劉宗華++劉天同++董達(dá)

摘 要：該文講述了振動(dòng)試驗(yàn)（正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)）的原理、參數(shù)識(shí)別、計(jì)算公式，重點(diǎn)講述了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，包括試驗(yàn)容差要求、振動(dòng)條件疲勞等價(jià)關(guān)系以及振動(dòng)控制理論、方法等。另外，還介紹了振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)要求、測(cè)試方法等。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動(dòng) 試驗(yàn)技術(shù) 振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動(dòng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生一個(gè)人工可控的振動(dòng)環(huán)境，該環(huán)境模擬產(chǎn)品生命周期（制造/維修、運(yùn)輸、工作、其它）內(nèi)的使用振動(dòng)環(huán)境，使產(chǎn)品經(jīng)受與實(shí)際使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境相同或相似的振動(dòng)激勵(lì)作用，考核產(chǎn)品在預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境作用下，能否達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，同時(shí)也是考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的一個(gè)主要試驗(yàn)方法。因此，振動(dòng)試驗(yàn)是產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要組成部分。

1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)原理

振動(dòng)變量是正弦函數(shù)形式的一種振動(dòng)試驗(yàn)。

振動(dòng)函數(shù)為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法

常用的正弦振動(dòng)試驗(yàn)分為：定頻振動(dòng)和掃頻振動(dòng)。

定頻振動(dòng)是指頻率一定，振動(dòng)加速度（或幅值）、試驗(yàn)時(shí)間可變的正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

掃頻振動(dòng)即正弦掃描，指按規(guī)定振動(dòng)量的正弦波，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，以某種規(guī)律連續(xù)改變振動(dòng)頻率以激勵(lì)被試件。掃描時(shí)頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對(duì)數(shù)掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動(dòng)試驗(yàn)的峰值加速度要求

（1）振動(dòng)環(huán)境：保證在規(guī)定頻率范圍內(nèi)，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規(guī)定值的±10%。

（2）振動(dòng)測(cè)量：保證在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上的正弦峰值測(cè)量數(shù)據(jù)，其偏差在振動(dòng)量值的±5%之內(nèi)。

（3）均方根加速度值：正弦振動(dòng)均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 隨機(jī)振動(dòng)定義

振動(dòng)變量是一種隨機(jī)變化的振動(dòng)試驗(yàn)，在任意給定時(shí)刻，其瞬時(shí)值都不能精確預(yù)知。因此，隨機(jī)振動(dòng)用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行描述，采用頻率域統(tǒng)計(jì)描述，即用功率譜密度函數(shù)來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)在頻率域的統(tǒng)計(jì)特性。[2]

3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

3.1 試驗(yàn)允差

隨機(jī)振動(dòng)規(guī)定了加速度譜密度、頻率測(cè)量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻(xiàn)[3]規(guī)定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應(yīng)不超過(guò)±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過(guò)允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個(gè)試驗(yàn)頻率帶寬的5%以內(nèi)。

文獻(xiàn)[4]規(guī)定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內(nèi)，偏離允許達(dá)到±6 dB。

3.1.2 頻率測(cè)量

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上頻率測(cè)量偏差應(yīng)在±1.25%內(nèi)。對(duì)于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)小于等于2.5 Hz；對(duì)于頻率大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)軸正交的兩個(gè)軸上的振動(dòng)加速度應(yīng)不大于試驗(yàn)軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動(dòng)試驗(yàn)控制

在試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)中，試件一般通過(guò)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)的組合用于模擬預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境，大多數(shù)情況下，振動(dòng)使用條件所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)控制點(diǎn)選擇在試件與試驗(yàn)夾具的連接界面上，其代表了預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)對(duì)裝備的振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)。在理想狀態(tài)情況下，即試件相對(duì)與振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)響應(yīng)將與預(yù)期使用過(guò)程一致，可以認(rèn)為試件經(jīng)受了符合預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境考核。

