洪翔

摘 要： 針對產(chǎn)品在實驗室模擬預(yù)期的振動環(huán)境，合理進(jìn)行驗證試驗的要點進(jìn)行概括和分析。本文首先介紹了振動試驗分類和實驗室實現(xiàn)原理，詳細(xì)分析了振動試驗的四種控制方法，對不同試驗條件怎樣選擇相應(yīng)的控制方法給出了指導(dǎo)，然后對產(chǎn)品安裝提出了科學(xué)合理的要求，最后對振動試驗流程進(jìn)行了梳理，明確了試驗過程中每個步驟的要點。

關(guān)鍵詞： 振動試驗；控制方法；安裝要求

1 引言

任何產(chǎn)品壽命期內(nèi)的貯存、運輸和使用狀態(tài)均會受到各種氣候、力學(xué)和電磁環(huán)境的單獨、組合和綜合的作用，在這些環(huán)境作用下，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞或失效。對產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性的驗證，主要是在實驗室，通過試驗?zāi)M設(shè)備預(yù)期經(jīng)歷的各種環(huán)境，考核其環(huán)境適應(yīng)性，并通過驗證結(jié)果對產(chǎn)品加以改進(jìn)，以達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的目的。在這些驗證試驗中，力學(xué)類的振動試驗是大部分產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗必須開展的項目之一。振動試驗的目的是用于考核設(shè)備在預(yù)期的運輸、貯存和使用環(huán)境中的抗振能力。振動試驗結(jié)果通常用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，其技術(shù)性較強(qiáng)。

2 振動試驗分類

振動試驗分類主要有：正弦振動、隨機(jī)振動，以及正弦和隨機(jī)的組合振動。

2.1 正弦振動

正弦振動是一種周期性的振動，通常由動力裝置和作業(yè)機(jī)械的周期性旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動引起，周期振動是經(jīng)過一定的時間后會精確重復(fù)的運動，周期振動最簡單的形式是簡諧運動，其時間歷程是正弦或余弦曲線，環(huán)境試驗中一般用正弦曲線來描述，又稱正弦振動?？梢娬艺駝邮谴_定性運動，遵循確定的規(guī)律，完全可以從過去的狀態(tài)來確定未來任意指定時間的狀態(tài)，其頻率、速度、加速度、位移任意時刻均可預(yù)知。正弦振動的數(shù)學(xué)表達(dá)式見圖1：

2.2 隨機(jī)振動

隨機(jī)振動是一種非確定的振動，在隨機(jī)振動試驗中，由于振動的質(zhì)點處于不規(guī)則的運動狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會精確的重復(fù)，對其進(jìn)行一系列的測量，各次記錄都不一樣，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。圖2為典型的隨機(jī)振動時間歷程。

在使用環(huán)境中，產(chǎn)品經(jīng)歷的振動絕大多數(shù)是隨機(jī)振動，在進(jìn)行隨機(jī)振動時，在同一時刻，振動激勵包含所有頻率范圍的信號，能夠同時激起樣品的各種模態(tài)，樣品上的各種振動會相互耦合，會產(chǎn)生比在正弦振動單一頻率下嚴(yán)重得多的影響，所以隨機(jī)振動考核設(shè)備耐振能力更真實、有效。

3 振動試驗實驗室實現(xiàn)原理

在實驗室進(jìn)行振動試驗，是通過振動試驗系統(tǒng)，模擬產(chǎn)品預(yù)期經(jīng)歷的振動應(yīng)力，并將振動應(yīng)力施加于產(chǎn)品，實驗室模擬的振動應(yīng)力是根據(jù)產(chǎn)品實際使用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)合成的振動譜。我們先對目前主要的振動試驗系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)識，實驗室的振動模擬設(shè)備通常有電動振動系統(tǒng)、機(jī)械振動系統(tǒng)、液壓振動系統(tǒng)，這三類振動系統(tǒng)主要性能比較見表1[1]。

