洪翔

摘 要：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)提出了方案，并利用共振搜索結(jié)果，分析評(píng)價(jià)每家參與實(shí)驗(yàn)室的能力水平，找出其中的差異，達(dá)到提升實(shí)驗(yàn)室水平的目的。本文首先介紹了實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)的必要性，分析了國(guó)內(nèi)開展振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)的現(xiàn)狀，然后提出了比對(duì)方案（主要包括樣品設(shè)計(jì)、比對(duì)方法），最后按照比對(duì)方案完成一次實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)，并對(duì)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了結(jié)論。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)；振動(dòng)試驗(yàn)；共振頻率；比對(duì)樣品

中圖分類號(hào)：TN306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)是指按照預(yù)定的條件，由兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)相同或類似的比對(duì)樣品進(jìn)行監(jiān)測(cè)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)，對(duì)于識(shí)別實(shí)驗(yàn)室可能存在的系統(tǒng)偏差并制定相應(yīng)的糾正措施、實(shí)現(xiàn)質(zhì)量改進(jìn)、進(jìn)一步取得外部的信任，具有明顯的作用。

目前，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)開展較多的是溫度試驗(yàn)比對(duì)，較典型的是中國(guó)合格評(píng)定認(rèn)可委員會(huì)組織的試驗(yàn)溫度試驗(yàn)比對(duì)，其比對(duì)樣品為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室預(yù)先設(shè)置溫度值的溫控器連接氖燈，參比實(shí)驗(yàn)室接到比對(duì)樣品后，將比對(duì)樣品放入溫度試驗(yàn)箱，在溫度試驗(yàn)箱溫變過程中，溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度時(shí)，利用溫控器對(duì)溫度變化的感應(yīng)，通過溫控器的通斷，控制電路的通斷，透過氖燈的發(fā)亮和熄滅，讀出瞬間溫度試驗(yàn)箱的溫度值，該溫度值作為比對(duì)分析數(shù)據(jù)。該比對(duì)方法從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6個(gè)方面考慮了測(cè)量的不確定性，采集的測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)室水平，具有代表性。

振動(dòng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室模擬樣品實(shí)際安裝、使用環(huán)境，施加對(duì)應(yīng)振動(dòng)應(yīng)力，考核樣品在該環(huán)境下的適用性。實(shí)驗(yàn)室提供的模擬環(huán)境應(yīng)盡可能地再現(xiàn)樣品實(shí)際安裝、使用環(huán)境，并確保施加振動(dòng)應(yīng)力與試驗(yàn)條件一致，要做到這點(diǎn)就和實(shí)驗(yàn)室水平有直接關(guān)系，如何評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室水平，利用評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行改進(jìn)，提升行業(yè)水平，值得研究。振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)在國(guó)內(nèi)尚處于摸索階段，實(shí)際開展較少，其難點(diǎn)在比對(duì)樣品設(shè)計(jì)、比對(duì)方法選擇、數(shù)據(jù)采集與處理等方面，本次實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)設(shè)計(jì)是以其他試驗(yàn)比對(duì)的成熟做法為切入點(diǎn)，充分考慮振動(dòng)試驗(yàn)的特殊性而設(shè)計(jì)，具有原理清晰、可操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可靠、覆蓋面廣的特點(diǎn)，以下正文進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)基本原理

物體的固有頻率與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)（如質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等），每個(gè)物體都會(huì)有固有頻率甚至多階固有頻率，當(dāng)外界施加振動(dòng)傳遞到該物體時(shí)，外界傳遞過來的振動(dòng)頻率與物體固有頻率相同或非常相近時(shí)，該物體會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)加劇，此時(shí)，該頻率為共振頻率。理論上講，如果每家實(shí)驗(yàn)室比對(duì)樣品和試驗(yàn)方法一致，在做正弦掃頻時(shí)，當(dāng)施加正弦掃頻頻率與比對(duì)樣品固有頻率重合時(shí)，會(huì)激發(fā)相同頻率的共振峰值，若該頻率出現(xiàn)較大偏差，則為實(shí)驗(yàn)室各方面因素造成，需分析改進(jìn)，因此，利用共振法監(jiān)測(cè)的共振頻率作為比對(duì)分析數(shù)據(jù)，來評(píng)價(jià)每家實(shí)驗(yàn)室的能力是可行的。

2.比對(duì)組織

比對(duì)組織由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和參比實(shí)驗(yàn)室組成。

主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室由行業(yè)內(nèi)頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任，全面負(fù)責(zé)組織實(shí)施實(shí)驗(yàn)室比對(duì)工作，主要職責(zé)如下：（1）負(fù)責(zé)與參比實(shí)驗(yàn)室共同完成試驗(yàn)方法制定；（2）比對(duì)樣品制作與發(fā)放；（3）邀請(qǐng)參比實(shí)驗(yàn)室；（4）數(shù)據(jù)匯總分析給出結(jié)論；（5）與參比實(shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)、溝通等。

