振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)與應(yīng)用

洪翔

摘 要： 針對(duì)產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室模擬預(yù)期的振動(dòng)環(huán)境，合理進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)的要點(diǎn)進(jìn)行概括和分析。本文首先介紹了振動(dòng)試驗(yàn)分類和實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)原理，詳細(xì)分析了振動(dòng)試驗(yàn)的四種控制方法，對(duì)不同試驗(yàn)條件怎樣選擇相應(yīng)的控制方法給出了指導(dǎo)，然后對(duì)產(chǎn)品安裝提出了科學(xué)合理的要求，最后對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)流程進(jìn)行了梳理，明確了試驗(yàn)過程中每個(gè)步驟的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)試驗(yàn)；控制方法；安裝要求

1 引言

任何產(chǎn)品壽命期內(nèi)的貯存、運(yùn)輸和使用狀態(tài)均會(huì)受到各種氣候、力學(xué)和電磁環(huán)境的單獨(dú)、組合和綜合的作用，在這些環(huán)境作用下，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或失效。對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性的驗(yàn)證，主要是在實(shí)驗(yàn)室，通過試驗(yàn)?zāi)M設(shè)備預(yù)期經(jīng)歷的各種環(huán)境，考核其環(huán)境適應(yīng)性，并通過驗(yàn)證結(jié)果對(duì)產(chǎn)品加以改進(jìn)，以達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的目的。在這些驗(yàn)證試驗(yàn)中，力學(xué)類的振動(dòng)試驗(yàn)是大部分產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)必須開展的項(xiàng)目之一。振動(dòng)試驗(yàn)的目的是用于考核設(shè)備在預(yù)期的運(yùn)輸、貯存和使用環(huán)境中的抗振能力。振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果通常用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其技術(shù)性較強(qiáng)。

2 振動(dòng)試驗(yàn)分類

振動(dòng)試驗(yàn)分類主要有：正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)，以及正弦和隨機(jī)的組合振動(dòng)。

2.1 正弦振動(dòng)

正弦振動(dòng)是一種周期性的振動(dòng)，通常由動(dòng)力裝置和作業(yè)機(jī)械的周期性旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起，周期振動(dòng)是經(jīng)過一定的時(shí)間后會(huì)精確重復(fù)的運(yùn)動(dòng)，周期振動(dòng)最簡單的形式是簡諧運(yùn)動(dòng)，其時(shí)間歷程是正弦或余弦曲線，環(huán)境試驗(yàn)中一般用正弦曲線來描述，又稱正弦振動(dòng)?？梢娬艺駝?dòng)是確定性運(yùn)動(dòng)，遵循確定的規(guī)律，完全可以從過去的狀態(tài)來確定未來任意指定時(shí)間的狀態(tài)，其頻率、速度、加速度、位移任意時(shí)刻均可預(yù)知。正弦振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式見圖1：

2.2 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)是一種非確定的振動(dòng)，在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，由于振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)處于不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)精確的重復(fù)，對(duì)其進(jìn)行一系列的測量，各次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時(shí)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。圖2為典型的隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程。

在使用環(huán)境中，產(chǎn)品經(jīng)歷的振動(dòng)絕大多數(shù)是隨機(jī)振動(dòng)，在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，在同一時(shí)刻，振動(dòng)激勵(lì)包含所有頻率范圍的信號(hào)，能夠同時(shí)激起樣品的各種模態(tài)，樣品上的各種振動(dòng)會(huì)相互耦合，會(huì)產(chǎn)生比在正弦振動(dòng)單一頻率下嚴(yán)重得多的影響，所以隨機(jī)振動(dòng)考核設(shè)備耐振能力更真實(shí)、有效。

3 振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)原理

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，是通過振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬產(chǎn)品預(yù)期經(jīng)歷的振動(dòng)應(yīng)力，并將振動(dòng)應(yīng)力施加于產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室模擬的振動(dòng)應(yīng)力是根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)合成的振動(dòng)譜。我們先對(duì)目前主要的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)模擬設(shè)備通常有電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)、液壓振動(dòng)系統(tǒng)，這三類振動(dòng)系統(tǒng)主要性能比較見表1[1]。

