張廣志 / 中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所

0 引言

電工電子產(chǎn)品沖擊是對(duì)產(chǎn)品施加短時(shí)大量級(jí)機(jī)械沖擊脈沖應(yīng)力，考核產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承受沖擊的能力。產(chǎn)品在經(jīng)受沖擊后會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊響應(yīng)，響應(yīng)的大小反映產(chǎn)品實(shí)際承受沖擊的強(qiáng)度[1]。因此，沖擊試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度可通過監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)峰值加速度來分析[1]。沖擊試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證基于監(jiān)測(cè)指定樣品的沖擊響應(yīng)峰值加速度來考察實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試能力，幫助實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)日常測(cè)試中存在的問題，通過能力驗(yàn)證進(jìn)一步提高試驗(yàn)技術(shù)水平，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 沖擊響應(yīng)譜分析

1.1 沖擊響應(yīng)譜概念

加速度沖擊響應(yīng)譜是對(duì)一個(gè)給定的無阻尼質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定沖擊激勵(lì)，并作為該系統(tǒng)共振頻率的函數(shù)的最大加速度響應(yīng)[2]。在激勵(lì)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)和結(jié)束后，與激勵(lì)脈沖同方向上出現(xiàn)的最大響應(yīng)曲線，稱為最大沖擊響應(yīng)譜[2]。

若選用歸一化頻率和歸一化最大響應(yīng)作為坐標(biāo)，則沖擊響應(yīng)譜對(duì)相同激勵(lì)脈沖波形的沖擊都適用[3]，GB/T 2423.5-2019《環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Ea和導(dǎo)則：沖擊》給出了標(biāo)準(zhǔn)半正弦波脈沖的沖擊響應(yīng)譜波形，如圖1所示。

圖1 半正弦波脈沖的沖擊響應(yīng)譜波形

1.2 最大沖擊響應(yīng)峰值加速度理論值

任何機(jī)械系統(tǒng)都可以用剛性質(zhì)量塊、無質(zhì)量彈簧、阻尼器三者組成的模型來表示。當(dāng)一個(gè)單自由度線性質(zhì)量彈簧系統(tǒng)受到?jīng)_擊脈沖激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)可用下列微分方程來描述：

式中：F(t)——沖擊激勵(lì)函數(shù)；

m——系統(tǒng)質(zhì)量；

c——系統(tǒng)阻尼系數(shù)；

k——?jiǎng)偠?/p>

從式（1）可見，單自由度系統(tǒng)受沖擊激勵(lì)后所產(chǎn)生的響應(yīng)與激勵(lì)脈沖的幅值、脈沖持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)的固有頻率和阻尼有關(guān)。當(dāng)阻尼c= 0時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)幅值最大，而且在最大響應(yīng)后產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦震蕩。當(dāng)阻尼c=∞時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)幅值為零。當(dāng)阻尼在0 ＜c＜∞范圍時(shí)，系統(tǒng)在最大響應(yīng)后為衰減振蕩，其程度與激勵(lì)脈沖的幅值、持續(xù)時(shí)間和系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)。因此，對(duì)于單自由度系統(tǒng)，已知激勵(lì)脈沖的幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間，再得出系統(tǒng)的固有頻率，就可求得系統(tǒng)的激勵(lì)響應(yīng)。

若假設(shè)樣品為單自由度系統(tǒng)且安裝固定后，激勵(lì)脈沖波形為標(biāo)準(zhǔn)半正弦波，峰值加速度A為15 g，脈沖持續(xù)時(shí)間D為11 ms，試驗(yàn)得出最大沖擊響應(yīng)峰值加速度。試驗(yàn)流程如下：

1）掃頻得出樣品固有頻率f，若得到f=100 Hz；

2）求歸一化頻率fD= 1.1；

3）查圖1中歸一化頻率1.1對(duì)應(yīng)沖擊響應(yīng)譜曲線縱坐標(biāo)，得對(duì)應(yīng)的歸一化最大響應(yīng)amax/A近似為1.62；

4）得出最大沖擊響應(yīng)峰值加速度理論值amax=24.3g。實(shí)際試驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)無阻尼系統(tǒng)，實(shí)測(cè)值會(huì)相對(duì)偏小，達(dá)不到理論值。