在這三類振動系統(tǒng)中，目前實驗室使用較廣泛的是電動振動系統(tǒng)。電動振動系統(tǒng)由臺體、控制儀、功率放大器、振動傳感器組成，各部分通過連接形成閉環(huán)，振動系統(tǒng)圖見圖3。其實現(xiàn)原理是，先由控制儀根據(jù)控制譜條件，產(chǎn)生小功率驅(qū)動電信號，并將驅(qū)動電信號發(fā)送給功率放大器，經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到振動臺體的驅(qū)動線圈，驅(qū)動振動臺運動，安裝于振動臺臺面的振動傳感器采集振動信號，再將振動信號反饋給控制儀，經(jīng)控制儀解算，與標(biāo)準(zhǔn)譜對比，不斷調(diào)整驅(qū)動信號，并發(fā)送給功率放大器驅(qū)動振動臺運動，使實際控制譜在標(biāo)準(zhǔn)譜的容差范圍內(nèi)。實驗室模擬振動條件，也就是標(biāo)準(zhǔn)譜是基于產(chǎn)品的實測振動。

在電動振動系統(tǒng)中，振動傳感器是極為重要的一個環(huán)節(jié)，作用是采集或監(jiān)測振動信號，反饋給控制儀解算。目前使用最為廣泛的是壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器是一種以壓電材料為轉(zhuǎn)換元件的裝置，振動時通過感受同振動方向一致的壓力，產(chǎn)生電荷的變化，其電荷或電壓的輸出與加速度成正比，壓電加速度傳感器所輸出的電信號是很微弱的電荷，需通過控制儀的前置放大器放大才能被振動系統(tǒng)使用。

4 振動試驗控制方法

振動試驗控制方法直接關(guān)系到振動應(yīng)力施加能否滿足試驗條件，控制方法的選擇取決于所要求的振動特性和平臺/裝備之間的動力耦合作用。主要有以下四種控制方法。

4.1 加速度輸入控制方法

加速度輸入控制方法是振動試驗使用最多的方法，用于平臺輸入振動環(huán)境的控制，控制加速度傳感器安裝在夾具與產(chǎn)品連接位置上，并盡量靠近產(chǎn)品，采集安裝處的振動信號，振動試驗系統(tǒng)通過加速度傳感器反饋信號與標(biāo)準(zhǔn)譜對比，并調(diào)整到規(guī)定試驗容差。其特點是在產(chǎn)品與振動臺體安裝和實際安裝情況一致時，可以很好的再現(xiàn)實際使用環(huán)境。

4.2 力限控制方法

力限控制方法基本原理是實驗室使用試驗夾具進(jìn)行產(chǎn)品安裝時，對應(yīng)的機(jī)械阻抗和外場產(chǎn)品安裝情況不一致，這樣在產(chǎn)品共振頻率處會誘發(fā)出過大的響應(yīng)，造成過試驗發(fā)生。因此，如能直接對夾具和產(chǎn)品之間的輸入力進(jìn)行控制，就能回避機(jī)械阻抗不匹配的問題。它與加速度輸入控制方法相對應(yīng)，主要用于平臺輸入力控制，控制時在夾具和產(chǎn)品中間安裝動態(tài)力傳感器，振動臺的運動通過力傳感器的反饋來控制。

4.3 加速度限控制方法

加速度限控制方法是一種輔助控制方法，它主要用于將產(chǎn)品規(guī)定位置的振動響應(yīng)限制在某一量值之內(nèi)，避免產(chǎn)品出現(xiàn)過大的響應(yīng)的場合。加速度限制量值一般來自于外場實測響應(yīng)數(shù)據(jù)，加速度限制點和外場測點應(yīng)位于相同位置。加速度限控制方法一般和其他控制方法聯(lián)合使用，使用加速度限進(jìn)行輔助控制時，在加速度控制譜對應(yīng)的限制頻帶上一般會出現(xiàn)凹谷。

4.4 加速度響應(yīng)控制方法

加速度響應(yīng)控制方法與加速度輸入控制方法相對應(yīng)，用于對產(chǎn)品上特定點的響應(yīng)進(jìn)行直接控制。使用振動輸入點進(jìn)行試驗控制，并通過經(jīng)驗來調(diào)節(jié)試驗量值，使產(chǎn)品上特定點的響應(yīng)和預(yù)訂的試驗量級保持一致，這種方法對試驗人員的要求很高。如果產(chǎn)品上特定點足夠剛性，也可以直接使用產(chǎn)品上特定點作為控制點進(jìn)行試驗控制。