在這三類振動(dòng)系統(tǒng)中，目前實(shí)驗(yàn)室使用較廣泛的是電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)由臺(tái)體、控制儀、功率放大器、振動(dòng)傳感器組成，各部分通過連接形成閉環(huán)，振動(dòng)系統(tǒng)圖見圖3。其實(shí)現(xiàn)原理是，先由控制儀根據(jù)控制譜條件，產(chǎn)生小功率驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，并將驅(qū)動(dòng)電信號(hào)發(fā)送給功率放大器，經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到振動(dòng)臺(tái)體的驅(qū)動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，安裝于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，再將振動(dòng)信號(hào)反饋給控制儀，經(jīng)控制儀解算，與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比，不斷調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并發(fā)送給功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使實(shí)際控制譜在標(biāo)準(zhǔn)譜的容差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室模擬振動(dòng)條件，也就是標(biāo)準(zhǔn)譜是基于產(chǎn)品的實(shí)測振動(dòng)。

在電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)中，振動(dòng)傳感器是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，作用是采集或監(jiān)測振動(dòng)信號(hào)，反饋給控制儀解算。目前使用最為廣泛的是壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器是一種以壓電材料為轉(zhuǎn)換元件的裝置，振動(dòng)時(shí)通過感受同振動(dòng)方向一致的壓力，產(chǎn)生電荷的變化，其電荷或電壓的輸出與加速度成正比，壓電加速度傳感器所輸出的電信號(hào)是很微弱的電荷，需通過控制儀的前置放大器放大才能被振動(dòng)系統(tǒng)使用。

4 振動(dòng)試驗(yàn)控制方法

振動(dòng)試驗(yàn)控制方法直接關(guān)系到振動(dòng)應(yīng)力施加能否滿足試驗(yàn)條件，控制方法的選擇取決于所要求的振動(dòng)特性和平臺(tái)/裝備之間的動(dòng)力耦合作用。主要有以下四種控制方法。

4.1 加速度輸入控制方法

加速度輸入控制方法是振動(dòng)試驗(yàn)使用最多的方法，用于平臺(tái)輸入振動(dòng)環(huán)境的控制，控制加速度傳感器安裝在夾具與產(chǎn)品連接位置上，并盡量靠近產(chǎn)品，采集安裝處的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)通過加速度傳感器反饋信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比，并調(diào)整到規(guī)定試驗(yàn)容差。其特點(diǎn)是在產(chǎn)品與振動(dòng)臺(tái)體安裝和實(shí)際安裝情況一致時(shí)，可以很好的再現(xiàn)實(shí)際使用環(huán)境。

4.2 力限控制方法

力限控制方法基本原理是實(shí)驗(yàn)室使用試驗(yàn)夾具進(jìn)行產(chǎn)品安裝時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)械阻抗和外場產(chǎn)品安裝情況不一致，這樣在產(chǎn)品共振頻率處會(huì)誘發(fā)出過大的響應(yīng)，造成過試驗(yàn)發(fā)生。因此，如能直接對(duì)夾具和產(chǎn)品之間的輸入力進(jìn)行控制，就能回避機(jī)械阻抗不匹配的問題。它與加速度輸入控制方法相對(duì)應(yīng)，主要用于平臺(tái)輸入力控制，控制時(shí)在夾具和產(chǎn)品中間安裝動(dòng)態(tài)力傳感器，振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過力傳感器的反饋來控制。

4.3 加速度限控制方法

加速度限控制方法是一種輔助控制方法，它主要用于將產(chǎn)品規(guī)定位置的振動(dòng)響應(yīng)限制在某一量值之內(nèi)，避免產(chǎn)品出現(xiàn)過大的響應(yīng)的場合。加速度限制量值一般來自于外場實(shí)測響應(yīng)數(shù)據(jù)，加速度限制點(diǎn)和外場測點(diǎn)應(yīng)位于相同位置。加速度限控制方法一般和其他控制方法聯(lián)合使用，使用加速度限進(jìn)行輔助控制時(shí)，在加速度控制譜對(duì)應(yīng)的限制頻帶上一般會(huì)出現(xiàn)凹谷。

4.4 加速度響應(yīng)控制方法

加速度響應(yīng)控制方法與加速度輸入控制方法相對(duì)應(yīng)，用于對(duì)產(chǎn)品上特定點(diǎn)的響應(yīng)進(jìn)行直接控制。使用振動(dòng)輸入點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)控制，并通過經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)試驗(yàn)量值，使產(chǎn)品上特定點(diǎn)的響應(yīng)和預(yù)訂的試驗(yàn)量級(jí)保持一致，這種方法對(duì)試驗(yàn)人員的要求很高。如果產(chǎn)品上特定點(diǎn)足夠剛性，也可以直接使用產(chǎn)品上特定點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)控制。

