基于人工合成波的電信設備抗震試驗方法

朱建華，劉勇志，鐘 浩，金 敏

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

引言

電信設備抗震性能的重要性已不言而喻，既是基于我國震害嚴重這一客觀事實，也是工業社會發展對產品性能所提出的必然要求。電信設備抗震性能的提高，有賴于完善的抗震性能檢測方法及規范的形成并最終達成廣泛的共識，且付諸于工業實踐。

與電信設備相關的抗震試驗標準或規范已經存在，如YD 5083、GB/T 2424.25、IEC 60068-3-3、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、GR-63-CORE等。YD 5083作為國內主要的電信設備抗震試驗檢測依據，雖然提及人工合成波的試驗方法，但在實踐過程中，五周五拍頻的試驗方法依然是主要的選擇。就目前狀況來看，多數國際標準或區域性標準規范中要求的波形試驗是采用人工合成波，如EN 300019-2-3、EN 300019-2-4和GR-63-CORE。這主要是因為人工合成地震波更接近地震實際發生的情形，且抗震試驗的實際效果也更具有參考性和信賴性。

基于人工合成波的抗震試驗，其應用已不再局限于電信設備，其他行業設備也有了很好的普及。如電力設施設備的GB 50260、 GB/T 13540等。因此，對其研究具有廣泛的現實意義。

1 基于人工合成波的抗震試驗方法

人工合成波，就是一組人工合成的時間歷程。它由具有模擬動態應力特性的響應譜規定。基于人工合成波的抗震試驗方法，由兩部分組成，一部分是初始響應檢測，另一部分是波形試驗。多軸激勵方式的抗震試驗雖已經出現，但鑒于目前相關設備的發展、普及狀況比較緩慢，這里不作過多的闡述。本文主要討論單軸激勵的抗震試驗方法。

1.1 初始響應檢測

初始響應檢測，目的在于了解電信設備自身的振動特性，掌握結構的共振頻率、阻尼比等參數。經驗豐富的檢測技術人員，可通過對被測設備振動特性的了解而預判最終的抗震性能結果。

一般來說，初始響應檢測可以采用兩種試驗方法進行，一種是正弦掃頻試驗法，也稱正弦激勵法；另一種是隨機振動試驗法，也稱白噪聲法。

由于地震波的低頻特性，一般頻率在1～35 Hz內振動具有最大能量，頻率在1～10 Hz的振動對產品更具破壞性。因此，研究1～35 Hz頻率范圍內的響應特性具有實用性。實際測試中，常選取1～35 Hz作為初始響應的頻率范圍，如YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、IEC 60068-3-3（GB/T 2424.25）等。當然，如有必要，可適當地放寬，如GR-63-CORE將初始響應檢測的頻率范圍界定在1～50 Hz范圍。

在量級選擇方面，應遵循這樣一個原則，即不得造成被測設備的任何機械損傷，因此應采用較低的量級水平。

表1中列出了一些標準規定的初始響應檢測參數。

1.2 基于人工合成波的抗震試驗

基于人工合成波的抗震試驗，因更接近實際的地震形式，且抗震試驗的實際效果具有良好的參考性和信賴度，必將會是今后抗震試驗的主流試驗方法。

由人工合成波的定義可知，采用人工合成波的抗震試驗，有兩個基本要素：一個是要求響應譜，另一個是人工合成波的持續時間。兩者共同約束，組成并最終擬合成有效的人工合成波，進而再開展抗震試驗。

要求響應譜，體現了電信設備不同的安裝使用環境。進行人工合成波抗震試驗前，必須依據設備的安裝使用環境，約定響應譜或測得實際環境的響應譜。

地震發生時，巨大的能量從震源出發，經地面傳遞，直接作用于電信設備或通過建（構）筑物、支撐物等間接作用于電信設備。直接作用于電信設備與間接作用于電信設備，兩者響應值相差很大，因為建（構）物、支撐物在這過程中既起到濾波作用，也起到了放大的效應。

