振動試驗技術(shù)

振動試驗技術(shù)

蘇州環(huán)可檢測有限公司 ?陸繼田

【摘要】分析振動試驗對產(chǎn)品可靠性的影響，評估導(dǎo)入振動測試的必要性;介紹振動測試的定義、目的、測試方法、條件及引起的失效模式。

【關(guān)鍵詞】正弦振動;隨機振動;失效摸式

1.引言

振動測試作為驗證產(chǎn)品機械可靠性的主要手段，可以有效的評估產(chǎn)品機械可靠性并推進產(chǎn)品機械可靠性提升。提升產(chǎn)品機械可靠性，有利于提升產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品形象，提高客戶對公司產(chǎn)品的品牌認可度;通過振動測試可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在運輸及使用過程中由機械振動導(dǎo)致的失效，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進提供依據(jù)，以提升產(chǎn)品在運輸及在復(fù)雜使用環(huán)境中的可靠性，提升產(chǎn)品設(shè)計水平降低產(chǎn)品維護成本;有效評估機械振動對產(chǎn)品可靠性的影響及通過振動測試不斷提升產(chǎn)品機械可靠性顯得尤為重要。

2.振動試驗引起的失效摸式

振動試驗是在實驗室模擬各種惡劣的振動條件，以檢驗振動對產(chǎn)品的影響，稱之為失效摸式。

（1）對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

這種影響主要是使結(jié)構(gòu)損壞，引起變形、彎曲、產(chǎn)生裂紋、斷裂，造成部件間的相互撞擊等，從而使產(chǎn)品疲勞損壞，這種破壞又可分為由于振動所引起的應(yīng)力超過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時間的振動使產(chǎn)品發(fā)生疲勞而造成的破壞，這種破壞通常是不可逆的。

（2）對工作性能的影響

主要是振動使工作性能失靈、運動部件動作不正常、功能失效或性能超差，造成接觸部件的接觸不良，繼電器誤協(xié)作，電子管噪聲增加，指示燈閃爍等，從而導(dǎo)致工作不正常、不穩(wěn)定，甚至完全不能工作。這種影響的嚴(yán)重程度，往往取決于振動量值的大小，而且這種破壞通常不屬于永久性的破壞，在很多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復(fù)正常。

（3）對工藝性能的影響

主要是振動使工藝性能破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊等。這種破壞通常在一個不太長的振動時間內(nèi)就會出現(xiàn)，一般在30分鐘到1小時就能發(fā)現(xiàn)，并且往往是不可逆的。

無論哪種破壞都將導(dǎo)致產(chǎn)品的工作不穩(wěn)定，甚至損壞。為了提高產(chǎn)品的可靠性需要通過振動試驗來暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，改進產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品在運輸使用過程中不出或者少出故障。這是振動試驗的最終目的。目前在實驗室中進行振動試驗的形式最常用的是正弦振動和隨機振動試驗。振動試驗的目的是確定產(chǎn)品從制成開始， 在運輸、使用及工作過程中所能承受外來的振動或自身產(chǎn)生的振動，而不致破壞并能保持其原有性能，達到預(yù)訂的壽命和可靠性。

3.正弦振動試驗

3.1 正弦振動試驗?zāi)康?/p>

正弦振動試驗的目的是在實驗室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運輸、儲存、使用過程中所能經(jīng)受到的正弦振動以及其影響;正弦振動還可以用來研究產(chǎn)品的動態(tài)特性等。

3.2 正弦振動應(yīng)力參數(shù)

正弦振動試驗時屬于規(guī)定一種機械運動的力學(xué)環(huán)境試驗方法，而這種機械運動就是以正弦曲線為基本運動的軌跡。當(dāng)用位移來作為時變函數(shù)時，正弦振動是位移、速度和加速度為時間 諧和函數(shù)的振動稱為簡諧振動，這是一種最簡單最基本的振動。其函數(shù)表達式為：

