振動試驗技術(shù)綜述

劉宗華++劉天同++董達(dá)

摘 要：該文講述了振動試驗（正弦振動、隨機(jī)振動）的原理、參數(shù)識別、計算公式，重點講述了隨機(jī)振動試驗技術(shù)，包括試驗容差要求、振動條件疲勞等價關(guān)系以及振動控制理論、方法等。另外，還介紹了振動夾具的設(shè)計要求、測試方法等。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動 試驗技術(shù) 振動控制

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

振動試驗是在實驗室條件下產(chǎn)生一個人工可控的振動環(huán)境，該環(huán)境模擬產(chǎn)品生命周期（制造/維修、運輸、工作、其它）內(nèi)的使用振動環(huán)境，使產(chǎn)品經(jīng)受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，考核產(chǎn)品在預(yù)期使用過程的振動環(huán)境作用下，能否達(dá)到設(shè)計所規(guī)定的各項技術(shù)要求，同時也是考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的一個主要試驗方法。因此，振動試驗是產(chǎn)品可靠性試驗的重要組成部分。

1 正弦振動試驗

1.1 正弦振動試驗原理

振動變量是正弦函數(shù)形式的一種振動試驗。

1.2 正弦振動試驗方法

常用的正弦振動試驗分為：定頻振動和掃頻振動。

定頻振動是指頻率一定，振動加速度（或幅值）、試驗時間可變的正弦振動試驗。

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

1.3 正弦振動試驗的峰值加速度要求

（1）振動環(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）振動測量：保證在試驗頻率范圍內(nèi)，振動測量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上的正弦峰值測量數(shù)據(jù)，其偏差在振動量值的±5%之內(nèi)。

（3）均方根加速度值：正弦振動均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機(jī)振動試驗

2.1 隨機(jī)振動定義

振動變量是一種隨機(jī)變化的振動試驗，在任意給定時刻，其瞬時值都不能精確預(yù)知。因此，隨機(jī)振動用統(tǒng)計的方法來進(jìn)行描述，采用頻率域統(tǒng)計描述，即用功率譜密度函數(shù)來描述隨機(jī)信號在頻率域的統(tǒng)計特性。[2]

3 隨機(jī)振動試驗技術(shù)

3.1 試驗允差

隨機(jī)振動規(guī)定了加速度譜密度、頻率測量、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±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過允差的累積帶寬應(yīng)限制在整個試驗頻率帶寬的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 頻率測量

在試驗頻率范圍內(nèi)，振動測量系統(tǒng)提供傳感器安裝面上頻率測量偏差應(yīng)在±1.25%內(nèi)。對于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應(yīng)小于等于2.5 Hz；對于頻率大于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，相互正交并與試驗驅(qū)動軸正交的兩個軸上的振動加速度應(yīng)不大于試驗軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動試驗控制

在試驗室振動試驗中，試件一般通過適當(dāng)?shù)脑囼瀶A具安裝在振動臺，試驗夾具與振動臺的組合用于模擬預(yù)期使用過程中平臺產(chǎn)生的振動環(huán)境，大多數(shù)情況下，振動使用條件所對應(yīng)的振動控制點選擇在試件與試驗夾具的連接界面上，其代表了預(yù)期使用過程中平臺對裝備的振動環(huán)境激勵。在理想狀態(tài)情況下，即試件相對與振動臺和試驗夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗夾具連接界面的振動響應(yīng)將與預(yù)期使用過程一致，可以認(rèn)為試件經(jīng)受了符合預(yù)期使用過程的振動環(huán)境考核。

當(dāng)試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時，由于試件與振動臺、試驗夾具的動力耦合（共振或反共振）作用，試驗時振動環(huán)境的模擬結(jié)果往往偏離理想的試驗條件。這樣即使在試件與試驗夾具連接界面的振動控制點達(dá)到了規(guī)定的振動加速度試驗條件，試件上的振動響應(yīng)也會與預(yù)期使用過程中裝備上的振動響應(yīng)不一致，從而導(dǎo)致試件的過試驗或欠試驗。因此，在實驗室振動環(huán)境試驗中，需要采取適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ愿纳圃嚰倪^試驗或欠試驗，使得試驗結(jié)果更接近預(yù)期試驗情況。

振動試驗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)控制以及開環(huán)波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對比及說明。

4 振動夾具設(shè)計

4.1 振動夾具設(shè)計要求

一個好的振動夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結(jié)構(gòu)、加工工藝性、動態(tài)傳遞特性等多方面考慮。因此，振動夾具設(shè)計過程時，應(yīng)考慮以下因素[1]。

（1）振動夾具能夠最大限度地模擬產(chǎn)品的真實安裝方式，既能方便地與振動臺面連接，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臺面最短距離要求，并且與振動臺面同軸。

（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)選選用對稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動臺面連接的固定點要求圓周對稱分布，同一個平面最少均布4個孔，孔的形狀做成埋頭帶臺肩的樣式。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)計時要設(shè)計傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點。

（6）在整個試驗頻段內(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)高于試驗最高頻率。如果，不能高于試驗最高頻率，則要求不能低于某個頻率值，并且在高于這個頻率時允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動夾具的橫向振動應(yīng)盡量小，要求不大于軸向振動的30%。

4.2 振動夾具測試方法

（1）用正弦掃頻的試驗方法對夾具的傳遞特性進(jìn)行測試，通過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)行正弦掃頻測試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進(jìn)行測試時，要求將控制傳感器置于振動夾具與振動臺面的固定點處，而監(jiān)測傳感器置于振動夾具與試件的固定點或分界面上，并且有較大剛度的地方。

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

5 結(jié)語

振動試驗技術(shù)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，需要從試驗參數(shù)識別、試驗控制、振動分析、故障預(yù)測與診斷、試驗夾具設(shè)計等各個方面入手，加強(qiáng)這門試驗技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡志強(qiáng)，法慶衍，洪寶林，等.隨機(jī)振動試驗應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)[M].力學(xué)環(huán)境試驗技術(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)境試驗方法 振動試驗》[Z].

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