當(dāng)試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時(shí)，由于試件與振動(dòng)臺(tái)、試驗(yàn)夾具的動(dòng)力耦合（共振或反共振）作用，試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)環(huán)境的模擬結(jié)果往往偏離理想的試驗(yàn)條件。這樣即使在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)控制點(diǎn)達(dá)到了規(guī)定的振動(dòng)加速度試驗(yàn)條件，試件上的振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)與預(yù)期使用過(guò)程中裝備上的振動(dòng)響應(yīng)不一致，從而導(dǎo)致試件的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，需要采取適當(dāng)?shù)目刂品椒?，以改善試件的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，使得試驗(yàn)結(jié)果更接近預(yù)期試驗(yàn)情況。

振動(dòng)試驗(yàn)控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應(yīng)控制以及開(kāi)環(huán)波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對(duì)比及說(shuō)明。

4 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

4.1 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)要求

一個(gè)好的振動(dòng)夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結(jié)構(gòu)、加工工藝性、動(dòng)態(tài)傳遞特性等多方面考慮。因此，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，應(yīng)考慮以下因素[1]。

（1）振動(dòng)夾具能夠最大限度地模擬產(chǎn)品的真實(shí)安裝方式，既能方便地與振動(dòng)臺(tái)面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動(dòng)臺(tái)面最短距離要求，并且與振動(dòng)臺(tái)面同軸。

（3）材料應(yīng)選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)選選用對(duì)稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接的固定點(diǎn)要求圓周對(duì)稱分布，同一個(gè)平面最少均布4個(gè)孔，孔的形狀做成埋頭帶臺(tái)肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴(kuò)孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強(qiáng)度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點(diǎn)。

（6）在整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)，夾具的頻率響應(yīng)特性應(yīng)盡量平坦，其一階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)最高頻率。如果，不能高于試驗(yàn)最高頻率，則要求不能低于某個(gè)頻率值，并且在高于這個(gè)頻率時(shí)允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動(dòng)夾具的橫向振動(dòng)應(yīng)盡量小，要求不大于軸向振動(dòng)的30%。

4.2 振動(dòng)夾具測(cè)試方法

（1）用正弦掃頻的試驗(yàn)方法對(duì)夾具的傳遞特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術(shù)要求。

（2）進(jìn)行正弦掃頻測(cè)試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要求將控制傳感器置于振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)面的固定點(diǎn)處，而監(jiān)測(cè)傳感器置于振動(dòng)夾具與試件的固定點(diǎn)或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測(cè)試完后，裝入配重體，選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒?，按試件振?dòng)條件要求進(jìn)行振動(dòng)圖譜的振動(dòng)測(cè)試，以保證完全滿足試件在振動(dòng)試驗(yàn)中的試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，需要從試驗(yàn)參數(shù)識(shí)別、試驗(yàn)控制、振動(dòng)分析、故障預(yù)測(cè)與診斷、試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)等各個(gè)方面入手，加強(qiáng)這門試驗(yàn)技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡志強(qiáng)，法慶衍，洪寶林，等.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》[Z].

摘 要：該文講述了振動(dòng)試驗(yàn)（正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)）的原理、參數(shù)識(shí)別、計(jì)算公式，重點(diǎn)講述了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，包括試驗(yàn)容差要求、振動(dòng)條件疲勞等價(jià)關(guān)系以及振動(dòng)控制理論、方法等。另外，還介紹了振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)要求、測(cè)試方法等。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動(dòng) 試驗(yàn)技術(shù) 振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動(dòng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生一個(gè)人工可控的振動(dòng)環(huán)境，該環(huán)境模擬產(chǎn)品生命周期（制造/維修、運(yùn)輸、工作、其它）內(nèi)的使用振動(dòng)環(huán)境，使產(chǎn)品經(jīng)受與實(shí)際使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境相同或相似的振動(dòng)激勵(lì)作用，考核產(chǎn)品在預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境作用下，能否達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，同時(shí)也是考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的一個(gè)主要試驗(yàn)方法。因此，振動(dòng)試驗(yàn)是產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要組成部分。

1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)原理

振動(dòng)變量是正弦函數(shù)形式的一種振動(dòng)試驗(yàn)。

振動(dòng)函數(shù)為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法

常用的正弦振動(dòng)試驗(yàn)分為：定頻振動(dòng)和掃頻振動(dòng)。

定頻振動(dòng)是指頻率一定，振動(dòng)加速度（或幅值）、試驗(yàn)時(shí)間可變的正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

