振動試驗(yàn)技術(shù)

蘇州環(huán)可檢測有限公司 ?陸繼田

【摘要】分析振動試驗(yàn)對產(chǎn)品可靠性的影響，評估導(dǎo)入振動測試的必要性;介紹振動測試的定義、目的、測試方法、條件及引起的失效模式。

【關(guān)鍵詞】正弦振動;隨機(jī)振動;失效摸式

1.引言

振動測試作為驗(yàn)證產(chǎn)品機(jī)械可靠性的主要手段，可以有效的評估產(chǎn)品機(jī)械可靠性并推進(jìn)產(chǎn)品機(jī)械可靠性提升。提升產(chǎn)品機(jī)械可靠性，有利于提升產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品形象，提高客戶對公司產(chǎn)品的品牌認(rèn)可度;通過振動測試可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在運(yùn)輸及使用過程中由機(jī)械振動導(dǎo)致的失效，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)，以提升產(chǎn)品在運(yùn)輸及在復(fù)雜使用環(huán)境中的可靠性，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平降低產(chǎn)品維護(hù)成本;有效評估機(jī)械振動對產(chǎn)品可靠性的影響及通過振動測試不斷提升產(chǎn)品機(jī)械可靠性顯得尤為重要。

2.振動試驗(yàn)引起的失效摸式

振動試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室模擬各種惡劣的振動條件，以檢驗(yàn)振動對產(chǎn)品的影響，稱之為失效摸式。

（1）對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

這種影響主要是使結(jié)構(gòu)損壞，引起變形、彎曲、產(chǎn)生裂紋、斷裂，造成部件間的相互撞擊等，從而使產(chǎn)品疲勞損壞，這種破壞又可分為由于振動所引起的應(yīng)力超過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時間的振動使產(chǎn)品發(fā)生疲勞而造成的破壞，這種破壞通常是不可逆的。

（2）對工作性能的影響

主要是振動使工作性能失靈、運(yùn)動部件動作不正常、功能失效或性能超差，造成接觸部件的接觸不良，繼電器誤協(xié)作，電子管噪聲增加，指示燈閃爍等，從而導(dǎo)致工作不正常、不穩(wěn)定，甚至完全不能工作。這種影響的嚴(yán)重程度，往往取決于振動量值的大小，而且這種破壞通常不屬于永久性的破壞，在很多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復(fù)正常。

（3）對工藝性能的影響

主要是振動使工藝性能破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊等。這種破壞通常在一個不太長的振動時間內(nèi)就會出現(xiàn)，一般在30分鐘到1小時就能發(fā)現(xiàn)，并且往往是不可逆的。

無論哪種破壞都將導(dǎo)致產(chǎn)品的工作不穩(wěn)定，甚至損壞。為了提高產(chǎn)品的可靠性需要通過振動試驗(yàn)來暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在運(yùn)輸使用過程中不出或者少出故障。這是振動試驗(yàn)的最終目的。目前在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行振動試驗(yàn)的形式最常用的是正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)。振動試驗(yàn)的目的是確定產(chǎn)品從制成開始， 在運(yùn)輸、使用及工作過程中所能承受外來的振動或自身產(chǎn)生的振動，而不致破壞并能保持其原有性能，達(dá)到預(yù)訂的壽命和可靠性。

3.正弦振動試驗(yàn)

3.1 正弦振動試驗(yàn)?zāi)康?/p>

正弦振動試驗(yàn)的目的是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲存、使用過程中所能經(jīng)受到的正弦振動以及其影響;正弦振動還可以用來研究產(chǎn)品的動態(tài)特性等。

3.2 正弦振動應(yīng)力參數(shù)

正弦振動試驗(yàn)時屬于規(guī)定一種機(jī)械運(yùn)動的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方法，而這種機(jī)械運(yùn)動就是以正弦曲線為基本運(yùn)動的軌跡。當(dāng)用位移來作為時變函數(shù)時，正弦振動是位移、速度和加速度為時間 諧和函數(shù)的振動稱為簡諧振動，這是一種最簡單最基本的振動。其函數(shù)表達(dá)式為：

正弦振動試驗(yàn)的基本運(yùn)動的時間歷程如圖1所示。

從上述正弦振動試驗(yàn)的方程式和時間歷程圖可見，用頻率、幅值兩個參數(shù)就可以完整描述正弦振動試驗(yàn)的基本運(yùn)動。正弦振動試驗(yàn)的試驗(yàn)條件（嚴(yán)酷等級）由頻率、振幅、測試持續(xù)時間三個參數(shù)共同確定。

