電工電子產品沖擊試驗能力驗證方法分析

張廣志 / 中國科學院沈陽自動化研究所

0 引言

電工電子產品沖擊是對產品施加短時大量級機械沖擊脈沖應力，考核產品機械結構強度和承受沖擊的能力。產品在經受沖擊后會產生瞬態(tài)沖擊響應，響應的大小反映產品實際承受沖擊的強度[1]。因此，沖擊試驗的嚴酷程度可通過監(jiān)測產品的沖擊響應峰值加速度來分析[1]。沖擊試驗能力驗證基于監(jiān)測指定樣品的沖擊響應峰值加速度來考察實驗室的測試能力，幫助實驗室發(fā)現(xiàn)日常測試中存在的問題，通過能力驗證進一步提高試驗技術水平，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 沖擊響應譜分析

1.1 沖擊響應譜概念

加速度沖擊響應譜是對一個給定的無阻尼質量-彈簧系統(tǒng)進行規(guī)定沖擊激勵，并作為該系統(tǒng)共振頻率的函數(shù)的最大加速度響應[2]。在激勵脈沖持續(xù)時間內和結束后，與激勵脈沖同方向上出現(xiàn)的最大響應曲線，稱為最大沖擊響應譜[2]。

若選用歸一化頻率和歸一化最大響應作為坐標，則沖擊響應譜對相同激勵脈沖波形的沖擊都適用[3]，GB/T 2423.5-2019《環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導則：沖擊》給出了標準半正弦波脈沖的沖擊響應譜波形，如圖1所示。

圖1 半正弦波脈沖的沖擊響應譜波形

1.2 最大沖擊響應峰值加速度理論值

任何機械系統(tǒng)都可以用剛性質量塊、無質量彈簧、阻尼器三者組成的模型來表示。當一個單自由度線性質量彈簧系統(tǒng)受到沖擊脈沖激勵時，質量的響應運動可用下列微分方程來描述：

式中：F(t)——沖擊激勵函數(shù)；

m——系統(tǒng)質量；

c——系統(tǒng)阻尼系數(shù)；

k——剛度

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

若假設樣品為單自由度系統(tǒng)且安裝固定后，激勵脈沖波形為標準半正弦波，峰值加速度A為15 g，脈沖持續(xù)時間D為11 ms，試驗得出最大沖擊響應峰值加速度。試驗流程如下：

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對應沖擊響應譜曲線縱坐標，得對應的歸一化最大響應amax/A近似為1.62；

4）得出最大沖擊響應峰值加速度理論值amax=24.3g。實際試驗中不會出現(xiàn)無阻尼系統(tǒng)，實測值會相對偏小，達不到理論值。

2 沖擊能力驗證

2.1 被測樣品和測試方法

2.1.1 被測樣品

沖擊能力驗證采用樣品為特制的金屬結構件，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]。在做沖擊試驗時，將鋁合金底板固定在試驗臺面上，在砝碼前端平面上設置傳感器，測定指定點最大沖擊響應峰值加速度。

圖2 沖擊能力驗證樣品

2.1.2 測試方法

測試依據(jù)標準GB/T 2423.5-2019，試驗控制參數(shù)如表1所示。

表1 沖擊試驗參數(shù)

試驗要求如下：

1）測試環(huán)境溫度（23±2）℃，相對濕度（50±10）%，無其他振動和熱輻射影響；

2）樣品需在試驗環(huán)境條件下放置至少1 h進行預處理；

3）試驗采用振動試驗臺；

4）通過安裝孔或夾具將樣品固定在試驗臺面上，同時應保證樣品的安裝面呈水平狀態(tài)；

5）將監(jiān)測傳感器設置在樣品砝碼前端指定平面上；

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

2.2 結果評價

2.2.1 能力評價原則

實驗室提交的最大沖擊響應峰值加速度作為評價結果，依據(jù)CNAS-GL002:2018《能力驗證結果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》中的算法A對實驗室測試結果進行統(tǒng)計分析[5]。

式中：x——參加實驗室提交的結果；

X——指定值，參加實驗室測試結果的穩(wěn)健平均值取20.8g[4]；

σ——能力評定標準差，參加實驗室測試結果穩(wěn)健標準差取1.17g[4]