2 沖擊能力驗(yàn)證

2.1 被測(cè)樣品和測(cè)試方法

2.1.1 被測(cè)樣品

沖擊能力驗(yàn)證采用樣品為特制的金屬結(jié)構(gòu)件，如圖2所示，樣品主要由鋁合金底板、支撐架、懸臂桿、砝碼等組成[1]。在做沖擊試驗(yàn)時(shí)，將鋁合金底板固定在試驗(yàn)臺(tái)面上，在砝碼前端平面上設(shè)置傳感器，測(cè)定指定點(diǎn)最大沖擊響應(yīng)峰值加速度。

圖2 沖擊能力驗(yàn)證樣品

2.1.2 測(cè)試方法

測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5-2019，試驗(yàn)控制參數(shù)如表1所示。

表1 沖擊試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)要求如下：

1）測(cè)試環(huán)境溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±10）%，無其他振動(dòng)和熱輻射影響；

2）樣品需在試驗(yàn)環(huán)境條件下放置至少1 h進(jìn)行預(yù)處理；

3）試驗(yàn)采用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；

4）通過安裝孔或夾具將樣品固定在試驗(yàn)臺(tái)面上，同時(shí)應(yīng)保證樣品的安裝面呈水平狀態(tài)；

5）將監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)置在樣品砝碼前端指定平面上；

6）在垂直方向上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得出樣品指定點(diǎn)的最大沖擊響應(yīng)峰值加速度[4]。

2.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

2.2.1 能力評(píng)價(jià)原則

實(shí)驗(yàn)室提交的最大沖擊響應(yīng)峰值加速度作為評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)CNAS-GL002:2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》中的算法A對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5]。

式中：x——參加實(shí)驗(yàn)室提交的結(jié)果；

X——指定值，參加實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)健平均值取20.8g[4]；

σ——能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差，參加實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差取1.17g[4]

沖擊試驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)如下：

|Z|≤2為合格（滿意）結(jié)果，2 ＜ |Z| ＜ 3為有問題，|Z|≥3為不合格（不滿意）結(jié)果。

2.2.2 結(jié)果能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)室參加由威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司組織實(shí)施的BD 2020-1974C“沖擊試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證計(jì)劃（一對(duì)一）”，能力驗(yàn)證結(jié)果及評(píng)價(jià)分別如表2所示。

表2 沖擊試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證（一對(duì)一）結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室采用兩種固定方案，一種是通過壓板將樣品直接固定在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上，減少中間傳遞環(huán)節(jié)，提升整個(gè)系統(tǒng)的剛度，實(shí)測(cè)最大沖擊響應(yīng)峰值加速度為21.1g；另一種采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度好的六邊形垂直擴(kuò)展臺(tái)作為過渡固定樣品，擴(kuò)展臺(tái)材質(zhì)具有較高的剛度-質(zhì)量比，采用筋板結(jié)構(gòu)焊接工藝，臺(tái)面嵌入鋼制螺紋孔套，可通過螺栓直接固定樣品，擴(kuò)展臺(tái)固有頻率為1 800 Hz，可避免在試驗(yàn)頻率內(nèi)與樣品產(chǎn)生共振，滿足試驗(yàn)要求。實(shí)測(cè)最大沖擊響應(yīng)峰值加速度結(jié)果為21.4g最終沖擊能力驗(yàn)證結(jié)果為滿意。

3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果影響因素

沖擊試驗(yàn)的最大沖擊響應(yīng)峰值加速度結(jié)果的準(zhǔn)確性受很多因素影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的整改經(jīng)歷，沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響因素主要包括樣品的固定[6]、傳感器的參數(shù)設(shè)置[6]、傳感器的布置[7]、振動(dòng)臺(tái)沖擊幅值的準(zhǔn)確性、振動(dòng)控制儀的參數(shù)設(shè)置等因素。

3.1 樣品的固定

依照GB/T 2423.43-2008對(duì)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣品的安裝要求，在任何情況下，元件應(yīng)固定在剛性試驗(yàn)夾具上或直接緊固在試驗(yàn)臺(tái)的安裝表面上[8]。但在實(shí)際環(huán)境中，受樣品的安裝孔位或工裝夾具動(dòng)態(tài)特性等因素所限制，試驗(yàn)安裝一般做不到絕對(duì)剛性，但應(yīng)盡量剛性安裝。樣品在試驗(yàn)臺(tái)上牢固裝夾，才能獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)，達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)效果。針對(duì)樣品裝夾提出以下幾點(diǎn)建議：

