振動(dòng)試驗(yàn)操作細(xì)節(jié)分析

孫玉玉，王大兵，熊偉華

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

振動(dòng)試驗(yàn)被廣泛在應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)中，扮演著越來越重要的角色。在試驗(yàn)過程中，如果忽視試驗(yàn)操作技術(shù)等細(xì)節(jié)，可能會(huì)造成實(shí)際施加的力學(xué)環(huán)境條件超出或低于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)曲線，產(chǎn)生過考核或欠考核，造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差；更為嚴(yán)重的是，因?yàn)橐恍┎僮骷?xì)節(jié)的忽視，可能造成試驗(yàn)過程中失控現(xiàn)象的發(fā)生，不僅會(huì)對(duì)受試產(chǎn)品和試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生破壞，甚至發(fā)生安全事故。為了確保振動(dòng)試驗(yàn)安全順利的開展，保證試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)、有效，因此有必要對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的各個(gè)操作技術(shù)環(huán)節(jié)及相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行全面的梳理和分析。

1 振動(dòng)臺(tái)的選擇

振動(dòng)試驗(yàn)開始之前，應(yīng)當(dāng)根據(jù)受試產(chǎn)品的試驗(yàn)要求和產(chǎn)品特性等參數(shù)選擇振動(dòng)臺(tái)，選擇的原則為：保證所選振動(dòng)臺(tái)的額定載荷、臺(tái)面尺寸、工作頻率范圍、最大推力等參數(shù)滿足試驗(yàn)要求。對(duì)于一些非常規(guī)的受試產(chǎn)品或試驗(yàn)要求則需要進(jìn)行估算，以判斷所選設(shè)備是否滿足要求。

1.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的選擇

1.1.1 試驗(yàn)所需推力的估算

對(duì)于正弦振動(dòng)試驗(yàn)，首先要估算試驗(yàn)需要多大的推力。根據(jù)估算的推力選擇合適的振動(dòng)臺(tái)。估算正弦試驗(yàn)推力（FS）必須了解動(dòng)圈質(zhì)量M動(dòng)、受試產(chǎn)品質(zhì)量M產(chǎn)、夾具質(zhì)量M夾、連接件（滑臺(tái)部件）質(zhì)量M連、試驗(yàn)中最高的加速度值峰值a。則所需推力為：

根據(jù)公式（1）計(jì)算出的是一個(gè)剛體產(chǎn)品試驗(yàn)中所需的峰值推力。由于試驗(yàn)產(chǎn)品一般是非剛體，因此，試驗(yàn)所需推力為試驗(yàn)推力FS加30%的余量，即：

估算后會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

第一種是所需推力遠(yuǎn)小于振動(dòng)臺(tái)的額定推力，這種情況可以做試驗(yàn)，但屬于大材小用，不經(jīng)濟(jì)。

第二種是所需推力超過了額定推力，這種情況就要考慮更換振動(dòng)臺(tái)。如果超得不多，例如所需推力為31KN，但額定推力只有30KN，這種情況可以采用試振的方法進(jìn)行試驗(yàn)。即先用試驗(yàn)量級(jí)的一半進(jìn)行試驗(yàn)，記錄最大輸出電壓和電流，然后線性放大一半計(jì)算是否超過額定的電壓和電流，如果不超過，可以進(jìn)行試驗(yàn)[1]。

1.1.2 位移、速度、加速度等試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算

正弦振動(dòng)試驗(yàn)的參數(shù)一般有兩類：頻率和幅值，依據(jù)頻率是否變化分為定頻和掃頻兩種試驗(yàn)，對(duì)于選擇振動(dòng)臺(tái)而言，這兩種試驗(yàn)的選擇方法是一致的。

首先，驗(yàn)證試驗(yàn)條件的速度幅值、位移幅值、加速度幅值是否滿足振動(dòng)臺(tái)的指標(biāo)要求。根據(jù)正弦振動(dòng)位移、速度、加速度相關(guān)數(shù)學(xué)模型公式（2）、公式（3）和公式（4）可以導(dǎo)出掃頻試驗(yàn)平滑交越點(diǎn)頻率的計(jì)算公式。

式中：fA-V—加速度與速度平滑交越點(diǎn)頻率（Hz）；

fV-D—速度與位移平滑交越點(diǎn)頻率（Hz）；

fA-D—加速度與位移平滑交越點(diǎn)頻率（Hz）。

依據(jù)公式（5）、公式（6）和公式（7）確定加速度區(qū)域、速度區(qū)域和位移區(qū)域參數(shù)，當(dāng)計(jì)算值小于振動(dòng)臺(tái)相應(yīng)區(qū)域技術(shù)指標(biāo)時(shí)，試驗(yàn)可行；反之，則應(yīng)重新選擇振動(dòng)臺(tái)。