5 振動試驗的安裝要求

在振動試驗中，產(chǎn)品是否能真正受到所規(guī)定的試驗條件的考核，對于不同的人、不同的地點（設(shè)備）或不同的時間所做的試驗，其是否具有高的再現(xiàn)性或滿意的不確度，在很大的程度上還取決于試驗時對樣品的安裝和固定。

5.1 振動試驗夾具

振動試驗夾具是產(chǎn)品與振動臺之間的構(gòu)件，用于將產(chǎn)品安裝于振動臺，將振動臺的機(jī)械能量完全傳遞給試驗件。一個好的振動夾具必須滿足以下六點[2]，（1）在整個試驗頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，一階頻率高于最高試驗頻率，大型夾具，一階頻率應(yīng)高于試驗件一階固有頻率的3～5倍；（2）夾具與試驗件各連接點的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗輸入的均勻性；（3）夾具的剛度/質(zhì)量比要盡量大；（4）夾具的阻尼要盡量大；（5）夾具波形失真小；（6）應(yīng)能模擬產(chǎn)品實際安裝狀態(tài)。滿足以上六點，才能稱之為合格的夾具。

5.2 試驗產(chǎn)品固定

試驗產(chǎn)品與夾具、或樣品與振動臺臺面點接觸的部分，在實際使用時，此處通常是固定樣品的地方。如果產(chǎn)品的實際安裝結(jié)構(gòu)的一部分作夾具使用，則應(yīng)取安裝結(jié)構(gòu)和振動臺臺面點接觸的部分作固定點，可見固定點一定要選取在產(chǎn)品在實際使用時振動輸入的地方。有時振動試驗的目的不是為了考核產(chǎn)品經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力的能力，而是要考核產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，例如晶體管、集成電路的內(nèi)強(qiáng)度試驗，此時固定點就要選擇在樣品的本體上，使激振力通過殼體傳到內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。

5.3 傳感器安裝

振動傳感器有控制傳感器和監(jiān)測傳感器?？刂苽鞲衅鲬?yīng)安裝于產(chǎn)品夾具與振動臺臺面的連接點處，并盡量靠近試驗樣品，理論上有幾個連接點就應(yīng)相應(yīng)安裝幾個控制傳感器，以保證振動輸入的正確性，對于大型產(chǎn)品和夾具，更應(yīng)如此。監(jiān)測用傳感器安裝于產(chǎn)品需要監(jiān)測振動量值的部位。

6 振動試驗實施過程

振動試驗主要按以下五個步驟和要求進(jìn)行：（1）預(yù)處理，試驗前應(yīng)對產(chǎn)品進(jìn)行全面檢查，包括外觀、結(jié)構(gòu)、性能檢查；（2）產(chǎn)品的安裝，先將試驗夾具與振動臺臺面用螺栓剛性連接。夾具重心與振動臺的軸線相重合，再將試驗樣品安裝在振動夾具的中心位置，并保證夾具和試驗樣品的安裝方式符合規(guī)定的振動軸向；（3）試驗應(yīng)力施加，嚴(yán)格按照試驗條件，通過振動試驗系統(tǒng)對產(chǎn)品施加振動應(yīng)力；（4）試驗后檢查，與試驗前檢查對應(yīng)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷；（5）形成試驗報告，利用產(chǎn)品結(jié)論對產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計，提升質(zhì)量和可靠性。

7 結(jié)束語

振動試驗是一門技術(shù)要求較高的環(huán)境試驗，本文從振動試驗技術(shù)和應(yīng)用方面做了詳細(xì)地闡述和分析，對于指導(dǎo)試驗現(xiàn)場開展振動試驗有較大的幫助。另外，振動試驗還包括標(biāo)準(zhǔn)、方法研究等方面，只有對這幾個方面都有了深入理解，才能準(zhǔn)確做好振動試驗，達(dá)到高的再現(xiàn)性，為產(chǎn)品設(shè)計提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]GJB150A-2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].中國人民解放軍總裝備部.2009.

[2]常志剛.振動、沖擊試驗技術(shù)及試驗夾具設(shè)計技術(shù)講座資料[M].航空工業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心.2013，13-25.