實測振動數(shù)據(jù)處理與振動加速試驗

沉 辰，張琦偉（南京蘇試廣博環(huán)境可靠性實驗室有限公司,南京 211800）

實測振動數(shù)據(jù)處理與振動加速試驗

沉 辰，張琦偉
（南京蘇試廣博環(huán)境可靠性實驗室有限公司,南京 211800）

通過例舉一組實測振動數(shù)據(jù)，并對其進行分析、處理和歸納。介紹了將實測振動數(shù)據(jù)處理成所需振動譜時的加速振動試驗的技術要點和技術方法。

實測振動數(shù)據(jù)；振動數(shù)據(jù)處理；振動加速試驗

概述

現(xiàn)實生活中存在各種各樣的振動環(huán)境。比如地震過程中地面物體會受到地震波激勵引起的振動；在各類運載工具上的設備，結(jié)構(gòu)件受到行進，發(fā)動機激勵等引起的振動；又比如石油鉆井在鉆探過程中引起的振動等等。

為了使各類運載工具上的設備，結(jié)構(gòu)件能經(jīng)受住實際使用中的振動，首先要論證其實際所需的振動設計指標，當然這種指標有的可以用標準中的規(guī)定和要求，但在許多情況下，往往無標準和規(guī)范可查，需要通過實測來解決，另外在正式使用設備和結(jié)構(gòu)件之前，還需要在實驗室用模擬試驗方法，對其環(huán)境適應性和可靠性進行考核。

1 數(shù)據(jù)處理

通過實測解決，又涉及到對實測數(shù)據(jù)的處理問題。實測數(shù)據(jù)可以處理出時域信號，也可處理出頻域信號。時域信號可用于考核要求。但要用于設計輸入就存在一定的難度。頻域信號，例如對功率譜密度頻譜（下文稱振動圖譜），可用于：

1）環(huán)境適應性設計輸入和考核要求；

2）可靠性設計和考核要求；

3）壽命設計和考核要求。

2 技術處理和加速

對實測信號按數(shù)據(jù)處理規(guī)范處理和歸納后，無論是時域信號，還是頻域信號，用做實驗室考核時，在當今的實驗室設備上不一定能完全模擬出來，例如實際環(huán)境中的低頻大位移，為此：

1）需作一定的技術處理才能實現(xiàn)實驗室的模擬；

2）用作壽命試驗將涉及到對振動量級的加速問題。

無論是技術處理還是進行加速，其要求是實驗室得出的失效機理和失效模式必須與現(xiàn)場相一致，這是一條不可違背的原則。

3 載重汽車外掛柜振動實測、分析、處理與歸納

載重汽車外掛柜內(nèi)裝冷水，通過循環(huán)用于冷卻載重汽車的剎車裝置的剎車片，為了保證其有好的環(huán)境適應性及使用可靠性，必須給它提供設計輸入和考核要求。而這種設計輸入和考核要求，有無任何標準和規(guī)范可作為依據(jù)，為此必須通過實測和數(shù)據(jù)處理和加速來進行。

本次采集數(shù)據(jù)的目的是摸清載重汽車外掛柜在各種工況下所經(jīng)受到的振動環(huán)境應力情況，為節(jié)省篇幅，本文省去了現(xiàn)場實測部分，僅對實測環(huán)境中的振動圖譜轉(zhuǎn)變成實驗室可以實現(xiàn)的振動圖譜以及對振動時間進行加速做一個舉例說明。并通過對數(shù)據(jù)的分析、處理、歸納，為載重汽車外掛柜的試驗要求提供關于振動環(huán)境適應性和按100 000 km壽命考慮的振動環(huán)境試驗的相關依據(jù)。外掛柜的設計壽命為100 000 km，按照平均時速50 km/h計算，外掛柜的設計壽命時間為2 000 h。

1）采集水冷散熱器上振動環(huán)境時傳感器布局圖（簡單示意），見圖1。

2）時域圖譜見圖2。

時域數(shù)據(jù)按照采樣頻率和時間進行分塊形成時域塊。對每個時域塊進行分別快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換成頻域信號—功率譜密度的頻譜（自功率譜圖），然后在對每個時域塊所轉(zhuǎn)變而成功率譜密度的頻譜集合起來在頻譜上求頻譜的平均值和極值包絡，再按每振動方向求出能代表該方向各工況的振動量值。圖3和圖4是求得的功率譜的平均值譜和極值包絡譜。

通常各方向各工況極值量級（總均方根值加速度）相對于平均值量級（總均方根值加速度）通常高3～5倍。本次對Z方向的極值量級（總均方根值加速度）比Z方向的平均值量級（總均方根值加速度）高24.7倍,在功率譜密度的頻譜大約高17.5倍。頻譜的離散程度很大,平均值量級在實際運行中所占的時長遠遠高于極值量級所占的時長，采用極值量級進行試驗必然要考慮振動試驗的加速問題既是增加試驗量級縮短試驗時間。

圖1 傳感器布測示意圖

圖2 時域圖譜示例

圖3 Z方向的均值功率譜密度的頻譜圖

圖4 Z方向的極值包絡功率譜密度的頻譜圖

圖5 Z方向的最終功率譜密度的頻譜圖

即，W0—規(guī)定的隨機振動量值，

W1—實際施加的隨機振動量值，

T0—規(guī)定的振動時間，

T1—實際施加的振動時間。

通過公式（1）計算而得實際施加的試驗時間為21 h 20 min。即1 h的振動試驗相當于載重車跑約4 700 km。考慮到本次實測不可包含外掛柜實際情況的全部工況，將所得功率譜密度的頻譜量值×1.2的安全系數(shù)，以保證外掛柜在本次實測中所無法遇到的工況的進行統(tǒng)計學上的包絡。最后而成的功率譜密度的頻譜如圖5所示。

如果覺得20多h的振動試驗試驗時間還是太長，可以按公式（1）再次進行加速推薦使用譜密度放大1.6倍實際試驗時間縮短6.55倍。這樣本次實驗時間可以再次縮短為3 h 15 min。

4 總結(jié)

通過舉例說明對實測振動數(shù)據(jù)處理與振動加速試驗進行了一個簡要的說明和處理過程演示，在GJB 150A中推薦使用實測數(shù)據(jù)進行試驗來達到試驗環(huán)境和真實環(huán)境保持一致，同時對于時間特別長的試驗，可以通過增大試驗量級來縮短實驗時間，來達到試驗中需要暴露的設計，工藝，早期失效等引起的缺陷，減少試驗費用提高設備的可靠性。

[1] GJB 150.16A , 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分振動試驗[S].

沉辰，畢業(yè)于蘭州理工大學，現(xiàn)任公司技術主管，從事環(huán)境可靠性試驗方面相關工作。

張琦偉，畢業(yè)與常州大學，現(xiàn)任公司工程部副部長，從事環(huán)境可靠性試驗方面相關工作。

Measured Vibration Data Processing and Vibration Acceleration Test

SHEN Chen, ZHANG Qi-wei
(Nanjing Sushi Guangbo Environmental Reliability Laboratory Co., Ltd., Nanjing 211800)

This paper gives an example a set of measured vibration data, and then it analyzes, processes, and inducts these data. In addition, it introduces the technical points and the technical methods of acceleration vibration test when the measured vibration data is processed into the required vibration spectrum.

measured vibration data; vibration data processing; acceleration vibration test

V216.5

A

1004-7204（2017）01-0017-03