1.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的選擇

1.2.1 試驗(yàn)所需推力的估算

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中均方根加速度是隨機(jī)振動(dòng)總能量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其峰值加速度不具備正弦振動(dòng)那種表征意義，因此，隨機(jī)振動(dòng)所需的推力稱為隨機(jī)均方根推力。推力的估算原則同正弦振動(dòng)，利用公式（1）可以計(jì)算出試驗(yàn)所需的隨機(jī)均方根推力。要注意的是，有些振動(dòng)臺(tái)，其隨機(jī)均方根推力要小于其正弦振動(dòng)推力。

1.2.2 最大位移的估算

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前必須對(duì)可能達(dá)到的最大位移做出估計(jì)，不能超過振動(dòng)臺(tái)允許的最大位移。要計(jì)算出隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的最大位移，首先應(yīng)找出位移譜密度曲線，計(jì)算出均方根位移值，再將均方根位移值乘以三倍得出最大峰值位移；如果位移譜密度是曲線，則必須積分才能計(jì)算[2]。在工程應(yīng)用中，往往只要估計(jì)一個(gè)大概的值即可，下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的估算公式：

式中：Xpp為最大的峰峰位移（mm）；

W0為F0處的PSD值 (g2/Hz)；

F0為下限頻率（Hz)。

公式（8）是一個(gè)用于平直譜的寬帶隨機(jī)振動(dòng)的估算公式，對(duì)于非平直譜，上式可用F0頻域上的PSD值W0來近似計(jì)算最大位移，和精確計(jì)算相比，估算值稍大了一點(diǎn)。如果計(jì)算結(jié)果超過振動(dòng)臺(tái)的限值，則試驗(yàn)不可行，否則會(huì)損壞設(shè)備；反之，則試驗(yàn)可行。

2 受試產(chǎn)品的安裝

受試產(chǎn)品安裝在很大程度上影響著試驗(yàn)效果。一個(gè)好的安裝能夠真實(shí)的反映出受試產(chǎn)品在模擬平臺(tái)環(huán)境下的響應(yīng)情況，而一個(gè)不注重細(xì)節(jié)的安裝不僅不能夠反映產(chǎn)品真實(shí)情況，而且有可能會(huì)發(fā)生損壞產(chǎn)品、試驗(yàn)設(shè)備甚至造成人員傷害的安全事故。

2.1 夾具的選擇

一般而言，受試產(chǎn)品很難直接安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，必須使用工裝夾具進(jìn)行過渡。表面上看起來，工裝夾具僅是個(gè)起連接或轉(zhuǎn)接的過渡件，似乎很簡(jiǎn)單。但實(shí)際上工裝夾具是個(gè)很復(fù)雜的問題，它不僅要將受試產(chǎn)品與設(shè)備連成一體，而且還要保證將力不失真地傳給受試產(chǎn)品。一個(gè)好的試驗(yàn)夾具應(yīng)具備方便連接或固定受試產(chǎn)品、傳遞力或其它振動(dòng)參數(shù)和保持或改變振動(dòng)方向的功能，鑒定所選擇的夾具是否滿足要求，至少應(yīng)達(dá)到[2]：

1）受試產(chǎn)品一階諧振和夾具一階諧振之比應(yīng)限制在0.5-1.4之間，超出時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)控制；

2）夾具振動(dòng)加速度傳遞特性應(yīng)在+20dB和-3dB之間，比-3dB還小時(shí)，應(yīng)能通過自動(dòng)增益控制系統(tǒng)提高振動(dòng)的量級(jí)；

3）夾具的非振動(dòng)試驗(yàn)方向振動(dòng)值盡量小，不得大于30%，對(duì)個(gè)別的點(diǎn)，也不應(yīng)超過50%。

2.2 受試產(chǎn)品的安裝

試驗(yàn)開始之前，首先要將受試產(chǎn)品牢固地固定在振動(dòng)臺(tái)上，一些小的產(chǎn)品或是外殼受力的產(chǎn)品可以利用杠桿原理的形式固定。較復(fù)雜的產(chǎn)品或是尺寸較大的產(chǎn)品必須使用夾具進(jìn)行固定。

受試產(chǎn)品與夾具或夾具與振動(dòng)臺(tái)面連接時(shí)固定點(diǎn)多一些好，同一平面至少應(yīng)均布四個(gè)固定點(diǎn)，連接時(shí)，螺栓固定最好使用測(cè)力扳手，扭轉(zhuǎn)力矩要根據(jù)振動(dòng)臺(tái)指標(biāo)確定，力矩過大會(huì)損壞臺(tái)面螺紋孔，太小會(huì)固定不緊。如果沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，可以使用彈簧墊圈，以彈簧墊圈壓平為標(biāo)準(zhǔn)。

