振動試驗技術

振動試驗技術

蘇州環可檢測有限公司 ?陸繼田

【摘要】分析振動試驗對產品可靠性的影響，評估導入振動測試的必要性;介紹振動測試的定義、目的、測試方法、條件及引起的失效模式。

【關鍵詞】正弦振動;隨機振動;失效摸式

1.引言

振動測試作為驗證產品機械可靠性的主要手段，可以有效的評估產品機械可靠性并推進產品機械可靠性提升。提升產品機械可靠性，有利于提升產品在行業內的產品形象，提高客戶對公司產品的品牌認可度;通過振動測試可以提前發現產品在運輸及使用過程中由機械振動導致的失效，為產品結構設計的改進提供依據，以提升產品在運輸及在復雜使用環境中的可靠性，提升產品設計水平降低產品維護成本;有效評估機械振動對產品可靠性的影響及通過振動測試不斷提升產品機械可靠性顯得尤為重要。

2.振動試驗引起的失效摸式

振動試驗是在實驗室模擬各種惡劣的振動條件，以檢驗振動對產品的影響，稱之為失效摸式。

（1）對產品結構的影響

這種影響主要是使結構損壞，引起變形、彎曲、產生裂紋、斷裂，造成部件間的相互撞擊等，從而使產品疲勞損壞，這種破壞又可分為由于振動所引起的應力超過產品結構強度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時間的振動使產品發生疲勞而造成的破壞，這種破壞通常是不可逆的。

（2）對工作性能的影響

主要是振動使工作性能失靈、運動部件動作不正常、功能失效或性能超差，造成接觸部件的接觸不良，繼電器誤協作，電子管噪聲增加，指示燈閃爍等，從而導致工作不正常、不穩定，甚至完全不能工作。這種影響的嚴重程度，往往取決于振動量值的大小，而且這種破壞通常不屬于永久性的破壞，在很多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復正常。

（3）對工藝性能的影響

主要是振動使工藝性能破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊等。這種破壞通常在一個不太長的振動時間內就會出現，一般在30分鐘到1小時就能發現，并且往往是不可逆的。

無論哪種破壞都將導致產品的工作不穩定，甚至損壞。為了提高產品的可靠性需要通過振動試驗來暴露產品的薄弱環節，改進產品設計，使產品在運輸使用過程中不出或者少出故障。這是振動試驗的最終目的。目前在實驗室中進行振動試驗的形式最常用的是正弦振動和隨機振動試驗。振動試驗的目的是確定產品從制成開始， 在運輸、使用及工作過程中所能承受外來的振動或自身產生的振動，而不致破壞并能保持其原有性能，達到預訂的壽命和可靠性。

3.正弦振動試驗

3.1 正弦振動試驗目的

正弦振動試驗的目的是在實驗室內模擬產品在運輸、儲存、使用過程中所能經受到的正弦振動以及其影響;正弦振動還可以用來研究產品的動態特性等。

3.2 正弦振動應力參數

正弦振動試驗時屬于規定一種機械運動的力學環境試驗方法，而這種機械運動就是以正弦曲線為基本運動的軌跡。當用位移來作為時變函數時，正弦振動是位移、速度和加速度為時間 諧和函數的振動稱為簡諧振動，這是一種最簡單最基本的振動。其函數表達式為：

正弦振動試驗的基本運動的時間歷程如圖1所示。

從上述正弦振動試驗的方程式和時間歷程圖可見，用頻率、幅值兩個參數就可以完整描述正弦振動試驗的基本運動。正弦振動試驗的試驗條件（嚴酷等級）由頻率、振幅、測試持續時間三個參數共同確定。

圖1 正弦振動試驗的基本運動的時間歷程

3.3 正弦振動試驗條件

3.3.1 頻率、頻率范圍

對頻率、頻率范圍，如果有產品安裝平臺環境條件數據就直接用產品安裝平臺的數據;如果沒有，或是可用多種場合或多種產品使用的產品，可以根據標準中給出的條件通過工程判斷來確定時間歷程振動試驗的條件。

根據標準選擇試驗頻率范圍時，可以根據測試的具體目的進行選擇。產品在運輸、貯存和使用過程上中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設備，其車輛主要基波頻率可能低到在1.5-4Hz之間，而振動試驗設備，要達到1.5Hz，其加速度波形失真就會相差很大，達不到試驗的要求。因此在確定試驗頻率范圍時就要權衡，如果一個產品試驗頻率范圍不寬，低頻端在1Hz 或1Hz以下，高頻段在100Hz（或-500Hz），則可以用液壓振動臺來實現;如果一個產品試驗頻率范圍很寬，其高頻段在500-2000Hz以上，而低頻段又要到1 Hz 或1Hz以下，則只能行當的提高低頻段的起點頻率，例如低頻段從5-10Hz開始，因為要達到500-2000Hz的頻率，必須用電動振動臺來進行試驗，而電動振動臺低頻段公可達到5-10Hz（部分電動振動臺可以達到1Hz，但加速度失真偏大）。

