氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗

文 | 上海市質量監督檢驗技術研究院 盧兆明

氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗

Combined Climatic(Temperature/Humidity) and Dynamic (Vibration/Shock) Tests

文 | 上海市質量監督檢驗技術研究院 盧兆明

在汽車、軌道交通和空間領域都存在溫度、濕度和振動或沖擊的組合環境。通過實驗室內受控地在參量范圍內模擬環境下暴露樣品進行評估。用嚴酷的環境參量強化試驗，通常可在相對較短的時間內獲得有效的結果。

Abstract:The combination of temperature, humidity and vibration or shock occurs especially in the domain s of automotive, rail and aerospace environments. This can be assessed by exposure of the specimen to a range of simulated environmental parameters controlled in the laboratory. The severity of the environmental parameters is often increased to obtain meaningful results in a relatively short period of time.

組合；氣候；溫度；濕度；試驗；動態；振動；沖擊

Key words:combined；climatic；temperature；humidity；tests；dynamic；vibration；shock

前言

在汽車、軌道交通和空間等領域在力學動態環境中使用和裝備電子、電氣和數字化產品作為顯示、控制和通訊設備已成必需。對產品的環境適應能力也提出了更高的要求。IEC60068-2_GB/T2423系列環境試驗方法標準，從面向對儲存、運輸環境制訂試驗方法開始，逐步將機械環境（力學動態）試驗和氣候環境試驗結合的方法發展到能夠在試驗室模擬再現或模擬加速產品的動載使用環境。

針對汽車、軌道交通和空間等應用環境的需求，技術性修訂后的IEC60068-2-53 2Ed，發布了氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗的規范。同時替代和廢止了試驗Z/

注：1表中“X”表示可選組合；2表中GB/T都是IEC標準IDT采標，在參考文獻中注明了對應的版本。

表1 IEC標準認可的組合AFc低溫/正弦振動試驗和Z/BFc高溫/正弦振動組合試驗2個方法標準。全國環境條件與環境試驗標準化技術委員會（環標委）已經著手立項起草相應的國家標準。

同時，試驗方法標準隨試驗控制技術的數字化，機械（力學動態）環境試驗設備的性能也大為擴展。動態試驗方法從模擬正弦振動和沖擊，發展到了數控正弦振動、隨機振動、混合模式振動和沖擊相應譜試驗，并已完成了標準化。

有必要在介紹氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗的同時，描述在試驗中必須注意的技術要素和處置原則，以便產品設計工程師和試驗工程師在設計和把握試驗時參考使用。

1 氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗

表1給出了氣候(溫度/濕度)和力學動態(振動/沖擊)組合試驗的組合關系。參與組合的單項試驗已由相應的IEC60068-2_GB/T2423標準規定。試驗選用的嚴酷度參數在相應的文本中都有推薦或規定。在這些文本中對試驗的要素和細節都作了詳盡的規定。

圖1至圖4給出了氣候條件(溫度和/或濕度)，力學動態條件(振動或沖擊)組合的順序和電負荷加載的時間節點。

2 設計試驗組合時應考慮的問題

用表1示例的許可要素，在設計試驗組合時，還必須考慮下列因素：

a)正弦振動掃描循環周期與在溫度變化或溫度或濕度循環周期的時間匹配。正弦振動掃描循環周期是可計算得，應該在溫度變化或溫度或濕度循環周期的時間內完成完整的振動掃描循；