在固定受試產(chǎn)品包括試驗(yàn)夾具時(shí)，應(yīng)保持試件整體重心盡可能的與臺(tái)面中心一致，對(duì)于一些重心較高或是無法在臺(tái)面中心安裝的試件，應(yīng)確認(rèn)低于振動(dòng)臺(tái)給出的安全技術(shù)指標(biāo)，確認(rèn)安全后再進(jìn)行試驗(yàn)。偏心力矩計(jì)算公式為：

其中：A 為容許偏心力矩（N*M）；

W 為試件質(zhì)量（Kg）；

L 為偏心距離（m）；

a 為試驗(yàn)加速度（m/s2）。

2.3 傳感器的安裝

控制傳感器的安裝直接影響試驗(yàn)的結(jié)果，所以必須選擇質(zhì)量好、準(zhǔn)確性有保障的傳感器作為控制傳感器。控制傳感器的安裝方式有主要有二種。一種是可以用螺釘固定，為了防止干擾，在傳感器下面加絕緣塊，用兩個(gè)螺釘分別固定絕緣塊和傳感器；另一種是用膠水粘接，但要保證粘接不破壞夾具或臺(tái)面。粘接的強(qiáng)度不如螺接，因此，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)條件選擇合適的安裝方式。

控制傳感器應(yīng)安裝在固定點(diǎn)或盡可能靠近固定點(diǎn)并與固定點(diǎn)剛性連接的地方。采用夾具安裝的試驗(yàn)一般有兩種安裝位置:一是選擇在受試產(chǎn)品與夾具分離面上，排除夾具對(duì)振動(dòng)傳遞造成的影響，這種方法有時(shí)控制比較困難；二是安裝在夾具與臺(tái)面之間比較好控制，但夾具的影響會(huì)傳遞到產(chǎn)品上。具體選擇在哪里，應(yīng)視產(chǎn)品、夾具和試驗(yàn)頻率等條件來決定。

傳感器安裝好之后，將導(dǎo)線連接好，并將導(dǎo)線用膠布固定，固定的原則是振動(dòng)過程中導(dǎo)線接口和傳感器產(chǎn)生的相動(dòng)運(yùn)動(dòng)越小越好。

測(cè)量傳感器的安裝與控制傳感器類似，但測(cè)量點(diǎn)必須選擇在產(chǎn)品剛性較大的地方，否則測(cè)出的數(shù)據(jù)可能是產(chǎn)品局部振動(dòng)特性不能反映測(cè)點(diǎn)總體的振動(dòng)情況。

3 控制方式

3.1 單點(diǎn)控制方式

單點(diǎn)控制方式指只安裝一個(gè)控制傳器，振動(dòng)控制儀根據(jù)該傳感器反饋信號(hào)與參考信號(hào)比較，調(diào)整輸出達(dá)到控制振動(dòng)臺(tái)的目的。嚴(yán)格而言，振動(dòng)臺(tái)面上各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)不會(huì)完全一致，因此從保證試驗(yàn)有效性的角度而言，單點(diǎn)控制只適用于振動(dòng)臺(tái)面較小，受試產(chǎn)品剛性較好、體積較小，且試驗(yàn)量級(jí)較低的情況。同時(shí)，由于其在試驗(yàn)中只存在一條反饋回路，存在較大的安全隱患，目前已較少采用單點(diǎn)反饋控制方式。

3.2 多點(diǎn)控制方式

當(dāng)振動(dòng)臺(tái)面尺寸較大或者受試產(chǎn)品體積較大使振動(dòng)臺(tái)面各點(diǎn)加速度差別較大時(shí)，一般采用多點(diǎn)控制。多點(diǎn)控制可以采用平均控制、最大控制和最小控制的方式，即振動(dòng)控制儀從多個(gè)控制點(diǎn)取得反饋信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行選擇（最大或最小）或平均作為最終反饋信號(hào)，對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制。

多點(diǎn)控制采用最大、最小和平均方式對(duì)試驗(yàn)的效果是不同的。在同一試驗(yàn)條件下，取最小控制時(shí)，振動(dòng)量級(jí)最大；取平均控制時(shí)，振動(dòng)量級(jí)次之；取最大控制時(shí)振動(dòng)量級(jí)最小。試驗(yàn)中采用哪種形式，要由試驗(yàn)?zāi)康摹⒏鞑糠猪憫?yīng)等因素決定。