圖1 正弦振動試驗(yàn)的基本運(yùn)動的時間歷程

3.3 正弦振動試驗(yàn)條件

3.3.1 頻率、頻率范圍

對頻率、頻率范圍，如果有產(chǎn)品安裝平臺環(huán)境條件數(shù)據(jù)就直接用產(chǎn)品安裝平臺的數(shù)據(jù);如果沒有，或是可用多種場合或多種產(chǎn)品使用的產(chǎn)品，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的條件通過工程判斷來確定時間歷程振動試驗(yàn)的條件。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇試驗(yàn)頻率范圍時，可以根據(jù)測試的具體目的進(jìn)行選擇。產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存和使用過程上中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設(shè)備，其車輛主要基波頻率可能低到在1.5-4Hz之間，而振動試驗(yàn)設(shè)備，要達(dá)到1.5Hz，其加速度波形失真就會相差很大，達(dá)不到試驗(yàn)的要求。因此在確定試驗(yàn)頻率范圍時就要權(quán)衡，如果一個產(chǎn)品試驗(yàn)頻率范圍不寬，低頻端在1Hz 或1Hz以下，高頻段在100Hz（或-500Hz），則可以用液壓振動臺來實(shí)現(xiàn);如果一個產(chǎn)品試驗(yàn)頻率范圍很寬，其高頻段在500-2000Hz以上，而低頻段又要到1 Hz 或1Hz以下，則只能行當(dāng)?shù)奶岣叩皖l段的起點(diǎn)頻率，例如低頻段從5-10Hz開始，因?yàn)橐_(dá)到500-2000Hz的頻率，必須用電動振動臺來進(jìn)行試驗(yàn)，而電動振動臺低頻段公可達(dá)到5-10Hz（部分電動振動臺可以達(dá)到1Hz，但加速度失真偏大）。

圖2 環(huán)可檢測-車載攝像頭正弦振動試驗(yàn)圖片

3.3.2 振幅及選擇

在正弦振動試驗(yàn)中，其振幅有位移幅值和加速度值兩種，在實(shí)際試驗(yàn)時，有的試驗(yàn)僅給出位移幅值，有的試驗(yàn)同時給出位移幅值和加速度值。

僅給出一個位移幅值：對IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，其上限頻率不超過101Hz的試驗(yàn)，只給出一個位移幅值;對美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，例如電子及電氣元件試驗(yàn)方法，在10-55Hz的頻率范圍內(nèi)也僅給出一個位移幅值，其值為0.75mm（單振幅）。

產(chǎn)品安裝平臺實(shí)際振動的特點(diǎn)是頻率愈高加速度愈大，頻率愈低位移幅值愈大，而且隨著振動頻率的變化而不斷改變。就對產(chǎn)品的影響而言，低頻主要是位移破壞，高頻主要是加速度破壞;當(dāng)今的正弦振動試驗(yàn)是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)時的試驗(yàn)室模擬技術(shù)還不可能實(shí)現(xiàn)像現(xiàn)場振動一樣隨著振動頻率的變化而其位移幅值不斷改變，只能采用盡量逼近現(xiàn)場振動的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（定位移），高頻段加速度幅值不變（定加速度），從定位移談到 定加速度之間的頻率稱交越頻率（振動特性一種關(guān)系變到另一種關(guān)系的頻率）。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國際中有兩種交越頻率，即8-9Hz的低交越頻率和57-62Hz高交越頻率，前者主要用于船船產(chǎn)品的試驗(yàn)，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗(yàn)。 ? ? （下轉(zhuǎn)第91頁）（上接第89頁）

3.3.3 試驗(yàn)持續(xù)時間及選擇

試驗(yàn)的持續(xù)時間是描述產(chǎn)品的耐受振動能力的重要參數(shù)。對試驗(yàn)持續(xù)時間的選擇相對于上述兩個參數(shù)和選擇要困難得多。因?yàn)槟壳耙话愫茈y給出多長的試驗(yàn)時間相當(dāng)于實(shí)際使用多少時間。對掃頻試驗(yàn)，通常以掃頻循環(huán)數(shù)給出試驗(yàn)時間。對定頻試驗(yàn)，則直接以分鐘和小時給出試驗(yàn)時間。

3.4 附正弦振動試驗(yàn)圖2及曲線圖3

4.隨機(jī)振動動試驗(yàn)

4.1 隨機(jī)振動試驗(yàn)?zāi)康?/p>

產(chǎn)品在運(yùn)輸和實(shí)際使用中所遇到的振動，絕大多數(shù)就是隨機(jī)性質(zhì)的振動。例如，車輛在不平坦的道路上行駛時產(chǎn)品的振動;因此，隨機(jī)振動試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映產(chǎn)品的耐振動性。

