某机柜低频传递函数异常的故障复现及质量改进

李晓强，黄波，吴豪

（中国船舶重工集团第七二二研究所，武汉 430079）

引言

国内质量问题归零的要求是1996年由航天工业总公司通过将几十年科研生产工作中遇到的质量问题总结而来，其中管理问题的五点要求是“过程清楚、责任明确、措施落实、严肃处理、完善规章”,技术问题的五点要求是“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”[1]。产品的最终质量表征实质上是一系列质量特性和质量管理活动在质量链各环节中传递、积累和相互作用的整体效应[2]。问题复现作为归零的手段，主要用于验证定位的准确性和机理分析的正确性。

本文通过分析某机柜在振动过程中低频传递函数数据异常的现象，着眼于故障归零活动中试验技术部门涉及到的故障复现以及质量改进，为产品的设计部门提供试验角度的分析和归纳。

1 过程质量管控中故障复现的背景及意义分析

随着国防建设的大力发展，对于电子设备的要求也愈来愈严苛。在ISO 9000标准中，对质量的定义为质量是一组固有特性满足要求的程度。质量问题归零的责任主体一般是总体设计单位，试验检测部门在质量问题归零的过程中参与度不足。随着各行各业的迅猛发展，这一弊病逐渐显露，例如在振动试验中，产品的研发设计部门一般设计的着重点在于电子产品的静态性能（结构件的强度和部件间的连接强度），容易忽略动态性能，仅把环境试验作为一种考核验证的手段。在质量归零的过程中，尤其是故障复现阶段，试验检测部门的参与，不仅有利于分析归纳不同试验应力施加对产品造成的影响，而且有助于更快的定位故障模式，为故障复现提供帮助。

为了评价产品在服役过程中的抗振能力，要通过振动试验模拟实际环境对电子设备进行考核，在对电子设备的抗振性研究中，试验数据起到了主导作用，有助于研究电子设备的结构特性和所处的力学环境，从而优化模拟实际工作环境的试验方案。尤其是振动试验的传递函数数据对于我所装备生产部减震器的设计研发生产、结构专业室电子设备结构的设计优化和改进以及各个相关专业室的电子器件的结构分析都有着极其重要的作用。试验数据的准确性不仅可以有效的分析产品的结构特性，更快的定位产品的薄弱环节和提高产品的质量，也有利于降低研发成本和相关试验成本。

2 故障复现

2.1 故障复现的管理要求和技术要求

为确保定位准确和机理清楚，原则上都应进行复现试验。在发生质量问题时，在不影响设备和人员安全的情况下，应保护好现场并做好现场记录，除非故障会危及受试样机安全或样机已无法工作方可切断故障样机电源外，一般应让其以当前试验应力继续试验以便对故障进行观察，获得更多的故障信息。质量问题归零的责任主体应针对质量问题的具体现象和部位及时组织相应技术领域的人员进行现场确认,必要时应由认定机构提供鉴定结果作为旁证。

试验检测部门在故障复现的过程中需要记录相关信息。故障设备的详细信息、故障现象、故障日期和时刻、发现时机、前次监测时机、故障时所处环境应力（温度、湿度、电压、振动应力、电磁环境等）。复现试验为质量考核提供试验环境，它分为四个过程：试验条件、试验设备、试验技术和试验判据[3]。其中试验判据由委托方的输入文件即试验大纲规定，在故障发生时应首先检查试验条件设置与试验大纲的要求的一致性，其次试验设备由试验室的质量体系决定，试验检测部门应对试验过程中所使用的仪器仪表及试验设备进行质量确认，检查计量有效性。试验技术特别是试验过程中的“放”、“测”、“控”的决定因素是环境试验工程师（人），故障复现应保证试验技术的可复现性。

此外环境条件对质量指标的影响非常大，以前产品设计时认为质量是产品的固有特性，影响因素主要是设计理念、制造水平和工艺质量。但是经过数据统计，由于性能试验和作战试验所处的环境条件有很大的差别，从而表现出不同的质量指标[4]。

2.2 现象描述

进行某型电子机柜的振动试验时，发现低频数据异常，在振动台的起始频率1 Hz放大18.78倍，见图1，但经试验人员现场检查振动状态，并无明显共振现象，因此判定该数据不计入共振频率。假如未能有效分析和判断这一现象，仅通过测试得到的数据进行试验，极有可能发生欠试验，导致共振点选择失误而在低于规定的量级进行了试验，没有达到振动试验的考核效果，无法暴露产品的薄弱环节，给产品的质量验证带来隐患。此外错误的共振频率也会影响设计人员对机柜结构设计参数的确定和减震器的选型。因此必须对这一现象进行故障复现和质量改进。

图1 传递函数低频数据异常示意图

2.3 故障诊断

首先通过试验技术中的“放”、“测”、“控”三个方面进行诊断检查。

“控”，即排除振动台本身控制输出对测试造成的影响。通过振动台空载运行白噪声程序，检查台体的自相关性。由图2可以得出的结论是：振动台的自相关性在1~60 Hz范围内趋近于1，即台体的控制输出满足要求，符合试验要求。