b)混合模式振動試驗是在寬帶隨機的背景上疊加正弦振動掃描循或窄帶隨機掃描循環。也應該在溫度變化或溫度或濕度循環周期的時間內完成完整的正弦或窄帶隨機掃描循；

c)在溫度變化或溫度循環伴隨振動試驗中，存在熱滲透和熱干擾因素。在試驗設計中應考慮到溫度穩定和相對濕度穩定過程的特點，時間上應應留有余量。

ISO16750.3《道路車輛—電氣及電子裝備環境試驗和要求第3部分 機械環境》在3種振動試驗的設計上，就做了很妥善的安排。

3 溫度相關的信息

由于試驗組合的原因，在氣候環境試驗的計時點應有相應的調整。

a)如果要求進行低溫或干熱試驗，暴露時間從工作空間達到抵近設定溫度3K就可以計時，并不是對樣品所有部分地要求。

對散熱型樣品，處在工作空間溫度，樣品經1h內溫度變化不超過1K穩定，開始暴露計時。達到溫度浸透的1小時時間應考慮為暴露期間的第1小時。

b)如果要求穩態濕熱試驗，在試驗箱工作空間的溫度達到抵近設定溫度3K，濕度達到抵近設定相對濕度3%開始計算暴露時間。

對散熱型樣品，處在工作空間溫度，樣品經1h內溫度變化不超過1K穩定，開始暴露計時。達到溫度浸透的1小時時間應考慮為暴露期間的第1小時。

c)如果進行慢速溫度變化試驗或濕熱循環試驗，要求試驗的暴露時間從溫度變化開始時計算。

d)如果受試樣品安裝在沖擊減震器上，試驗則應在減震元件溫度穩定后開始計時。

e)表1中涉及GB/T2423_IEC60068-2系列有關溫度試驗和濕熱試驗的各項方法標準，給出了標準化了的嚴酷度系列試驗量、容差范圍。有關規范在設計和規定一個試驗時，應盡量選用這些標準的推薦值。

f)表1中涉及GB/T2423_IEC60068-2系列有關溫度試驗和濕熱試驗的各項方法標準的當前有效版本中都要求對氣候環境條件試驗進行不確定度的評估和描述。IEC60068-3-11,2005,1Ed《氣候試驗箱內部條件不確定度計算》給出了這方面的處置原則、方法和導則。全國環境條件與環境試驗標準化技術委員會（環標委）已經著手立項起草相應的國家標準。

4 振動試驗的信息

電動振動臺就是用于完成振動試驗的，所以振動試驗試驗的信息就比較清晰，大致包括以下內容的相關細節：

a) 明確采用正弦、隨機、混合模式振動中的一種方法進行試驗；

b) 包括嚴酷度等級的各項參數、對試驗譜形描述，以及振動試驗的持續時間；

c)試驗應力施加的軸線和方向，當各軸線方向采用不同嚴酷度等級時，應描述軸線的定義；

d)受試樣品安裝，按GB/T2423.43_IEC 60068-2-47的要求。

5 沖擊試驗的信息

IEC 60068-2-27,2008,4.0Ed技術性修訂后，將碰撞（試驗Eb）作為多次重復沖擊試驗并入沖擊試驗標準。對半正弦、梯形和后峰鋸齒波三種經典沖擊試驗曲線描述沒有改變，對試驗嚴酷度等級進行了一些調整。全國環境條件與環境試驗標準化技術委員會（環標委）已經著手立項修訂相應的國家標準。

配用數字控制系統電動振動臺進行經典沖擊試驗在技術上不存在任何問題。電動振動臺生產商一般都配有相應的經典沖擊試驗控制軟件。由于是閉環控制，電動臺進行沖擊試驗的重復性比開環的沖擊/碰撞臺要好很多。

應該指出，由于電動振動臺的有效行程一般為25mm、50mm、75mm，上100mm已經很少見了，限制了產生較高加速度的可能。但在300 m/s2-500m/s2量級上一般還是可能實現的。這可能是對組合試驗的一個限制，試驗承擔方對自有設備的能力范圍應有一個預估。

值得介紹的是引入GB/T2423.57_IEC60068-2-81《試驗Ei：沖擊響應譜合成》試驗方法。不僅可以用沖擊相應譜合成的方法進行半正弦、梯形和后峰鋸齒波三種經典沖擊試驗；還可以用現場采集的沖擊波形，經過沖擊響應譜合成，直接在試驗室進行模擬再現。而三種經典沖擊試驗是用規定的波形去模擬現場實際的沖擊。

