胡凱，黃鯤，張仕彬

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

振動(dòng)試驗(yàn)是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開發(fā)階段、驗(yàn)證階段重要的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)節(jié)，它能夠在振動(dòng)臺(tái)提供的模擬力學(xué)環(huán)境下模仿設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品在未來(lái)的使用、安裝和運(yùn)輸過(guò)程中受到外界的各種破壞力或自身的共振對(duì)產(chǎn)品造成的影響[1]。同時(shí)給予設(shè)計(jì)/結(jié)構(gòu)工程師評(píng)價(jià)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品在預(yù)期復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中的使用壽命提供有力的參考和分析價(jià)值。

日常的振動(dòng)試驗(yàn)主要分為正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩大類。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10-2019《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)（正弦）》，對(duì)正弦振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)展開探討，并以實(shí)際測(cè)試為例進(jìn)行具體說(shuō)明。希望通過(guò)本次探討，加深試驗(yàn)技術(shù)人員對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的理解，提高測(cè)試項(xiàng)目的檢測(cè)水平。

1 GB/T 2423.10電工電子產(chǎn)品的正弦振動(dòng)試驗(yàn)

正弦振動(dòng)是振動(dòng)參量可由時(shí)間自變量的正弦函數(shù)描述的一種周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。安裝在飛機(jī)、車輛或船舶上的結(jié)構(gòu)部件或功能性部件均容易因使用環(huán)境的特質(zhì)而產(chǎn)生典型的正弦振動(dòng)。正弦振動(dòng)試驗(yàn)的主要目的是幫助開發(fā)設(shè)計(jì)人員尋找產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的缺陷、考核產(chǎn)品的疲勞性強(qiáng)度或模擬產(chǎn)品在實(shí)際使用中可能受到較為單一的、呈正弦函數(shù)規(guī)律性變化的力學(xué)可靠性環(huán)境試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10-2019《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)（正弦）》為常用的汽車正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)主要包含以下幾個(gè)重點(diǎn)要素：

1.1 試驗(yàn)條件的確認(rèn)和設(shè)備的選擇

頻率范圍、振幅（位移幅值或加速度幅值）、交越頻率點(diǎn)、掃頻速率、振動(dòng)方向和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間都是振動(dòng)試驗(yàn)的基本條件，缺一不可。

試驗(yàn)設(shè)備的選擇我們可以根據(jù)基本公式：

式中：

F—要求設(shè)備輸出的推力；

M1—設(shè)備動(dòng)圈質(zhì)量；

M2—夾具質(zhì)量；

M3—樣品自重質(zhì)量；

M4—拓展臺(tái)面質(zhì)量，

A—加速度幅值。

根據(jù)式（1）來(lái)確定設(shè)備是否滿足試驗(yàn)要求的加速度。對(duì)于相對(duì)而言的小型樣品進(jìn)行大加速度試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室配套允許的情況下我們可以選擇小型拓展臺(tái)面/大加速度的振動(dòng)臺(tái)。反之相對(duì)而言的大型樣品進(jìn)行小加速度試驗(yàn)，我們則可以選擇大型拓展臺(tái)面/小加速度的振動(dòng)臺(tái)。

此外，加速度幅值（A）、速度（V）、位移幅值（D）三個(gè)振動(dòng)參數(shù)也存在如下關(guān)系[2]：

式中：

A—試驗(yàn)加速度（m/s2）；

V—試驗(yàn)速度（m/s）；

ω—角速度（ω=2πf）；

f—試驗(yàn)頻率（Hz）；

D—單峰位移幅值（mm）。

1.2 樣品與振動(dòng)臺(tái)要?jiǎng)傂怨潭?/h3>

剛性固定[3]的基礎(chǔ)就是要求試驗(yàn)人員要盡可能地接近理想狀態(tài)將樣品一動(dòng)不動(dòng)地按照實(shí)際使用狀態(tài)與振動(dòng)臺(tái)“連接”在一起。因此樣品還要根據(jù)臺(tái)面的孔徑、孔距設(shè)計(jì)夾具。此外振動(dòng)試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)試驗(yàn)夾具進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)檢查[4]。夾具的振動(dòng)響應(yīng)檢查，我們則以其一階共振頻率是否在目標(biāo)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)作為最基礎(chǔ)的初步判斷夾具是否符合試驗(yàn)的要求。

而且樣品的安裝、固定方式應(yīng)避免因垂直于規(guī)定振動(dòng)軸線的檢測(cè)點(diǎn)上的最大振幅而產(chǎn)生的橫向運(yùn)動(dòng)[5]和由于自身尺寸大或高質(zhì)心在正弦激勵(lì)下產(chǎn)生的傾覆力矩。對(duì)于因傾覆力矩產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]，我們可以通過(guò)考慮樣品的質(zhì)量Ma，振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)圈、拓展臺(tái)面以及夾具的質(zhì)量Mb，樣品的質(zhì)心與振動(dòng)臺(tái)延伸軸線的距離D和樣品質(zhì)心到振動(dòng)臺(tái)水平推力軸線的高度H，得到理論上剛性樣品最大預(yù)計(jì)傾覆力矩F?？捎米畲蠹?lì)加速度A計(jì)算得出：

帶偏心質(zhì)量的剛體：

水平激勵(lì)下，高質(zhì)心的剛體：

1.3 樣品的固定點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)中特別對(duì)固定點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了定義和作用解釋，并說(shuō)明了傳感器要在干擾盡可能小的前提下盡可能地安裝在最優(yōu)的固定點(diǎn)上作檢測(cè)或監(jiān)控。