因此，要求響應譜可分為兩種情形，一種是電信設備安裝使用于室外的（非特定的支撐物或建筑物上），另一種情形是電信設備安裝于室內的（特定的支撐物或建筑物上）。EN 300019-2-3和EN 300019-2-4充分闡述了上述兩種情形，前者代表電信設備安裝于室內環境，后者代表電信設備安裝于室外環境。由于EN 300019-2-3和EN 300019-2-4對地震環境條件響應譜進行了針對性的研究，業內對這兩個標準的認可度很高，故按此作為電信設備抗震性能檢測的要求響應譜。

圖1～圖2是EN 300019-2-3、EN 300019-2-4的要求響應譜。由圖可知，標準的要求響應譜的頻率范圍在1～35 Hz內，符合地震試驗的頻率特性，同時也從另一個側面反應出初始響應檢測頻率范圍選擇的合理性。

表1 初始響應檢測試驗參數

明顯地，室內安裝設備的嚴酷等級高于室外設備，這也從另一角度說明了建筑物、支撐物在地震過程中具有響應放大作用。

當基于人工合成地震波的要求響應譜已經明確，接下來就應確定其持續時間。IEC 60721-2-6對地震的振動特性進行了描述：“中等的地震可以持續15～30 s，強烈的可以持續60～120 s。一般來說，具有最大地面加速度的強部可達10 s。”

人工合成波的持續時間，通常也據此進行規定。如YD 5083規定人工合成地震波的持續時間不少于30 s，強震部分不少于20 s；EN 300019-2-3和EN 300019-2-4則規定人工合成地震波的持續時間為30 s，強震部分不少于15 s。

圖1 EN 300019-2-3 要求響應譜（室內）

圖2 EN 300019-2-4 要求響應譜（室外）

2 案例分析

抗震試驗的過程中，極可能發生門、螺栓、部件等脫落、拋離設備主體或主體傾倒的現象。因此，試驗過程中應采取充分的人身、設備安全防護措施。

本試驗依據EN 300019-2-4進行。案例從抗震試驗的主要試驗設備要求、被測樣品的安裝與工況調試、波形試驗與響應監測三個方面進行講述。

2.1 試驗設備的要求

基于人工合成波的抗震試驗，具有實際地震情形的特點，如頻率低、動態行程大等。因此，試驗的開展，必須依賴于此類特性的液壓模擬地震振動臺。

本案例所采用的液壓地震振動臺特性如下：

1）頻率范圍：0.1～500 Hz；

2）動態行程：270 mm；

3）抗傾覆力矩：7.0×106in-lb；

4）扭矩：7.0×106in-lb；

5）動態推力：7636 kgf等。

然而，液壓模擬地震振動臺僅僅是進行抗震試驗的基礎，由單軸向（或三軸向）加速度傳感器、位移傳感器及控制器等組成多功能多通道數據采集和分析系統，則豐富并滿足了抗震檢測試驗的全部需求。

2.2 被測樣品的安裝與工況調試

被測設備的安裝應遵循這樣的原則，即按照實際使用時的安裝的方式，將被測設備安裝到液壓模擬地震振動試驗臺上。在所有情況下，應使用實際工程安裝推薦的緊固件數量、尺寸、墊片、加載的力矩值等，并應形成記錄文檔。

案例中，被測設備的安裝方式是屬于掛桿式的，如圖3所示。因此，在進行抗震試驗的過程中，按照其實際的安裝方式進行安裝。例如：安裝高度為1 m（從地面至被測設備的下端計算安裝高度）、使用喉扣將被測設備固定在掛桿上等。

為更好地表征抗震試驗的有效性，應在抗震試驗前，監測掛桿的振動特性，確保其固有頻率應避開地震的振動頻率特性范圍。這既是對安全檢測作業進行有效控制的需要，也是為了避免不合理的夾（制）具發生放大作用導致試驗結果誤判。

另外，抗震試驗的考察點不僅體現在被測設備的物理性能方面，對被測設備在抗震試驗過程中和抗震試驗后的功能及電性參數也應做出要求。為此，被測設備安裝完畢后，必須將其工作模式、工作狀態調試到預定的情形下并進行實時監測。

在試驗的過程中，如能對被測設備重要的核心參數進行實時監測，那是最好不過的了。不過，這有賴于有關標準、規范的明確約定或在抗震試驗項目開展之前，生產制造商和需方已經達成對被測設備某些參量的共同要求。