沖擊試驗能力評價如下：

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

2.2.2 結果能力評價

實驗室參加由威凱檢測技術有限公司組織實施的BD 2020-1974C“沖擊試驗能力驗證計劃（一對一）”，能力驗證結果及評價分別如表2所示。

表2 沖擊試驗能力驗證（一對一）結果

實驗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臺動圈上，減少中間傳遞環(huán)節(jié)，提升整個系統(tǒng)的剛度，實測最大沖擊響應峰值加速度為21.1g；另一種采用結構穩(wěn)定、剛度好的六邊形垂直擴展臺作為過渡固定樣品，擴展臺材質具有較高的剛度-質量比，采用筋板結構焊接工藝，臺面嵌入鋼制螺紋孔套，可通過螺栓直接固定樣品，擴展臺固有頻率為1 800 Hz，可避免在試驗頻率內與樣品產生共振，滿足試驗要求。實測最大沖擊響應峰值加速度結果為21.4g最終沖擊能力驗證結果為滿意。

3 沖擊試驗結果影響因素

沖擊試驗的最大沖擊響應峰值加速度結果的準確性受很多因素影響，結合實驗室的整改經歷，沖擊試驗結果的影響因素主要包括樣品的固定[6]、傳感器的參數(shù)設置[6]、傳感器的布置[7]、振動臺沖擊幅值的準確性、振動控制儀的參數(shù)設置等因素。

3.1 樣品的固定

依照GB/T 2423.43-2008對動力學試驗樣品的安裝要求，在任何情況下，元件應固定在剛性試驗夾具上或直接緊固在試驗臺的安裝表面上[8]。但在實際環(huán)境中，受樣品的安裝孔位或工裝夾具動態(tài)特性等因素所限制，試驗安裝一般做不到絕對剛性，但應盡量剛性安裝。樣品在試驗臺上牢固裝夾，才能獲得準確的響應試驗參數(shù)，達到預定的試驗效果。針對樣品裝夾提出以下幾點建議：

1）盡量將樣品裝夾在試驗臺面的中間；

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

3）樣品應直接裝在試驗臺面上，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，應盡量減少過渡環(huán)節(jié)。

3.2 傳感器的參數(shù)設置

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

3.3 傳感器的布置

沖擊試驗需要安裝兩種傳感器，一種安裝在某個特定的控制點處，用于檢測反饋控制信號的傳感器，稱為控制傳感器。控制點在沖擊試驗中用以控制沖擊量值的傳感器的安裝點，該點應該緊靠樣品固定點進行布置。若控制點選擇在試驗臺面邊緣，可能導致響應偏差，從而導致試驗結果偏離。另一種是安裝在“監(jiān)測點”處，用于檢測樣品在沖擊試驗中響應狀態(tài)參數(shù)的傳感器，稱為監(jiān)測傳感器。監(jiān)測傳感器應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，粘貼前應保證傳感器底部干凈平整。

3.4 振動臺沖擊幅值的準確性

試驗所用的振動臺的性能指標對于測試結果也有影響，振動臺輸出量級的偏差會引至沖擊響應的測試結果中。通常振動臺應參照JJG 948-2018規(guī)范定期進行計量校準。為滿足此次沖擊能力驗證要求，振動臺在加速度幅值15g、脈寬11 ms的半正弦波沖擊幅值示值誤差應校準，根據(jù)校準結果對沖擊波形幅值進行修正，以保障振動臺輸出量級的準確性。

3.5 振動控制儀的參數(shù)設置

在振動控制儀參數(shù)中應注意采樣頻率的設置，采樣頻率不是設置得越高越好，過高的采樣頻率會導致采集到的半正弦脈沖波形不光滑且有很多尖銳凸起，比實際值偏大，實際測試中根據(jù)試驗條件按照采樣定理合理設置采樣頻率即可。試驗中若是對樣品進行多次沖擊，還應注意相鄰兩次沖擊間隔時間應足夠。若兩次沖擊時間間隔過短，上一次的殘余沖擊響應尚未消除就疊加下一次的沖擊響應，影響結果的準確性。

4 結語

通過沖擊試驗能力驗證，考核了實驗室人員對標準的理解、試驗操作能力和試驗設備的準確性等，保證測試結果的可靠性。此外從樣品的安裝、傳感器的參數(shù)設置、傳感器的布置、振動臺沖擊幅值的準確性和振動控制儀的參數(shù)設置等五個方面，提出了提高沖擊試驗能力驗證結果準確性的方法。