掃頻振動(dòng)即正弦掃描，指按規(guī)定振動(dòng)量的正弦波，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，以某種規(guī)律連續(xù)改變振動(dòng)頻率以激勵(lì)被試件。掃描時(shí)頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對(duì)數(shù)掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動(dòng)試驗(yàn)的峰值加速度要求

（1）振動(dòng)環(huán)境：保證在規(guī)定頻率范圍內(nèi)，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規(guī)定值的±10%。

（2）振動(dòng)測(cè)量：保證在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上的正弦峰值測(cè)量數(shù)據(jù)，其偏差在振動(dòng)量值的±5%之內(nèi)。

（3）均方根加速度值：正弦振動(dòng)均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 隨機(jī)振動(dòng)定義

振動(dòng)變量是一種隨機(jī)變化的振動(dòng)試驗(yàn)，在任意給定時(shí)刻，其瞬時(shí)值都不能精確預(yù)知。因此，隨機(jī)振動(dòng)用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行描述，采用頻率域統(tǒng)計(jì)描述，即用功率譜密度函數(shù)來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)在頻率域的統(tǒng)計(jì)特性。[2]

3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

3.1 試驗(yàn)允差

隨機(jī)振動(dòng)規(guī)定了加速度譜密度、頻率測(cè)量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻(xiàn)[3]規(guī)定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應(yīng)不超過(guò)±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過(guò)允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個(gè)試驗(yàn)頻率帶寬的5%以內(nèi)。

文獻(xiàn)[4]規(guī)定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內(nèi)，偏離允許達(dá)到±6 dB。

3.1.2 頻率測(cè)量

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上頻率測(cè)量偏差應(yīng)在±1.25%內(nèi)。對(duì)于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)小于等于2.5 Hz；對(duì)于頻率大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)軸正交的兩個(gè)軸上的振動(dòng)加速度應(yīng)不大于試驗(yàn)軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動(dòng)試驗(yàn)控制

在試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)中，試件一般通過(guò)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)的組合用于模擬預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境，大多數(shù)情況下，振動(dòng)使用條件所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)控制點(diǎn)選擇在試件與試驗(yàn)夾具的連接界面上，其代表了預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)對(duì)裝備的振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)。在理想狀態(tài)情況下，即試件相對(duì)與振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)響應(yīng)將與預(yù)期使用過(guò)程一致，可以認(rèn)為試件經(jīng)受了符合預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境考核。

當(dāng)試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時(shí)，由于試件與振動(dòng)臺(tái)、試驗(yàn)夾具的動(dòng)力耦合（共振或反共振）作用，試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)環(huán)境的模擬結(jié)果往往偏離理想的試驗(yàn)條件。這樣即使在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)控制點(diǎn)達(dá)到了規(guī)定的振動(dòng)加速度試驗(yàn)條件，試件上的振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)與預(yù)期使用過(guò)程中裝備上的振動(dòng)響應(yīng)不一致，從而導(dǎo)致試件的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，需要采取適當(dāng)?shù)目刂品椒?，以改善試件的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，使得試驗(yàn)結(jié)果更接近預(yù)期試驗(yàn)情況。

振動(dòng)試驗(yàn)控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應(yīng)控制以及開(kāi)環(huán)波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對(duì)比及說(shuō)明。

4 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

4.1 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)要求

一個(gè)好的振動(dòng)夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結(jié)構(gòu)、加工工藝性、動(dòng)態(tài)傳遞特性等多方面考慮。因此，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，應(yīng)考慮以下因素[1]。

（1）振動(dòng)夾具能夠最大限度地模擬產(chǎn)品的真實(shí)安裝方式，既能方便地與振動(dòng)臺(tái)面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動(dòng)臺(tái)面最短距離要求，并且與振動(dòng)臺(tái)面同軸。

（3）材料應(yīng)選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)選選用對(duì)稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接的固定點(diǎn)要求圓周對(duì)稱分布，同一個(gè)平面最少均布4個(gè)孔，孔的形狀做成埋頭帶臺(tái)肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴(kuò)孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強(qiáng)度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點(diǎn)。