2.3 抗震試驗與響應監測

被測樣品進行抗震試驗，運作過程與常規的機械振動試驗大體相同。在確保被測樣品已經穩固安裝，且安裝、調試工作人員已撤離到安全區域后，運行地震試驗臺即可，這里不作過多闡述。響應監測伴隨著抗震試驗的整個過程，如果說抗震試驗的最終目的是檢驗被測樣品的物理性能和電參數，那么抗震試驗過程中的響應監測數據一方面是佐證被測樣品的抗震試驗的有效性，另一方面又為結構的優化提供原始的數據。因此，響應監測的重要性不言而喻。響應監測參數主要體現為關鍵部位的加速度響應值、形變量、力矩值等。

當被測設備需要安裝于特定的夾具或工裝上進行抗震試驗時，對夾具的量值傳遞效果應進行監測。如果監測得到的響應值表明夾具的放大作用過大，那么試驗的有效性就值得商榷。因此，約束夾具的響應值，對如掛桿設備、掛墻設備、子架級設備等尤為重要。

響應監測為結構優化提供原始數據，主要體現在通過對某一位置的應力監測，掌握材料的特性或結構薄弱點。如螺栓的動態特性，掌握選材是否合理；結構的動態特性，了解當前結構的穩定性。

本案例中，對被測樣品激勵軸向上的加速度值進行了監測，并且只選擇了一個部位進行監測。當然，如試驗需要，可對多個部位進行監測。

初始響應檢測，通過對設備的激勵方向安裝加速度傳感器，實現對被測設備響應的監測。圖4～圖6是初始響應檢測的譜圖，從圖中可知，X軸向的固有頻率為9.7 052 Hz，Y軸向的固有頻率為34.2 070 Hz，Z軸向的固有頻率為27.0 515 Hz。

圖3 掛桿式被測設備及加速度傳感器的安裝

圖4 初始響應檢測譜圖（X 軸向）

圖5 初始響應檢測譜圖（Y 軸向）

從固有頻率分布來看，在X軸向的固有頻率較低，處于地震振動的頻率特性的危險頻率段內。因此，在試驗的過程中應特別關注。Y軸向的固有頻率接近地震振動的頻率特性的上限，因此認為地震試驗在該軸向對電信設備的影響較小。對于Z軸向，YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4均有明確規定，如該軸向固有頻率大于20 Hz，抗震試驗可不進行。本案例中，Z軸向的抗震試驗也是忽略的。

圖6 初始響應檢測譜圖（Z 軸向）

圖7 抗震試驗譜圖（時程）

圖8 抗震試驗譜圖（頻程）

抗震試驗的時程譜圖描述了抗震試驗的持續時間及量值分布，根據EN 300019-2-4的要求，人工合成地震波的持續時間為30 s，強震部分不少于15 s，從圖7可知，該要求是滿足的。

抗震試驗頻程譜圖（圖8）應大于要求響應譜圖，對離散頻率點進行采集和分析，同樣也是滿足要求的。

因此，此次抗震試驗是合理且有效的。

抗震試驗過程中，監測結果表明被測樣品能正確傳輸數據，功能及性能均正常。抗震試驗后，對被測樣品的物理結構和功能及性能進行檢查，均無異常；對連接部件的緊固件進行扭矩測量，測得值處于初始加載的扭矩的誤差范圍內。因此，可認為被測樣品滿足預期的抗震能力要求。

3 總結

基于人工合成波的抗震試驗方法，因其優勢而逐漸被推廣并成為主流的抗震試驗方式。通過對電信設備的初始響應檢測，了解其振動特性；根據其不同的安裝、工作條件，選擇不同的要求響應譜，擬合成規定持續時間的人工合成波時間歷程，進而可以開展電信設備的抗震試驗，其結果具有較高的信賴度和參考性。

[1]YD 5083, 電信設備抗地震性能檢測規范[S].

[2]GR-63-CORE, NEBSTM Requirements: Physical Protection[S].

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[4]ETSI EN 300019-2-4, Environmental Engineering (EE);Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-4: Specification of environmental tests; Stationary use at non-weatherprotected locations[S].

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