5 振動(dòng)試驗(yàn)的安裝要求

在振動(dòng)試驗(yàn)中，產(chǎn)品是否能真正受到所規(guī)定的試驗(yàn)條件的考核，對(duì)于不同的人、不同的地點(diǎn)（設(shè)備）或不同的時(shí)間所做的試驗(yàn)，其是否具有高的再現(xiàn)性或滿意的不確度，在很大的程度上還取決于試驗(yàn)時(shí)對(duì)樣品的安裝和固定。

5.1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具

振動(dòng)試驗(yàn)夾具是產(chǎn)品與振動(dòng)臺(tái)之間的構(gòu)件，用于將產(chǎn)品安裝于振動(dòng)臺(tái)，將振動(dòng)臺(tái)的機(jī)械能量完全傳遞給試驗(yàn)件。一個(gè)好的振動(dòng)夾具必須滿足以下六點(diǎn)[2]，（1）在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，一階頻率高于最高試驗(yàn)頻率，大型夾具，一階頻率應(yīng)高于試驗(yàn)件一階固有頻率的3～5倍；（2）夾具與試驗(yàn)件各連接點(diǎn)的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗(yàn)輸入的均勻性；（3）夾具的剛度/質(zhì)量比要盡量大；（4）夾具的阻尼要盡量大；（5）夾具波形失真小；（6）應(yīng)能模擬產(chǎn)品實(shí)際安裝狀態(tài)。滿足以上六點(diǎn)，才能稱之為合格的夾具。

5.2 試驗(yàn)產(chǎn)品固定

試驗(yàn)產(chǎn)品與夾具、或樣品與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面點(diǎn)接觸的部分，在實(shí)際使用時(shí)，此處通常是固定樣品的地方。如果產(chǎn)品的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)的一部分作夾具使用，則應(yīng)取安裝結(jié)構(gòu)和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面點(diǎn)接觸的部分作固定點(diǎn)，可見固定點(diǎn)一定要選取在產(chǎn)品在實(shí)際使用時(shí)振動(dòng)輸入的地方。有時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)的目的不是為了考核產(chǎn)品經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力的能力，而是要考核產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，例如晶體管、集成電路的內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，此時(shí)固定點(diǎn)就要選擇在樣品的本體上，使激振力通過殼體傳到內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。

5.3 傳感器安裝

振動(dòng)傳感器有控制傳感器和監(jiān)測傳感器。控制傳感器應(yīng)安裝于產(chǎn)品夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接點(diǎn)處，并盡量靠近試驗(yàn)樣品，理論上有幾個(gè)連接點(diǎn)就應(yīng)相應(yīng)安裝幾個(gè)控制傳感器，以保證振動(dòng)輸入的正確性，對(duì)于大型產(chǎn)品和夾具，更應(yīng)如此。監(jiān)測用傳感器安裝于產(chǎn)品需要監(jiān)測振動(dòng)量值的部位。

6 振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施過程

振動(dòng)試驗(yàn)主要按以下五個(gè)步驟和要求進(jìn)行：（1）預(yù)處理，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面檢查，包括外觀、結(jié)構(gòu)、性能檢查；（2）產(chǎn)品的安裝，先將試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面用螺栓剛性連接。夾具重心與振動(dòng)臺(tái)的軸線相重合，再將試驗(yàn)樣品安裝在振動(dòng)夾具的中心位置，并保證夾具和試驗(yàn)樣品的安裝方式符合規(guī)定的振動(dòng)軸向；（3）試驗(yàn)應(yīng)力施加，嚴(yán)格按照試驗(yàn)條件，通過振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)應(yīng)力；（4）試驗(yàn)后檢查，與試驗(yàn)前檢查對(duì)應(yīng)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷；（5）形成試驗(yàn)報(bào)告，利用產(chǎn)品結(jié)論對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升質(zhì)量和可靠性。

7 結(jié)束語

振動(dòng)試驗(yàn)是一門技術(shù)要求較高的環(huán)境試驗(yàn)，本文從振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用方面做了詳細(xì)地闡述和分析，對(duì)于指導(dǎo)試驗(yàn)現(xiàn)場開展振動(dòng)試驗(yàn)有較大的幫助。另外，振動(dòng)試驗(yàn)還包括標(biāo)準(zhǔn)、方法研究等方面，只有對(duì)這幾個(gè)方面都有了深入理解，才能準(zhǔn)確做好振動(dòng)試驗(yàn)，達(dá)到高的再現(xiàn)性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]GJB150A-2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].中國人民解放軍總裝備部.2009.

[2]常志剛.振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)技術(shù)講座資料[M].航空工業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心.2013，13-25.