图2 振动台在四个自由度上的自相关性

“测”，即检查线缆连接情况。为防止加速度传感器的连接电缆产生拍打和弯折作用对信号产生影响，传感器电缆的安装均会采用胶带粘贴在安装面上。并且电缆信号传输不良的时候，曲线会有中断或者控制仪会有过载的报警，可在测试过程中观测定位到，因此该项不是造成低频信号异常的原因。

“放”，即检查传感器的固定安装方式。常用的传感器安装方式包括蜂蜡或者热熔胶、双面胶固定、粘接剂固定和螺栓连接，试验室在低频振动环境下，采用的是双面胶的固定安装方式，他们的频响特性如图3所示，在低频状态下不会对信号产生影响。

图3 不同固定方式对传递函数的影响

为验证该频点的异常振动是否真实存在，在进行电子设备试验时，当采集到低频异常数据时，振动台在该频率点驻留进行定频试验，目测被测件的振动剧烈程度，并未发现显著的共振现象。

排除以上常规试验技术的影响因素后，需要进一步分析研究处理手段和外部环境，即重点分析数据处理的合理性和环境噪声的干扰对信号的影响。

2.4 故障定位

数据采集过程中用到的数据处理手段为FFT变换，当信号中存在直流分量时，经过FFT变换的信号会在0频附近幅值很大，而我们常做的舰船振动条件（1~16 Hz 1 mm位移）在1 Hz时，加速度为a=0.04Af2=0.04*1*12=0.04 m/s2=0.004 g，由于该信号很小，当软件的分辨率设置较低时，直流分量在低频范围内的跨度变大，很容易覆盖实际振动台的加速度信号，从而导致图1所示的图谱。

此外，由地回路和静电场、电磁感应产生的噪声问题是振动测量信号中普遍存在的，包括电容耦合噪声、磁场耦合噪声、电流耦合噪声[5]。

电子设备采用的电插头上的两根针相当于电容的两个极板，屏蔽不好的话会造成电容耦合噪声，并且某一根针通有交流电时，他周围会存在磁场，从而引入磁场耦合噪声，此外信号电流和它的电流应用公共通路中的任何阻抗都会形成非信号电流，又作为另外一个交流激励源的低端时，其公共电阻会使信号出现交流分量，引入电流耦合噪声。

当进行低频振动时，振动量级仅有0.004 g，当以上三类噪声大于该振动量级时，会覆盖掉振动信号，从而在低频段采集到的噪声数据，而非振动数据。

综上所述，数据处理不合理以及环境噪声干扰是造成低频数据异常的影响因素。

2.5 质量改进措施

针对数据处理不合理的改进手段为：更换为直流分量影响较小的传感器，改变谱线数和分析带宽的设置（频率的设置要覆盖试验频率60 Hz），将分辨率控制在0.5 Hz以内。

传感器的灵敏度数值越大，抗干扰能力越强，但是产生的电压越大，在振动信号剧烈时，电压信号会超出控制仪的输入电压信号的允许值。由于冲击测量和机载振动试验主要集中在中高频，且振动量级比较大，大灵敏度的传感器会使得控制仪的输入电压过载，因此推荐使用灵敏度在10 mV/g的传感器，而舰载振动试验主要集中在中低频，需要在中低频具有相对好的抗干扰性，推荐使用灵敏度在100 mV/g的传感器。

对于谱线数和分析带宽的设置，例如常见的振动频率为1~60 Hz的舰船振动试验[6]，频率带宽设置为100 Hz，谱线数设置为400，这样分辨率为0.25 Hz，可以有效的降低直流分量的频率跨度。

上述改进手段实施后，我们对电子设备进行试验，可以对直流分量引起的低频异常数据进行复现，且经过以上操作后，可以控制直流分量在0.5 Hz以内，对1 Hz以上的信号干扰小。

针对环境噪声干扰的改进手段为：对电容噪声的屏蔽，确保信号线是屏蔽线，并用屏蔽连接的方法接到放大器的公共输入端。对磁耦合的屏蔽，将传感器附近的电缆尽可能拉直，不要打圈，降低引入的电压，也可以将载有电流的导线往返两股紧紧的绞合在一起，相当于将靠的很近的正反两个电磁场互相抵消，减少了总的与导线耦合的磁力线数，从而大大降低磁耦合的影响。

对电流耦合的影响，如图4所示，左边虚线方框内的传感器系统直接粘贴在接地的电子设备上后，会在接地端1经过Rc到接地端2，然后经过eg和Rg回到接地端1形成地回路，从而把地回路电流耦合到信号线的高端，进入放大器。因此通过断开A、B、C，让系统只在一点接地，就可以克服地回路的影响。因此固定传感器时，通过绝缘片（环氧板）粘贴在电子设备上，就可以较为有效的降低电流耦合的影响。在进一步跟踪以上的实施效果，发现可以降低大多数的噪声干扰，满足要求。

图4 测试系统多点接地造成的地回路

3 不足及展望

质量的反馈与改进涵盖了产品的全寿命周期，质量问题不仅涉及到技术层面（结构设计、材质选用、加工工艺等），而且涵盖了管理层面（评审专家组成员构成、评审责任等）。本文针对具体案例进行了质量问题归零活动中故障复现方面的研究，对于质量问题归零的其他方面的研究没有展开，此外关于多应力场对电子产品的影响分析涉及不够深入，因此多应力场对电子产品的影响及复现是下一步的研究方向。