2 具體試驗(yàn)及分析

不正確的試驗(yàn)方法將會(huì)導(dǎo)致樣品呈現(xiàn)出錯(cuò)誤的物理結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性結(jié)果，而不準(zhǔn)確的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，將會(huì)誤導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師對(duì)確定樣品機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性的錯(cuò)誤判斷。我們應(yīng)在設(shè)備自身不可避免的誤差下，盡可能地規(guī)范試驗(yàn)方法從而提高樣品振動(dòng)試驗(yàn)的高再現(xiàn)性，從而更真實(shí)地模擬樣品在實(shí)際使用過(guò)程中的顛簸場(chǎng)景或更準(zhǔn)確地找出樣品的結(jié)構(gòu)脆弱的位置。

筆者借助試驗(yàn)室現(xiàn)有的振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)件樣品和傳感器等儀器，通過(guò)大量試驗(yàn)，總結(jié)影響振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)因素。下文通過(guò)具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析相關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

圖1 響應(yīng)傳感器分別貼在1、2、3、4位置

2.1 傳感器的布置

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～2 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

監(jiān)測(cè)傳感器分別在圖1所示的四個(gè)位置上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，測(cè)試曲線圖見(jiàn)圖2～5。

從表1數(shù)據(jù)總結(jié)可見(jiàn)，如果控制傳感器布置在響應(yīng)傳感器的位置，加上拓展臺(tái)面自身的響應(yīng)特性，會(huì)使夾具控制信號(hào)失真，有可能造成共振疊加。所以，振動(dòng)試驗(yàn)的傳感器應(yīng)盡可能地布置在拓展臺(tái)面中心

2.2 試驗(yàn)夾具

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

表1 測(cè)試結(jié)果

圖2 貼在1位置的5～2 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

圖3 貼在2位置的5～2 000Hz正弦振動(dòng)曲線

樣品分別用2種不同的夾具進(jìn)行固定。第一種方式：將拓展臺(tái)面當(dāng)做樣品的夾具，然后樣品固定在拓展臺(tái)面上（如圖6所示）以上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。第二種方式：將動(dòng)圈當(dāng)做樣品的夾具，樣品直接固定在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上（如圖8所示）以上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)試曲線圖見(jiàn)圖7和圖9。

圖4 貼在3位置的5～2 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

圖5 貼在4位置的5～2 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

表2 測(cè)試結(jié)果

圖6 樣品固定在拓展臺(tái)面上

圖7 51 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

圖8 樣品固定在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上

圖9 5～1 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

從表2數(shù)據(jù)總結(jié)可見(jiàn)，樣品固定在拓展臺(tái)面上測(cè)得的一階共振頻率很有可能是臺(tái)面自身的一階共振頻率。而樣品固定在動(dòng)圈上測(cè)得的不存在一階共振頻率的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2.3 樣品不同的安裝方式

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

樣品分別用2種不同的夾具進(jìn)行固定。第一種方式：將樣品的三個(gè)安裝孔螺栓直接剛性連接臺(tái)面，一個(gè)安裝孔用拱形工具固定（如圖10所示）以上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。第二種方式：將樣品的四個(gè)安裝孔均用拱形工具固定（如圖12所示）以上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)試曲線圖見(jiàn)圖11和圖13。

表3 測(cè)試結(jié)果

圖10 用拱形工具壓樣品一個(gè)角

圖11 5～1 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

圖12 用拱形工具壓樣品四個(gè)角

圖13 5～1 000 Hz正弦振動(dòng)曲線

從表3數(shù)據(jù)總結(jié)可見(jiàn)，樣品通過(guò)自身的螺孔與臺(tái)面螺孔一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行剛性固定所測(cè)得的共振頻率更加準(zhǔn)確。而通過(guò)拱形工具將樣品“彈性安裝”在臺(tái)面測(cè)得的共振頻率出現(xiàn)漂移。

3 振動(dòng)試驗(yàn)方法建議

1）控制傳感器應(yīng)盡可能地在拓展臺(tái)面上居中布置，并且盡可能地靠近樣品與夾具的固定點(diǎn)，這樣能避免控制信號(hào)的衰減或失真造成的“欠試驗(yàn)”或“過(guò)實(shí)驗(yàn)”；

2）振動(dòng)試驗(yàn)的夾具應(yīng)有良好的連接特性、較高的傳遞特性和適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡特性[4]。夾具與樣品的組合中心盡可能地落在振動(dòng)臺(tái)的中心線上。夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接時(shí)，螺栓擰進(jìn)振動(dòng)臺(tái)面上螺孔的深度至少要等于螺栓直徑的兩倍。此外，夾具要考慮其材料的剛度和疲勞特性。對(duì)材料的剛度有很大的要求，剛度不足樣品容易損壞。通常我們用公式：

式中：

f—響應(yīng)頻率；

k—材料剛度；

m—質(zhì)量。

也就是說(shuō)，要想提高響應(yīng)頻率，就要盡量減輕夾具的重量[6]。

3）樣品的固定方式應(yīng)優(yōu)先采用螺旋剛性連接，盡量避免“壓板-墊塊”方式；樣品的固定方式應(yīng)盡可能地模擬實(shí)際安裝、使用狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合GB/T 2423.10電工電子產(chǎn)品的正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法的介紹，以及承擔(dān)振動(dòng)能力驗(yàn)證和平常的振動(dòng)試驗(yàn)積累，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，也對(duì)傳感器的不同位置布置、不同夾具的樣品安裝方式、樣品的不同固定方式所產(chǎn)生的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的主要影響因素進(jìn)行了技術(shù)分析和探討，為相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)提供一定的技術(shù)建議和參考。