受试电连接器；
步骤2.3，将受试电连接器安装在振动试验系统上，受试电连接器插拔方向与振动方向垂直；
步骤2.4，向振动试验系统输入第一步中选择的标准振动谱，将标准振动谱从低向高分成多个频段，然后依次进行振动试验，记录各频段电连接器出现故障次数；
步骤2.5，当一个受试电连接器完成上述试验后，更换下一个受试电连接器，重复步骤2.3、2.4，直到对全部的受试电连接器均实施振动试验；
步骤2.6，试验数据分析与特征提取：统计每个频段中捕捉到的间歇故障次数，将统计间歇故障次数最多的频段作为间歇故障特征频率；
步骤2.7，若各频段捕捉到的间歇故障均为0次，则返回步骤2.2，对受试电连接器进一步注入间歇故障，然后重复步骤2.3、2.4，直到捕捉到间歇故障，然后重复步骤2.6，得到间歇故障特征频率。
3.如权利要求1所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：步骤2.3中，按照四线检测法将检测单元与受试电连接器连接，具体连接方法如下：通过线缆A、B将电流源模块和受试电连接器连接，线缆A、B的一端分别连接电流源模块，线缆A、B的另一端分别连接受试电连接器；通过线缆C、D将信号采集模块和受试电连接器连接，线缆C、D的一端分别连接信号采集模块，线缆C、D的另一端分别连接受试电连接器。
4.如权利要求1所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：步骤2.4中，检测单元对间歇故障进行检测：通过信号采集模块捕捉受试电连接器端电压信号，当信号采集模块捕捉到的受试电连接器端电压出现一个向上的跳变，截取跳变电压幅值超过bV0伏的一段连续信号，统计这段信号的持续时长τ，若时长τ超过预设的门限值T，则判断信号采集模块捕捉到这次间歇故障，记录检测单元捕捉到间歇故障的频段和间歇故障的次数，V0是受试电连接器处于静置状态下测量到的电压峰值，b为系数。
5.如权利要求4所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：步骤2.4中，系数b设置为5.0～10.0。
6.如权利要求4所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：步骤2.4中，预设的门限值T为50～1000纳秒。
7.如权利要求4所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：步骤2.4中，振动试验采用扫频振动试验或随机振动试验。
8.如权利要求1所述的复现电连接器间歇故障的振动试验谱设计方法，其特征在于：第三步中，计算得到标准振动谱的总功率为：
Figure FDA0003676635930000031
其中，W(f)为标准振动谱所对应的加速度谱密度函数，其中f表示频率，fl、ft表示标准振动谱中的最低频率和最高频率；
得到该间歇故障特征频率下振动试验谱的加速度功率谱密度值为：
Figure FDA0003676635930000032
其中，fm～fn为间歇故障特征频率范围。
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