圖2 環可檢測-車載攝像頭正弦振動試驗圖片

3.3.2 振幅及選擇

在正弦振動試驗中，其振幅有位移幅值和加速度值兩種，在實際試驗時，有的試驗僅給出位移幅值，有的試驗同時給出位移幅值和加速度值。

僅給出一個位移幅值：對IEC標準和國標，其上限頻率不超過101Hz的試驗，只給出一個位移幅值;對美軍標和國軍標，例如電子及電氣元件試驗方法，在10-55Hz的頻率范圍內也僅給出一個位移幅值，其值為0.75mm（單振幅）。

產品安裝平臺實際振動的特點是頻率愈高加速度愈大，頻率愈低位移幅值愈大，而且隨著振動頻率的變化而不斷改變。就對產品的影響而言，低頻主要是位移破壞，高頻主要是加速度破壞;當今的正弦振動試驗是建立在以往科學技術基礎上的，當時的試驗室模擬技術還不可能實現像現場振動一樣隨著振動頻率的變化而其位移幅值不斷改變，只能采用盡量逼近現場振動的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（定位移），高頻段加速度幅值不變（定加速度），從定位移談到 定加速度之間的頻率稱交越頻率（振動特性一種關系變到另一種關系的頻率）。在IEC標準和國際中有兩種交越頻率，即8-9Hz的低交越頻率和57-62Hz高交越頻率，前者主要用于船船產品的試驗，后者主要用于陸用和空用產品的試驗。 ? ? （下轉第91頁）（上接第89頁）

3.3.3 試驗持續時間及選擇

試驗的持續時間是描述產品的耐受振動能力的重要參數。對試驗持續時間的選擇相對于上述兩個參數和選擇要困難得多。因為目前一般很難給出多長的試驗時間相當于實際使用多少時間。對掃頻試驗，通常以掃頻循環數給出試驗時間。對定頻試驗，則直接以分鐘和小時給出試驗時間。

3.4 附正弦振動試驗圖2及曲線圖3

4.隨機振動動試驗

4.1 隨機振動試驗目的

產品在運輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數就是隨機性質的振動。例如，車輛在不平坦的道路上行駛時產品的振動;因此，隨機振動試驗能真實反映產品的耐振動性。

隨機振動和正弦振動相比，隨機振動的頻率域寬，而且有一個連續的頻譜，它能同時在所有頻率上對產品進行激烈，各種頻率的相互作用遠比用正弦振動僅對某些某些頻率或連續掃頻模擬上述振動的影響更殘酷更真實和更有效。

圖4 寬帶隨機振動時間歷程

4.2 隨機振動應力參數

在隨機振動試驗中，由于振動的質點處于不規則的運動狀態，永遠不會精確的重復，對其進行一系列的測量，名次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預先知道，因此就不可能用簡單的周期函數和函數的組合來描述。典型的寬帶隨機振動時間歷程如圖4所示。

由圖4可見，隨機過程最明顯的特點是非周期性，瞬間值無法預測;但并非無規律可言，而是表現出統計規律性。因此對隨機信號的研究，處理和分析必須用統計的方法來進行。對某一隨機過程，通常下列國個方面的信息來描述。

時間域：平均值、均方值、均方根值、方差

幅值域：概率分布、概率密度

時差域：自相關函數、互相關函數

頻率域：自動率譜密度、互功率譜密度、頻率響應函數及相干函數

隨機過程有平衡的和非平衡的，有各態歷經的和非各態歷經的;有正態分布的和非正態分布的。在隨機振動試驗的范疇內，通常假定為平衡的、各態經歷的，并且是正態分布的。

4.3 隨機振動試驗條件

4.3.1 試驗頻率范圍

指產品安裝平臺的振動對產品產生有效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率。典型的低頻通常對取產品最低共振頻率的一半或其安裝平臺明顯振動的最低頻率;典型的高頻是產品最高共振頻率的兩倍或其安裝平臺明顯振動的最高頻率，或是可以有效地機械地傳遞振動的最高頻率。

4.3.2 功率譜譜密度和功率譜譜密度的頻譜

隨機振動是以定義在相關頻率范圍內的PSD功率譜密度（ASD加速度譜密度）及功率譜譜密度的頻譜的形式來表征。功率譜密度（加速度譜密度）是指單位頻率上的能量，功率譜譜密度的頻譜（加速度譜密度的頻譜）是指振動能量在整個頻率方位內的分布。

4.3.3 總均方根加速度

總均方根加速度（Grms）值是功率譜譜密度的頻譜在全頻段面積的積分，即均方根值，它不包含任何頻率信息。因此Grms值通常用來進行試驗誤差控制與檢測，以及根據試驗樣品的重量、體積、動態特性來選需多大推力（功率）的振動臺。評價隨機振動試驗 應力大小的真正判據應該是在給定頻率范圍內的加速度譜密度高低，即看隨機振動試驗 的加速度譜密度頻譜曲線，而不是看總均方根加速度的高低。

4.3.4 試驗時間

試驗時間就是進行隨機振動的持續時間，通常分為功能（性能）和強度（耐久）兩種試驗時間。

4.4 附隨機振動試驗圖片圖5及圖6曲線圖

圖5 環可檢測-包裝箱隨機振動實驗圖

5.結束語

振動試驗主要是環境模擬，就是使產品經受到與實際使用過程的振動環境相同或相似的振動激勵作用，來驗證考核產品在預期的振動環境作用下，能否達到設計規定的性能指標。目前振動試驗已被應用多個領域：如航空航天、交通運輸、軍工產品、汽車產品等。