正弦振動試驗的基本運動的時間歷程如圖1所示。

從上述正弦振動試驗的方程式和時間歷程圖可見，用頻率、幅值兩個參數(shù)就可以完整描述正弦振動試驗的基本運動。正弦振動試驗的試驗條件（嚴(yán)酷等級）由頻率、振幅、測試持續(xù)時間三個參數(shù)共同確定。

圖1 正弦振動試驗的基本運動的時間歷程

3.3 正弦振動試驗條件

3.3.1 頻率、頻率范圍

對頻率、頻率范圍，如果有產(chǎn)品安裝平臺環(huán)境條件數(shù)據(jù)就直接用產(chǎn)品安裝平臺的數(shù)據(jù);如果沒有，或是可用多種場合或多種產(chǎn)品使用的產(chǎn)品，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的條件通過工程判斷來確定時間歷程振動試驗的條件。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇試驗頻率范圍時，可以根據(jù)測試的具體目的進行選擇。產(chǎn)品在運輸、貯存和使用過程上中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設(shè)備，其車輛主要基波頻率可能低到在1.5-4Hz之間，而振動試驗設(shè)備，要達到1.5Hz，其加速度波形失真就會相差很大，達不到試驗的要求。因此在確定試驗頻率范圍時就要權(quán)衡，如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍不寬，低頻端在1Hz 或1Hz以下，高頻段在100Hz（或-500Hz），則可以用液壓振動臺來實現(xiàn);如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍很寬，其高頻段在500-2000Hz以上，而低頻段又要到1 Hz 或1Hz以下，則只能行當(dāng)?shù)奶岣叩皖l段的起點頻率，例如低頻段從5-10Hz開始，因為要達到500-2000Hz的頻率，必須用電動振動臺來進行試驗，而電動振動臺低頻段公可達到5-10Hz（部分電動振動臺可以達到1Hz，但加速度失真偏大）。

圖2 環(huán)可檢測-車載攝像頭正弦振動試驗圖片

3.3.2 振幅及選擇

在正弦振動試驗中，其振幅有位移幅值和加速度值兩種，在實際試驗時，有的試驗僅給出位移幅值，有的試驗同時給出位移幅值和加速度值。

僅給出一個位移幅值：對IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，其上限頻率不超過101Hz的試驗，只給出一個位移幅值;對美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，例如電子及電氣元件試驗方法，在10-55Hz的頻率范圍內(nèi)也僅給出一個位移幅值，其值為0.75mm（單振幅）。

產(chǎn)品安裝平臺實際振動的特點是頻率愈高加速度愈大，頻率愈低位移幅值愈大，而且隨著振動頻率的變化而不斷改變。就對產(chǎn)品的影響而言，低頻主要是位移破壞，高頻主要是加速度破壞;當(dāng)今的正弦振動試驗是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)時的試驗室模擬技術(shù)還不可能實現(xiàn)像現(xiàn)場振動一樣隨著振動頻率的變化而其位移幅值不斷改變，只能采用盡量逼近現(xiàn)場振動的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（定位移），高頻段加速度幅值不變（定加速度），從定位移談到 定加速度之間的頻率稱交越頻率（振動特性一種關(guān)系變到另一種關(guān)系的頻率）。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國際中有兩種交越頻率，即8-9Hz的低交越頻率和57-62Hz高交越頻率，前者主要用于船船產(chǎn)品的試驗，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗。 ? ? （下轉(zhuǎn)第91頁）（上接第89頁）

3.3.3 試驗持續(xù)時間及選擇

試驗的持續(xù)時間是描述產(chǎn)品的耐受振動能力的重要參數(shù)。對試驗持續(xù)時間的選擇相對于上述兩個參數(shù)和選擇要困難得多。因為目前一般很難給出多長的試驗時間相當(dāng)于實際使用多少時間。對掃頻試驗，通常以掃頻循環(huán)數(shù)給出試驗時間。對定頻試驗，則直接以分鐘和小時給出試驗時間。

3.4 附正弦振動試驗圖2及曲線圖3

4.隨機振動動試驗

4.1 隨機振動試驗?zāi)康?/p>

產(chǎn)品在運輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數(shù)就是隨機性質(zhì)的振動。例如，車輛在不平坦的道路上行駛時產(chǎn)品的振動;因此，隨機振動試驗?zāi)苷鎸嵎从钞a(chǎn)品的耐振動性。