參比實(shí)驗(yàn)室為行業(yè)內(nèi)具有代表性的軍用或民用實(shí)驗(yàn)室，主要職責(zé)如下：（1）負(fù)責(zé)接收比對(duì)樣品，按主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室給出的比對(duì)試驗(yàn)條件開展試驗(yàn)；（2）出具比對(duì)試驗(yàn)報(bào)告，給出比對(duì)數(shù)據(jù)；（3）比對(duì)結(jié)果出現(xiàn)的不滿意進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于比對(duì)中出現(xiàn)的分歧應(yīng)由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織相關(guān)方與權(quán)威學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、同行專家共同協(xié)商，裁定。

本次實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)比對(duì)由中航工業(yè)成都凱天質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司、中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所等7家實(shí)驗(yàn)室參與，中航工業(yè)成都凱天質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司擔(dān)任主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，其余6家實(shí)驗(yàn)室為參比實(shí)驗(yàn)室（正文中以A、B、C、D、E、F、G代替實(shí)驗(yàn)室名稱）。

3.比對(duì)路徑

根據(jù)樣品穩(wěn)定性的好壞，比對(duì)的線路可選擇圓環(huán)式、星形式、花瓣式（圖1～圖3）。在參加實(shí)驗(yàn)室不多，傳遞標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、便于搬運(yùn)、穩(wěn)定性非常好的情況下，適用圓環(huán)式比對(duì)；星形式適用于多套傳遞標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行，比對(duì)周期短，即便一套傳遞標(biāo)準(zhǔn)損壞也只影響一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)數(shù)據(jù)；花瓣式可將無(wú)效比對(duì)控制在比對(duì)過程的某一中間環(huán)節(jié)。

其中A代表主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，B、C、D、E、F、G代表參比實(shí)驗(yàn)室

為確保振動(dòng)量值傳遞在不同實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，振動(dòng)比對(duì)樣品設(shè)計(jì)必須很穩(wěn)定，因此振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)路徑可采用圓環(huán)式，如圖1所示。確定比對(duì)路徑后，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室預(yù)先進(jìn)行一次全過程試驗(yàn)，然后按比對(duì)路徑將比對(duì)樣品、試驗(yàn)條件傳遞給下家實(shí)驗(yàn)室，直到每家參比實(shí)驗(yàn)室完成比對(duì)試驗(yàn)，再傳回主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。

4.比對(duì)樣品設(shè)計(jì)

比對(duì)樣品設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)比對(duì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，比對(duì)樣品起到被激發(fā)固有頻率和共振點(diǎn)量值傳遞的作用，其設(shè)計(jì)的好壞將對(duì)比對(duì)結(jié)果產(chǎn)生直接影響，此外，還應(yīng)確保發(fā)放到各家實(shí)驗(yàn)室比對(duì)樣品特性保持一致，因此，比對(duì)樣品的設(shè)計(jì)要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）復(fù)雜樣品中各個(gè)自由度分量固有頻率互相影響，可能會(huì)對(duì)比對(duì)結(jié)果造成影響，因此振動(dòng)比對(duì)樣品結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定、可靠；

（2）比對(duì)樣品設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)三要素（質(zhì)量m、剛度k、阻尼c），三要素決定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，由固有頻率，可知固有頻率的大小與比對(duì)樣品的剛度k和質(zhì)量m有關(guān)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，為覆蓋大部分實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍，比對(duì)樣品應(yīng)在2000Hz以內(nèi)能夠測(cè)出共振頻率，可通過改變比對(duì)樣品剛度來改變共振頻率。

（3）為確保試驗(yàn)臺(tái)量值準(zhǔn)確傳遞到比對(duì)樣品，采集數(shù)據(jù)更合理，應(yīng)盡可能減少比對(duì)樣品與試驗(yàn)臺(tái)之間轉(zhuǎn)接，比對(duì)樣品考慮與試驗(yàn)臺(tái)通過足夠數(shù)量螺栓直接連接緊固。

（4）比對(duì)樣品表面有能緊固安裝傳感器的位置，確?？刂苽鞲衅?、監(jiān)測(cè)傳感器連接可靠。

基于上述考慮，設(shè)計(jì)如圖4所示的比對(duì)樣品，比對(duì)樣品為一個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)件與底座整體連接。

5.比對(duì)方法

5.1 比對(duì)樣品的安裝

為減小振動(dòng)臺(tái)與比對(duì)樣品之間的過渡工裝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，考慮實(shí)驗(yàn)室之間安裝的一致性，比對(duì)樣品為一個(gè)穩(wěn)定、可靠的“T”型結(jié)構(gòu)件連接底座的整體，可直接將比對(duì)樣品通過螺栓剛性連接在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上，螺栓緊固時(shí)使用力矩扳手，預(yù)緊力45N·m。比對(duì)樣品按圖4安裝軸向和安裝方式直接安裝于振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈中心，重心與振動(dòng)臺(tái)的軸線相重合。