（6）在整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)，夾具的頻率響應(yīng)特性應(yīng)盡量平坦，其一階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)最高頻率。如果，不能高于試驗(yàn)最高頻率，則要求不能低于某個(gè)頻率值，并且在高于這個(gè)頻率時(shí)允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動(dòng)夾具的橫向振動(dòng)應(yīng)盡量小，要求不大于軸向振動(dòng)的30%。

4.2 振動(dòng)夾具測(cè)試方法

（1）用正弦掃頻的試驗(yàn)方法對(duì)夾具的傳遞特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術(shù)要求。

（2）進(jìn)行正弦掃頻測(cè)試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要求將控制傳感器置于振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)面的固定點(diǎn)處，而監(jiān)測(cè)傳感器置于振動(dòng)夾具與試件的固定點(diǎn)或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測(cè)試完后，裝入配重體，選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒?，按試件振?dòng)條件要求進(jìn)行振動(dòng)圖譜的振動(dòng)測(cè)試，以保證完全滿足試件在振動(dòng)試驗(yàn)中的試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，需要從試驗(yàn)參數(shù)識(shí)別、試驗(yàn)控制、振動(dòng)分析、故障預(yù)測(cè)與診斷、試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)等各個(gè)方面入手，加強(qiáng)這門試驗(yàn)技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡志強(qiáng)，法慶衍，洪寶林，等.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》[Z].

摘 要：該文講述了振動(dòng)試驗(yàn)（正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)）的原理、參數(shù)識(shí)別、計(jì)算公式，重點(diǎn)講述了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，包括試驗(yàn)容差要求、振動(dòng)條件疲勞等價(jià)關(guān)系以及振動(dòng)控制理論、方法等。另外，還介紹了振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)要求、測(cè)試方法等。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動(dòng) 試驗(yàn)技術(shù) 振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動(dòng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生一個(gè)人工可控的振動(dòng)環(huán)境，該環(huán)境模擬產(chǎn)品生命周期（制造/維修、運(yùn)輸、工作、其它）內(nèi)的使用振動(dòng)環(huán)境，使產(chǎn)品經(jīng)受與實(shí)際使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境相同或相似的振動(dòng)激勵(lì)作用，考核產(chǎn)品在預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境作用下，能否達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，同時(shí)也是考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的一個(gè)主要試驗(yàn)方法。因此，振動(dòng)試驗(yàn)是產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要組成部分。

1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)原理

振動(dòng)變量是正弦函數(shù)形式的一種振動(dòng)試驗(yàn)。

振動(dòng)函數(shù)為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法

常用的正弦振動(dòng)試驗(yàn)分為：定頻振動(dòng)和掃頻振動(dòng)。

定頻振動(dòng)是指頻率一定，振動(dòng)加速度（或幅值）、試驗(yàn)時(shí)間可變的正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

掃頻振動(dòng)即正弦掃描，指按規(guī)定振動(dòng)量的正弦波，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，以某種規(guī)律連續(xù)改變振動(dòng)頻率以激勵(lì)被試件。掃描時(shí)頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對(duì)數(shù)掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動(dòng)試驗(yàn)的峰值加速度要求

（1）振動(dòng)環(huán)境：保證在規(guī)定頻率范圍內(nèi)，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規(guī)定值的±10%。

（2）振動(dòng)測(cè)量：保證在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上的正弦峰值測(cè)量數(shù)據(jù)，其偏差在振動(dòng)量值的±5%之內(nèi)。

（3）均方根加速度值：正弦振動(dòng)均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 隨機(jī)振動(dòng)定義

振動(dòng)變量是一種隨機(jī)變化的振動(dòng)試驗(yàn)，在任意給定時(shí)刻，其瞬時(shí)值都不能精確預(yù)知。因此，隨機(jī)振動(dòng)用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行描述，采用頻率域統(tǒng)計(jì)描述，即用功率譜密度函數(shù)來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)在頻率域的統(tǒng)計(jì)特性。[2]

3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

3.1 試驗(yàn)允差

隨機(jī)振動(dòng)規(guī)定了加速度譜密度、頻率測(cè)量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻(xiàn)[3]規(guī)定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應(yīng)不超過(guò)±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過(guò)允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個(gè)試驗(yàn)頻率帶寬的5%以內(nèi)。