隨機(jī)振動和正弦振動相比，隨機(jī)振動的頻率域?qū)?，而且有一個連續(xù)的頻譜，它能同時在所有頻率上對產(chǎn)品進(jìn)行激烈，各種頻率的相互作用遠(yuǎn)比用正弦振動僅對某些某些頻率或連續(xù)掃頻模擬上述振動的影響更殘酷更真實(shí)和更有效。

圖4 寬帶隨機(jī)振動時間歷程

4.2 隨機(jī)振動應(yīng)力參數(shù)

在隨機(jī)振動試驗(yàn)中，由于振動的質(zhì)點(diǎn)處于不規(guī)則的運(yùn)動狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會精確的重復(fù)，對其進(jìn)行一系列的測量，名次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預(yù)先知道，因此就不可能用簡單的周期函數(shù)和函數(shù)的組合來描述。典型的寬帶隨機(jī)振動時間歷程如圖4所示。

由圖4可見，隨機(jī)過程最明顯的特點(diǎn)是非周期性，瞬間值無法預(yù)測;但并非無規(guī)律可言，而是表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。因此對隨機(jī)信號的研究，處理和分析必須用統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行。對某一隨機(jī)過程，通常下列國個方面的信息來描述。

時間域：平均值、均方值、均方根值、方差

幅值域：概率分布、概率密度

時差域：自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)

頻率域：自動率譜密度、互功率譜密度、頻率響應(yīng)函數(shù)及相干函數(shù)

隨機(jī)過程有平衡的和非平衡的，有各態(tài)歷經(jīng)的和非各態(tài)歷經(jīng)的;有正態(tài)分布的和非正態(tài)分布的。在隨機(jī)振動試驗(yàn)的范疇內(nèi)，通常假定為平衡的、各態(tài)經(jīng)歷的，并且是正態(tài)分布的。

4.3 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

4.3.1 試驗(yàn)頻率范圍

指產(chǎn)品安裝平臺的振動對產(chǎn)品產(chǎn)生有效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率。典型的低頻通常對取產(chǎn)品最低共振頻率的一半或其安裝平臺明顯振動的最低頻率;典型的高頻是產(chǎn)品最高共振頻率的兩倍或其安裝平臺明顯振動的最高頻率，或是可以有效地機(jī)械地傳遞振動的最高頻率。

4.3.2 功率譜譜密度和功率譜譜密度的頻譜

隨機(jī)振動是以定義在相關(guān)頻率范圍內(nèi)的PSD功率譜密度（ASD加速度譜密度）及功率譜譜密度的頻譜的形式來表征。功率譜密度（加速度譜密度）是指單位頻率上的能量，功率譜譜密度的頻譜（加速度譜密度的頻譜）是指振動能量在整個頻率方位內(nèi)的分布。

4.3.3 總均方根加速度

總均方根加速度（Grms）值是功率譜譜密度的頻譜在全頻段面積的積分，即均方根值，它不包含任何頻率信息。因此Grms值通常用來進(jìn)行試驗(yàn)誤差控制與檢測，以及根據(jù)試驗(yàn)樣品的重量、體積、動態(tài)特性來選需多大推力（功率）的振動臺。評價隨機(jī)振動試驗(yàn) 應(yīng)力大小的真正判據(jù)應(yīng)該是在給定頻率范圍內(nèi)的加速度譜密度高低，即看隨機(jī)振動試驗(yàn) 的加速度譜密度頻譜曲線，而不是看總均方根加速度的高低。

4.3.4 試驗(yàn)時間

試驗(yàn)時間就是進(jìn)行隨機(jī)振動的持續(xù)時間，通常分為功能（性能）和強(qiáng)度（耐久）兩種試驗(yàn)時間。

4.4 附隨機(jī)振動試驗(yàn)圖片圖5及圖6曲線圖

圖5 環(huán)可檢測-包裝箱隨機(jī)振動實(shí)驗(yàn)圖

5.結(jié)束語

振動試驗(yàn)主要是環(huán)境模擬，就是使產(chǎn)品經(jīng)受到與實(shí)際使用過程的振動環(huán)境相同或相似的振動激勵作用，來驗(yàn)證考核產(chǎn)品在預(yù)期的振動環(huán)境作用下，能否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的性能指標(biāo)。目前振動試驗(yàn)已被應(yīng)用多個領(lǐng)域：如航空航天、交通運(yùn)輸、軍工產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品等。