多點(diǎn)控制不僅有利于提高試驗(yàn)效果，改善振動(dòng)響應(yīng)特性等優(yōu)點(diǎn)，而且存在多條反饋回路，有較好的安全保障，是目前主流的控制方式之一。

3.3 響應(yīng)控制

響應(yīng)控制一般裝在產(chǎn)品重要部件附近，防止試驗(yàn)中這些重要部件因振動(dòng)量級(jí)過大造成損壞，當(dāng)控制點(diǎn)量級(jí)超過給定值時(shí)，原來的控制值自動(dòng)下降，保證控制點(diǎn)的量值不超過給定值，當(dāng)控制點(diǎn)的量級(jí)小于給定值時(shí)，控制值恢復(fù)正常，目前主要用于大型產(chǎn)品的試驗(yàn)控制中。

4 試驗(yàn)過程及試驗(yàn)善后

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的檢查

為確保試驗(yàn)的正常進(jìn)行，必須在試驗(yàn)前，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證控制回路、測(cè)量通道等都是通暢的。可以從外觀檢測(cè)，如接頭是否擰緊，電源插頭是否插好；對(duì)于控制及測(cè)量系統(tǒng)可以在傳感器附近進(jìn)行敲擊，看控制器是否有響應(yīng)信號(hào)。確認(rèn)系統(tǒng)連接無誤，各回路工作正常之后，依據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于振動(dòng)控制系統(tǒng)一些重要參數(shù)，如振動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)方式、最大輸出電壓等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，在確認(rèn)有必要修改之前不要修改。

4.2 預(yù)試驗(yàn)

在正式試驗(yàn)開始之前要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，預(yù)試驗(yàn)的目的有兩個(gè)，一是了解振動(dòng)試驗(yàn)本身各系統(tǒng)的配合情況，知道受試產(chǎn)品初始的振動(dòng)響應(yīng)值；二是對(duì)產(chǎn)品在試驗(yàn)中的性能進(jìn)行測(cè)試，觀察有無相互干擾的問題。

預(yù)試驗(yàn)的量級(jí)一般采用正式試驗(yàn)的1/4，試驗(yàn)時(shí)記錄測(cè)量結(jié)果。產(chǎn)品工作并測(cè)試。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)當(dāng)在正式試驗(yàn)前排除，排除之后再次預(yù)試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。

4.3 正式試驗(yàn)

正式試驗(yàn)必須有負(fù)責(zé)人統(tǒng)一安排，嚴(yán)格按照試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工作人員和參試人員應(yīng)分開，試驗(yàn)過程中參試人員應(yīng)在指定地點(diǎn)，不得隨意走動(dòng)、喧嘩。試驗(yàn)中應(yīng)有專人負(fù)責(zé)觀察受試產(chǎn)品，了解產(chǎn)品在整個(gè)試驗(yàn)中的變化并記錄。出現(xiàn)問題或異常現(xiàn)象應(yīng)立即報(bào)告負(fù)責(zé)人。由負(fù)責(zé)人根據(jù)情況進(jìn)行處理，其它人員不得發(fā)令。

4.4 試驗(yàn)結(jié)束后工作

正式試驗(yàn)結(jié)束后，可以再進(jìn)行一次附加的試驗(yàn)響應(yīng)檢查，以對(duì)比試驗(yàn)前后的振動(dòng)特性，判斷受試產(chǎn)品在試驗(yàn)后是否有損傷。

當(dāng)全部的試驗(yàn)完成后，首先應(yīng)關(guān)閉振動(dòng)輸出，檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果是否滿足試驗(yàn)要求。檢查完畢后，取下測(cè)試導(dǎo)線并收好，取下傳感器并清洗裝盒，取下受試產(chǎn)品，清潔現(xiàn)場(chǎng)，恢復(fù)試驗(yàn)前狀態(tài)。

5 結(jié)論

在振動(dòng)試驗(yàn)中，受試產(chǎn)品通過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)上，試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)的組合用于模擬產(chǎn)品預(yù)期使用過程中產(chǎn)生的力學(xué)平臺(tái)環(huán)境。在試驗(yàn)過程中，涉及到控制學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，影響因素較多。這就要求進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)人員的知識(shí)培訓(xùn)，提高試驗(yàn)室質(zhì)量、安全管理水平，細(xì)化操作規(guī)程及試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則，提高試驗(yàn)室試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，保證試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效。

[1]鐘瓊?cè)A,邱景湖.振動(dòng)與振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備[M].蘇州:蘇州試驗(yàn)儀器總廠,2004.

[2]胡志強(qiáng)等. 隨饑振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1996.