胡凱，車漢生，張仕彬，張旺威，楊湧波

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

一般產(chǎn)品在沒有包裝或防護的情況下，其在實際運用、運輸?shù)冗^程中都會經(jīng)受外界機械環(huán)境的應(yīng)力（沖擊）影響。外界的沖擊可能會對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能完整性產(chǎn)生一定的不良影響。這種不良影響的程度則一般因為沖擊的量級和持續(xù)時間（次數(shù)）的增減而改變。因此，振動臺和沖擊臺均能模擬產(chǎn)品在實際運用、運輸?shù)冗^程中的環(huán)境應(yīng)力，進而暴露其機械薄弱環(huán)節(jié)和性能薄弱環(huán)節(jié)。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 的沖擊試驗方法和振動臺、沖擊臺的沖擊試驗原理，對半正弦波沖擊試驗展開差異化探討。希望通過本次探討，可以給試驗人員在今后試驗過程中對設(shè)備的選擇和試驗方法提供參考和建議。

1 振動臺、沖擊臺的結(jié)構(gòu)、工作原理以及半正弦波沖擊試驗的關(guān)鍵要素

在沖擊試驗中，常見的設(shè)備的有兩大類，一類是典型的氣動沖擊臺和液壓沖擊臺，另一類就是我們熟悉的振動臺。氣動沖擊臺的工作原理是通過控制軟件系統(tǒng)來設(shè)置氣缸工作壓力、控制沖擊臺的上升、下降、沖擊壓力等信號，通過波形發(fā)生器（羊毛氈或聚氨酯波形發(fā)生器）產(chǎn)生脈寬時間來實現(xiàn)沖擊，并通過加速度傳感器同時采集實時數(shù)據(jù)，并在電腦上通過計算得出沖擊數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)較為簡單，一般由基座、臺面、導(dǎo)向裝置、沖擊氣缸、行程限制系統(tǒng)、沖擊控制測量系統(tǒng)、儲氣裝置、隔震系統(tǒng)以及配套的沖擊波形發(fā)生器等組成，如圖1 所示。而振動臺的沖擊功能原理是控制器控制功率放大器，通過勵磁線圈產(chǎn)生對應(yīng)的力、加速度、速度和位移（均不超過振動臺的額定值）從而產(chǎn)生特定的加速度/脈沖時間波形，如圖2 所示。

圖1 氣動沖擊臺

圖2 振動臺

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 中對于半正弦波沖擊試驗的關(guān)鍵要素包括以下五點：①脈沖波形（如圖3 所示）：半正弦波，時間歷程曲線為半正弦波的半個周期的理想沖擊脈沖；②重力加速度：物體在地球表面由于重力作用所產(chǎn)生的加速度；③脈沖持續(xù)時間：沖擊脈沖從基準(zhǔn)值上升到最大值，再下降到基準(zhǔn)值所需的時間；④沖擊的方向（被測樣品的三個正交軸的每個方向）和次數(shù)；⑤半正弦波的容差范圍。但沖擊試驗的基本前提條件是被測樣品間接（通過夾具）或直接剛性固定在試驗臺面上，并且必要時被測樣品的固定方式應(yīng)與實際安裝使用的固定方式一致。

圖3 理想的半正弦波示意圖[1]

2 具體試驗及分析

2.1 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式，在不同設(shè)備進行相同參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)比較

用相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式（如圖4 所示），分別在振動臺、沖擊臺上進行相同參數(shù)的半正弦波沖擊試驗，各采集10 組測試數(shù)據(jù)進行比較。

圖4

試驗參數(shù)設(shè)置如下：加速度（a）：25 m/s2；脈沖持續(xù)時間：6 ms；沖擊次數(shù)：10 次；沖擊方向：-Z 方向。

結(jié)合圖5 觀察沖擊臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1），沖擊臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時間的總分布相當(dāng)于振動臺較為零散，也就是沖擊臺做出來的半正弦波沖擊波形較為波動，尤其是加速度誤差也比較大。結(jié)合圖6 觀察振動臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1），振動臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時間的總體分布較為集中，也就是振動臺做出來的半正弦波沖擊波形較為穩(wěn)定。此外，沖擊臺的沖擊加速度還呈現(xiàn)了隨著測試次數(shù)遞增而遞增，波形則隨著測試次數(shù)遞增而遞減。

表1 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式，在不同設(shè)備進行相同參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)

圖5 沖擊臺沖擊曲線

圖6 振動臺沖擊曲線

2.2 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式，在不同設(shè)備進行相同參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)比較

用相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式（如圖7 所示），分別在振動臺、沖擊臺上進行相同參數(shù)的半正弦波沖擊試驗，各采集10組測試數(shù)據(jù)進行比較。

圖7

試驗參數(shù)設(shè)置如下：加速度（a）：25 m/s2；脈沖持續(xù)時間：6 ms；沖擊次數(shù)：10 次；沖擊方向：+Z 方向。

結(jié)合圖8 觀察沖擊臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2），由于標(biāo)準(zhǔn)件在沖擊臺上的固定方式采用了夾具過渡，其沖擊加速度呈現(xiàn)出更明顯的遞增現(xiàn)象，而且沖擊加速度誤差更大。結(jié)合圖9 觀察振動臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2），振動臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時間的總體分布也較為集中，沖擊加速度誤差低于1 %，而且表1 和表2 的振動臺試驗數(shù)據(jù)很相近。