氣候組合沖擊試驗由于試驗頻率低，不會產生明顯的熱擾動效應。有關規范還是應該注意并給出信息：

a)由于沖擊試驗施加的盈利應力不是對稱的，在規定軸線定義的同時，有關規范還應規定試驗的方向；

b)對多次重復沖擊試驗，在周期上也應有所估計，應能在氣候周期中完成試驗的重復次數；

c)對非重復沖擊試驗的典型描述是：3個互相垂直軸線的每個方向連續沖擊3次，共計18次沖擊。因此，應該考慮樣品換向的問題。

6 力學動態條件試驗

樣品每個循環的力學動態條件試驗更適宜在高溫段或低溫段的最后1小時進行，例如，在有關規范規定的即將要改變進程設置溫度之前，或將要進行另一種組合試驗之前。如果受試樣品由專用電源供電運行，那么在力學動態試驗的過程中應保持連接狀態。

7 樣品

7.1 加載條件試驗

a)用電運行的樣品，有關規范應規定在每個溫度循環中的供電電源on或off的次數和供電電壓。

b)其他功能，如在低溫、高溫和各種負載條件開關的on或off，都應在有關規范中規定，或由專用的試驗設備進行控制。

7.2 樣品的材料

討論的是材料在低溫和高溫組合振動試驗中的效果：

a)低溫和高溫都可以改變材料的品質。此外，振動則可以加劇損傷。設備由許多材料或粘接、彈性材料組成，在低溫和高溫中都非常敏感。

b)處于極端溫度下，特性頻率可能移動，應此引入振動加以放大。在低溫振動對用彈性材料構成的減震器有明顯的效果。

7.3 對樣品要求的表述

a)在初始檢查測和最后檢測程序中，應對受試樣品進行視覺、尺寸、功能和其他檢查，有關規范規定應規定具體的檢查項目、方法和要求。

b)有關規范應提供受試樣品接收或拒收的依據標準。

c)環境條件的組合應被選擇滿足儲存、運輸和使用的環境條件，受試樣品則應保持電性能和機械性能完好。

8 試驗設備和試驗過程中應注意的問題

組合試驗設備的典型結構模型是在電動振動臺的頂端加裝一個氣候試驗箱。組合后的各項獨立性能指標都應符合相應標準的要求。

如果采用溫度試驗箱頂置于電動振動臺上，振動臺臺面應將臺體與氣候試驗箱進行熱隔離處理。熱隔離部件不允許影響振動臺的動態性能指標。不允許在振動臺與試驗箱間進行機械連接，因為此舉可以導致試驗箱產生危險。

在試驗設備數量許可的條件下，溫度和振動、濕度和振動的組合試驗可以用不同的試驗設備進行。

尚未具備組合試驗專用試驗設備時，將較小的電動振動臺放在較大的氣候試驗箱（室）內進行試驗也是被允許的。但必須對熱干擾和高溫條件下振動臺激振器自身的散熱問題采取有效措施。

8.1 熱干擾

在氣候-力學動態組合試驗中存在熱擾動主要有3個來源：

a)來自激振器通過振動臺臺面傳導到氣候試驗箱內和通過受試樣品安裝夾具傳導的熱。雖然采用了熱隔離部件，但由于剛度設計的要求，還是會有大量的熱導入試驗箱內。激振器發熱量是與其發出推力所做的動成正相關，發熱量并不是穩定的；

b)受試樣品加載時的熱耗散；

c)無論是哪種類型的振動，振動臺臺面及與其連接安裝的夾具樣品都在氣候試驗箱內做往復的平行移動。這種運動會形成局部空氣的回旋和駐留，也可能在受試樣品周圍形成氣暈。因此會影響試驗箱內由流動空氣進行有效的熱傳遞，改變暴露效果，進而也會影響濕度暴露的效果。