隨機振動和正弦振動相比，隨機振動的頻率域?qū)?，而且有一個連續(xù)的頻譜，它能同時在所有頻率上對產(chǎn)品進行激烈，各種頻率的相互作用遠比用正弦振動僅對某些某些頻率或連續(xù)掃頻模擬上述振動的影響更殘酷更真實和更有效。

圖4 寬帶隨機振動時間歷程

4.2 隨機振動應(yīng)力參數(shù)

在隨機振動試驗中，由于振動的質(zhì)點處于不規(guī)則的運動狀態(tài)，永遠不會精確的重復(fù)，對其進行一系列的測量，名次記錄都不一樣，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。典型的寬帶隨機振動時間歷程如圖4所示。

由圖4可見，隨機過程最明顯的特點是非周期性，瞬間值無法預(yù)測;但并非無規(guī)律可言，而是表現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律性。因此對隨機信號的研究，處理和分析必須用統(tǒng)計的方法來進行。對某一隨機過程，通常下列國個方面的信息來描述。

時間域：平均值、均方值、均方根值、方差

幅值域：概率分布、概率密度

時差域：自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)

頻率域：自動率譜密度、互功率譜密度、頻率響應(yīng)函數(shù)及相干函數(shù)

隨機過程有平衡的和非平衡的，有各態(tài)歷經(jīng)的和非各態(tài)歷經(jīng)的;有正態(tài)分布的和非正態(tài)分布的。在隨機振動試驗的范疇內(nèi)，通常假定為平衡的、各態(tài)經(jīng)歷的，并且是正態(tài)分布的。

4.3 隨機振動試驗條件

4.3.1 試驗頻率范圍

指產(chǎn)品安裝平臺的振動對產(chǎn)品產(chǎn)生有效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率。典型的低頻通常對取產(chǎn)品最低共振頻率的一半或其安裝平臺明顯振動的最低頻率;典型的高頻是產(chǎn)品最高共振頻率的兩倍或其安裝平臺明顯振動的最高頻率，或是可以有效地機械地傳遞振動的最高頻率。

4.3.2 功率譜譜密度和功率譜譜密度的頻譜

隨機振動是以定義在相關(guān)頻率范圍內(nèi)的PSD功率譜密度（ASD加速度譜密度）及功率譜譜密度的頻譜的形式來表征。功率譜密度（加速度譜密度）是指單位頻率上的能量，功率譜譜密度的頻譜（加速度譜密度的頻譜）是指振動能量在整個頻率方位內(nèi)的分布。

4.3.3 總均方根加速度

總均方根加速度（Grms）值是功率譜譜密度的頻譜在全頻段面積的積分，即均方根值，它不包含任何頻率信息。因此Grms值通常用來進行試驗誤差控制與檢測，以及根據(jù)試驗樣品的重量、體積、動態(tài)特性來選需多大推力（功率）的振動臺。評價隨機振動試驗 應(yīng)力大小的真正判據(jù)應(yīng)該是在給定頻率范圍內(nèi)的加速度譜密度高低，即看隨機振動試驗 的加速度譜密度頻譜曲線，而不是看總均方根加速度的高低。

4.3.4 試驗時間

試驗時間就是進行隨機振動的持續(xù)時間，通常分為功能（性能）和強度（耐久）兩種試驗時間。

4.4 附隨機振動試驗圖片圖5及圖6曲線圖

圖5 環(huán)可檢測-包裝箱隨機振動實驗圖

5.結(jié)束語

振動試驗主要是環(huán)境模擬，就是使產(chǎn)品經(jīng)受到與實際使用過程的振動環(huán)境相同或相似的振動激勵作用，來驗證考核產(chǎn)品在預(yù)期的振動環(huán)境作用下，能否達到設(shè)計規(guī)定的性能指標(biāo)。目前振動試驗已被應(yīng)用多個領(lǐng)域：如航空航天、交通運輸、軍工產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品等。