1）盡量將樣品裝夾在試驗(yàn)臺(tái)面的中間；

2）樣品裝夾應(yīng)采用剛性固定，固定力應(yīng)足夠（滿足安裝力矩要求），并且對(duì)稱平衡，保證試樣不受過度應(yīng)力而變形；

3）樣品應(yīng)直接裝在試驗(yàn)臺(tái)面上，如樣品的安裝孔不合適，可選擇合適的剛性壓板緊固等方式，應(yīng)盡量減少過渡環(huán)節(jié)。

3.2 傳感器的參數(shù)設(shè)置

傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)為靈敏度值，一般傳感器出廠都會(huì)附帶證書標(biāo)定靈敏度值。但是傳感器在使用中可能會(huì)出現(xiàn)靈敏度飄移的情況，因此，使用的傳感器應(yīng)定期送檢計(jì)量，校準(zhǔn)證書一般給出160 Hz參考靈敏度值。但不是所有情況都使用參考靈敏度值，在實(shí)際使用中還要根據(jù)試驗(yàn)條件、傳感器的頻響特性曲線和幅值線性度情況，選擇合適準(zhǔn)確的靈敏度值。

3.3 傳感器的布置

沖擊試驗(yàn)需要安裝兩種傳感器，一種安裝在某個(gè)特定的控制點(diǎn)處，用于檢測(cè)反饋控制信號(hào)的傳感器，稱為控制傳感器?？刂泣c(diǎn)在沖擊試驗(yàn)中用以控制沖擊量值的傳感器的安裝點(diǎn)，該點(diǎn)應(yīng)該緊靠樣品固定點(diǎn)進(jìn)行布置。若控制點(diǎn)選擇在試驗(yàn)臺(tái)面邊緣，可能導(dǎo)致響應(yīng)偏差，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏離。另一種是安裝在“監(jiān)測(cè)點(diǎn)”處，用于檢測(cè)樣品在沖擊試驗(yàn)中響應(yīng)狀態(tài)參數(shù)的傳感器，稱為監(jiān)測(cè)傳感器。監(jiān)測(cè)傳感器應(yīng)布置在樣品砝碼前端指定平面中心處，一般要求傳感器粘貼緊固，可采用膠水粘貼，粘貼前應(yīng)保證傳感器底部干凈平整。

3.4 振動(dòng)臺(tái)沖擊幅值的準(zhǔn)確性

試驗(yàn)所用的振動(dòng)臺(tái)的性能指標(biāo)對(duì)于測(cè)試結(jié)果也有影響，振動(dòng)臺(tái)輸出量級(jí)的偏差會(huì)引至沖擊響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果中。通常振動(dòng)臺(tái)應(yīng)參照J(rèn)JG 948-2018規(guī)范定期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。為滿足此次沖擊能力驗(yàn)證要求，振動(dòng)臺(tái)在加速度幅值15g、脈寬11 ms的半正弦波沖擊幅值示值誤差應(yīng)校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)沖擊波形幅值進(jìn)行修正，以保障振動(dòng)臺(tái)輸出量級(jí)的準(zhǔn)確性。

3.5 振動(dòng)控制儀的參數(shù)設(shè)置

在振動(dòng)控制儀參數(shù)中應(yīng)注意采樣頻率的設(shè)置，采樣頻率不是設(shè)置得越高越好，過高的采樣頻率會(huì)導(dǎo)致采集到的半正弦脈沖波形不光滑且有很多尖銳凸起，比實(shí)際值偏大，實(shí)際測(cè)試中根據(jù)試驗(yàn)條件按照采樣定理合理設(shè)置采樣頻率即可。試驗(yàn)中若是對(duì)樣品進(jìn)行多次沖擊，還應(yīng)注意相鄰兩次沖擊間隔時(shí)間應(yīng)足夠。若兩次沖擊時(shí)間間隔過短，上一次的殘余沖擊響應(yīng)尚未消除就疊加下一次的沖擊響應(yīng)，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

通過沖擊試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證，考核了實(shí)驗(yàn)室人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解、試驗(yàn)操作能力和試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)確性等，保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。此外從樣品的安裝、傳感器的參數(shù)設(shè)置、傳感器的布置、振動(dòng)臺(tái)沖擊幅值的準(zhǔn)確性和振動(dòng)控制儀的參數(shù)設(shè)置等五個(gè)方面，提出了提高沖擊試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性的方法。