上述原因產生的影響是無法確定的。但通過現場實時測量定量分析其對試驗箱內溫度、相對濕度、不確定度的影響是可能的。IEC60068-3-11給出了這方面的信息和指南。解決的方法通常采取提高氣候試驗箱內循環空氣的流動速度來解決。即使改善了空氣流速，對不確定度評估需做的測量仍是時不可忽視的。

8.2 溫度測量

a)較高的振動加速度，振動臺的激振器會發出較大的熱量。因此，對試驗設備的溫度測量可著重于高加速度振動狀態。

b)因為有高加速度振動，溫度傳感器應安裝牢固。同時也應注意，不能改變受試樣品的動態特性。

8.3 加速度計

加速度計和電纜應能經受要求的溫度和濕度；

由于加速度計其對溫度極其敏感。因此，加速度計應該在所有溫度上進行校準并確定。

a)如果這種敏感沒有一致性，應考慮按照適用的振動或沖擊試驗標準在振動的計算中加大容差；

b)如果加速度計的敏感性隨溫度變化，可以配置補償機制；

c)加速度在振動試驗中超出規定的容差也是被允許的。但必須如實記錄在試驗報告中。

d)固定加速度計的材料應在整個溫度和濕度過程中保持其物理特性。

[1] GB/T2421,2008環境試驗 第1部分 總則和導則（IDT IEC 60068-1,1998，1.1Ed）

[2] GB/T2423.1, 2008試驗A：低溫（IDT IEC 60068-2-1,2007，6.0Ed）

[3] GB/T2423.2, 2008試驗B：高溫（IDT IEC 60068-2-2,2007，5.0Ed）

[4] GB/T2423.3,2006試驗Cab：穩態濕熱（IDT IEC 60068-2-78,2007，1.0Ed）

[5] GB/T2423.4,2008試驗Db：濕熱循環（IDT IEC 60068-2-30,2005，3.0Ed）

[6] GB/T2423.5,1995試驗Ea：沖擊（IDT IEC 60068-2-27,2008，4.0Ed，國標版本已在修訂中）

[7] GB/T2423.10,2008試驗Fc: 振動(正弦)（IDT IEC 60068-2-6, 2007，7.0Ed，國標版本已在修訂中）

[8] GB/T2423.22,2002試驗N:溫度變化（IDT IEC 60068-2-14,2009，6.0Ed，國標版本已在修訂中）

[9] GB/T 2423.43,2008振動、沖擊和類似動力學試驗樣品的安裝（IDT IEC 60068-2-47,2005，3.0Ed）

[10] GB/T2423.56,2006試驗Fh：寬帶隨機振動（IDT IEC 60068-2-64，

2008，4.0 Ed，國標版本已在修訂中）

[11] GB/T2423.57, 2008試驗Ei：沖擊 沖擊響應譜合成（IDT IEC 60068-2-81,2005，1.0Ed）

[12] GB/T2423.58, 2008試驗Fi：振動 混合模式（IDT IEC 60068-2-80,2003，1.0Ed）

[13] IEC60068-2-53:2010,2Ed氣候(溫度/濕度)和動力學(振動/沖擊)組合試驗（對應的國標版本已在制訂中）

[14] IEC60068-3-11:2007,1Ed氣候試驗箱內部條件不確定度計算（對應的國標版本已在制訂中）

[15] ISO 16750 (所有部分),道路車輛 – 電氣及電子裝備環境試驗和要求（對應的國標版本已報批）

ISO 16750 (所有部分)譯文，《環境試驗》雙月刊 2007年1-6期 連載刊登

盧兆明，全國環境試驗標準化技術委員會機械分技會（SAC/TC8/SC1_IEC/TC104）委員、全國汽車標準化技術委員會電子與電磁兼容分技委(SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3)委員；高級工程師；GB/T 2424第17、26部分、GB/T2423 系列標準第 5、7、10、15、22、34、39、43、48、55、56、57、58、60、101 等部分制修訂和 IEC60068-2-53、IEC60068-3-11、ISO16750系列、ISO 20653等標準的國標轉化制訂項目主要起草人。