文獻(xiàn)[4]規(guī)定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內(nèi)，偏離允許達(dá)到±6 dB。

3.1.2 頻率測(cè)量

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上頻率測(cè)量偏差應(yīng)在±1.25%內(nèi)。對(duì)于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)小于等于2.5 Hz；對(duì)于頻率大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)軸正交的兩個(gè)軸上的振動(dòng)加速度應(yīng)不大于試驗(yàn)軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動(dòng)試驗(yàn)控制

在試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)中，試件一般通過(guò)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)的組合用于模擬預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境，大多數(shù)情況下，振動(dòng)使用條件所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)控制點(diǎn)選擇在試件與試驗(yàn)夾具的連接界面上，其代表了預(yù)期使用過(guò)程中平臺(tái)對(duì)裝備的振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)。在理想狀態(tài)情況下，即試件相對(duì)與振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)響應(yīng)將與預(yù)期使用過(guò)程一致，可以認(rèn)為試件經(jīng)受了符合預(yù)期使用過(guò)程的振動(dòng)環(huán)境考核。

當(dāng)試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時(shí)，由于試件與振動(dòng)臺(tái)、試驗(yàn)夾具的動(dòng)力耦合（共振或反共振）作用，試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)環(huán)境的模擬結(jié)果往往偏離理想的試驗(yàn)條件。這樣即使在試件與試驗(yàn)夾具連接界面的振動(dòng)控制點(diǎn)達(dá)到了規(guī)定的振動(dòng)加速度試驗(yàn)條件，試件上的振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)與預(yù)期使用過(guò)程中裝備上的振動(dòng)響應(yīng)不一致，從而導(dǎo)致試件的過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，需要采取適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ愿纳圃嚰倪^(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，使得試驗(yàn)結(jié)果更接近預(yù)期試驗(yàn)情況。

振動(dòng)試驗(yàn)控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應(yīng)控制以及開(kāi)環(huán)波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對(duì)比及說(shuō)明。

4 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

4.1 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)要求

一個(gè)好的振動(dòng)夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結(jié)構(gòu)、加工工藝性、動(dòng)態(tài)傳遞特性等多方面考慮。因此，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，應(yīng)考慮以下因素[1]。

（1）振動(dòng)夾具能夠最大限度地模擬產(chǎn)品的真實(shí)安裝方式，既能方便地與振動(dòng)臺(tái)面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動(dòng)臺(tái)面最短距離要求，并且與振動(dòng)臺(tái)面同軸。

（3）材料應(yīng)選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)選選用對(duì)稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接的固定點(diǎn)要求圓周對(duì)稱分布，同一個(gè)平面最少均布4個(gè)孔，孔的形狀做成埋頭帶臺(tái)肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴(kuò)孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強(qiáng)度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點(diǎn)。

（6）在整個(gè)試驗(yàn)頻段內(nèi)，夾具的頻率響應(yīng)特性應(yīng)盡量平坦，其一階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)最高頻率。如果，不能高于試驗(yàn)最高頻率，則要求不能低于某個(gè)頻率值，并且在高于這個(gè)頻率時(shí)允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動(dòng)夾具的橫向振動(dòng)應(yīng)盡量小，要求不大于軸向振動(dòng)的30%。

4.2 振動(dòng)夾具測(cè)試方法

（1）用正弦掃頻的試驗(yàn)方法對(duì)夾具的傳遞特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術(shù)要求。

（2）進(jìn)行正弦掃頻測(cè)試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要求將控制傳感器置于振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)面的固定點(diǎn)處，而監(jiān)測(cè)傳感器置于振動(dòng)夾具與試件的固定點(diǎn)或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測(cè)試完后，裝入配重體，選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ丛嚰駝?dòng)條件要求進(jìn)行振動(dòng)圖譜的振動(dòng)測(cè)試，以保證完全滿足試件在振動(dòng)試驗(yàn)中的試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，需要從試驗(yàn)參數(shù)識(shí)別、試驗(yàn)控制、振動(dòng)分析、故障預(yù)測(cè)與診斷、試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)等各個(gè)方面入手，加強(qiáng)這門試驗(yàn)技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡志強(qiáng)，法慶衍，洪寶林，等.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》[Z].