5.2 傳感器的安裝

監(jiān)測(cè)傳感器選用質(zhì)量較輕的小型傳感器，質(zhì)量越小的傳感器對(duì)對(duì)比對(duì)樣品共振搜索的影響就越小，搜索出的共振點(diǎn)越接近真實(shí)共振點(diǎn)，振動(dòng)控制采用加權(quán)平均控制策略，兩個(gè)控制傳感器安裝在比對(duì)樣品底座上，靠近緊固螺栓，并以支柱為中心對(duì)稱安裝，安裝在“T”型比對(duì)樣品懸臂遠(yuǎn)端。傳感器安裝位置如圖4所示。

5.3 試驗(yàn)應(yīng)力施加

參與實(shí)驗(yàn)室按圖5設(shè)置正弦掃頻試驗(yàn)譜，采用對(duì)數(shù)掃頻，分析譜線數(shù)設(shè)置2048，掃頻范圍5Hz～2000Hz，起始頻率5Hz，掃頻速率0.50ct/min，壓縮因子設(shè)置40，掃頻次數(shù)為上下各掃頻1次。

5.4 數(shù)據(jù)記錄

參與實(shí)驗(yàn)室記錄監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)得峰值加速度及其對(duì)應(yīng)的共振頻率，并將測(cè)量結(jié)果反饋給主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)圖譜如圖6所示，從測(cè)量結(jié)果可以看出，比對(duì)樣品在2000Hz范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別是頻率為472.44Hz加速度達(dá)到24.4g，頻率為1550.38Hz加速度達(dá)到509.27g，這2個(gè)頻率點(diǎn)反映了比對(duì)樣品的1階、2階固有頻率，我們選取共振更為明顯的2階固有頻率作為比對(duì)分析數(shù)據(jù)。

6.比對(duì)數(shù)據(jù)處理

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)，由于比對(duì)樣品固有頻率未知，且影響測(cè)量結(jié)果的因素較多，比對(duì)樣品的參考值有可能出現(xiàn)離群值，因此不宜采用平均值作為參考值，而中位值不受較大、較小離群值的影響，因此采用中位值作為參考值，采用中位值確定參考值時(shí)，用Z比分?jǐn)?shù)進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)與分析。

6.1 Z比分?jǐn)?shù)法

穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)是基于測(cè)量結(jié)果服從正態(tài)或近似正態(tài)分布的假設(shè)，正態(tài)分布是一個(gè)連續(xù)的、對(duì)稱的“鐘形”曲線，如圖7所示。

Z即相當(dāng)于圖中的σ。Z=1，有68.3%的值處于平均值（中位值）1倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍內(nèi)；Z=2，有95.5%的值處于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍內(nèi)；Z=3有99.7%的值處于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍內(nèi)。本次比對(duì)以Z比分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)每個(gè)參加實(shí)驗(yàn)室的能力，即：|Z|≤2為滿意結(jié)果；2<|Z|<3為存疑結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)查找原因采取相應(yīng)的預(yù)防措施；|Z|≥3為不滿意結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)查找原因采取相應(yīng)的糾正措施。

Z比分?jǐn)?shù)定義為：

式中：x—參加實(shí)驗(yàn)室比對(duì)樣品的測(cè)量結(jié)果。

中位值—測(cè)量結(jié)果按大小排序后，分成相等4等分，Q2所在位置對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項(xiàng)數(shù)。

NIQR—標(biāo)準(zhǔn)四分位數(shù)間距：

NIQR=0.7413×IQR=0.7413×（Q3-Q1）

式中：

IQR—高四分位數(shù)和低四分位數(shù)的差。

Q3—高四分位數(shù)，測(cè)量結(jié)果按大小排序后，分成相等4等分，Q3所在位置對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項(xiàng)數(shù)。

Q1—低四分位數(shù)，測(cè)量結(jié)果按大小排序后，分成相等4等分，Q1所在位置對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果，Qi=i（n+1）/4，i=1、2、3，n表示項(xiàng)數(shù)。

6.2 數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)，由A實(shí)驗(yàn)室發(fā)起，B、C、D、E、F、G6家實(shí)驗(yàn)室參加，分別按比對(duì)方法完成試驗(yàn)后，得到7家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，見表1。

從表3可以看出，E實(shí)驗(yàn)室|Z|>2，結(jié)果為不滿意，其余實(shí)驗(yàn)室|Z|≤2，結(jié)果為滿意，E實(shí)驗(yàn)室應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的隨機(jī)因素和與其他實(shí)驗(yàn)室之間存在的系統(tǒng)差異尋找原因，進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)實(shí)驗(yàn)室間振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)做了詳細(xì)分析與闡述，從方法選擇、人員操作、試驗(yàn)設(shè)備、結(jié)果分析等方面充分考慮了實(shí)驗(yàn)室之間的差異，提出了創(chuàng)新的比對(duì)方案，并用案例進(jìn)行了驗(yàn)證，說明利用正弦共振頻率搜索的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)，是一種可行、有效的手段。筆者希望此文能為廣大同行開展振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)提供參考依據(jù)，促進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)比對(duì)的開展，達(dá)到提升實(shí)驗(yàn)室水平的目的。

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