圖8 沖擊臺沖擊曲線

圖9 振動臺沖擊曲線

表2 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式，在不同設(shè)備進行相同參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)

3 分析與結(jié)論

筆者借助試驗室現(xiàn)有的振動臺、沖擊臺、標(biāo)準(zhǔn)件和傳感器等儀器，通過兩種情況對兩種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)測量，可以明顯得出以下結(jié)論：第一，振動臺做半正弦波沖擊試驗的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比沖擊臺好、控制精度更高、重復(fù)性更好。原因是振動臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時間都是依據(jù)驅(qū)動信號而發(fā)生的，而沖擊臺是通過控制器調(diào)節(jié)設(shè)備工作臺面的目標(biāo)上升高度和沖擊加壓壓力，通過瞬間沖擊到不同剛度的波形發(fā)生器上從而得到不同的的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時間。所以，因為設(shè)備的工作原理差異導(dǎo)致了試驗數(shù)據(jù)到差異化。另一方面，也是由于沖擊臺的波形發(fā)生器是物理材料，其老化程度、軟硬程度都會直接影響到?jīng)_擊加速度和脈沖持續(xù)時間。而且，隨著沖擊的次數(shù)增加，波形發(fā)生器也會發(fā)生連續(xù)性疲勞，所以沖擊臺的沖擊加速度還呈現(xiàn)了隨著沖擊次數(shù)遞增而遞增，波形則隨著測試次數(shù)遞增而遞減的現(xiàn)象。第二，在不同的固定方式下，在不同的設(shè)備之間做半正弦波沖擊試驗，振動臺的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也比沖擊臺好。這說明被測樣品的固定方式也與試驗結(jié)果息息相關(guān)。因為GB/T 2423.5 標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了被測樣品要與臺面進行剛性固定，而沖擊臺的臺面只能向下進行沖擊運動，但是振動臺的臺面是可以上下、前后運動的。所以在沖擊臺上做半正弦波沖擊試驗，被測樣品的一些沖擊方向只能借助夾具進行象征式的剛性固定（如圖7所示，其實樣品處于懸吊式安裝），而在振動臺上做半正弦波沖擊試驗，樣品只需要利用其本身的固定螺孔或者借助夾具，像振動試驗一樣將其與臺面進行剛性固定則可以進行6 個方向的沖擊試驗。因此，被測樣品的不規(guī)范固定方式，也將影響沖擊試驗結(jié)果。

4 結(jié)語與建議

本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 中半正弦波沖擊試驗的方法，通過兩種情況下不同設(shè)備之間的測試數(shù)據(jù)進行比較?？偨Y(jié)出了振動臺和沖擊臺做半正弦波沖擊試驗的差異，也總結(jié)出了不同的固定方式下，運用振動臺和沖擊臺做半正弦波沖擊試驗的差異。為了使試驗人員更加明確地選擇試驗設(shè)備、更加準(zhǔn)確地進行半正弦波沖擊試驗，并結(jié)合振動臺和沖擊臺的設(shè)備原理，對此提出以下三點建議：

1）被測樣品應(yīng)盡可能地按照實際安裝方式進行直接或通過夾具間接有效地剛性固定在設(shè)備臺面上。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^渡特性[2]。尤其是樣品利用夾具固定在沖擊臺上進行六個方向的半正弦波沖擊試驗時，夾具的設(shè)計應(yīng)充分考慮每個方向是否會出現(xiàn)傾覆力矩[3]產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動應(yīng)力疊加，對被測樣品造成“過試驗”。對于速度變化量小于2 m/s、對于沖擊次數(shù)少的半正弦波沖擊試驗，可以考慮優(yōu)先選擇使用振動臺進行試驗。

2）從經(jīng)濟效益考慮出發(fā)，對于速度變化量超過2 m/s、對于沖擊次數(shù)多的半正弦波沖擊試驗，可以考慮優(yōu)先選擇使用沖擊臺進行試驗。因為一般的振動臺的最大速度變化量[4]為2 m/s（受限于功率放大器的最大輸出電壓），其負(fù)載能力較弱，而且沖擊頻次不如沖擊臺高。運用振動臺做速度變化量超過2 m/s 的沖擊試驗一般難以實現(xiàn)，并且測試費用相對于沖擊臺較為昂貴。但是沖擊臺的負(fù)載能力強（尤其是氣壓力驅(qū)動式?jīng)_擊臺），最大速度變化量可達15 m/s 而且沖擊頻率可高達約100 次/分鐘。

3）由于沖擊臺的波形發(fā)生器在使用過程中也會出現(xiàn)材料疲勞，所以選擇沖擊臺進行多次數(shù)、高頻次的半正弦波沖擊試驗時，試驗人員應(yīng)時刻地關(guān)注加速度峰值和脈沖波形的變化情況。試驗過程中若發(fā)現(xiàn)波形誤差超過標(biāo)準(zhǔn)的容差范圍要求，則應(yīng)該及時更換波形發(fā)生器或者調(diào)整沖擊臺的臺面沖擊高度。