振動（正弦）試驗能力驗證計劃設計與實施技術探討

張宗取，張旺威，朱珈，陳宇軍，潘文宏，陳曉斌

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

產品振動試驗，是模擬產品在運輸、安裝及使用環境下所遭遇到的各種振動環境影響，用來確定產品是否能承受各種環境振動的能力。任何產品在運輸、使用中會產生碰撞、振動，會使產品在某一段時間產生不良，如結構損壞，如結構變形、產品裂紋或斷裂；產品功能失效或性能超差，接觸不良、繼電器誤動作等，所以為避免嚴重影響產品的使用和不必要的經濟損失，我們就要對產品進行耐振動測試，驗證產品是否能承受運輸過程中環境因素的考驗，從而可以根據測試結果對產品進行改良。很多產品，如包裝、家具、家電、電子、汽車玩具等都需要進行振動試驗以評估產品的可靠性。正弦振動試驗是振動試驗的基礎性試驗，在行業上應用廣泛，產品進行振動試驗時往往也會要求先搜索共振頻率，然后在共振頻率按照規定的時間進行耐久試驗。

1 振動（正弦）能力驗證設計與實施的關鍵點

1.1 檢測參數的確定

按照GB/T 2423.10《環境試驗第2 部分：試驗方法試驗Fc：振動(正弦)》的要求，其中很重要的一項內容就是要求產品在進行振動試驗時，需要進行“初始振動響應檢查”和“附加振動響應檢查”[1]。振動試驗開始前要先進行初始振動響應檢查，尋找產品的危險頻率點（或共振頻率），檢測到共振峰的頻率點，可為后續的耐久性振動試驗提供依據。在耐久性試驗后或者試驗進行的中間再進行附加振動響應檢查，并要與初始振動響應檢查結果進行比較，可以評估產品在經過一段時間的振動試驗前后是否有共振頻率和其他響應頻率的改變（飄移），從而判斷產品在試驗中是否有結構性損傷或“疲勞”出現[2]。因此，如何正確實施振動響應檢查是實驗室應該具備的必要技能。基于此，選擇“共振頻率”作為振動（正弦）試驗能力驗證計劃的檢測參數就非常合適。

在檢測參數設計的過程中，實施機構應召集相關的技術人員與專家充分研究清楚檢測項目所依據的產品及方法標準，經過周密的論證，選定合理的檢測參數，這樣才能真實地反映參加者的能力，更有助于實驗室提高技術水平。

1.2 能力驗證樣品的開發設計

樣品設計需考慮測試的影響因素，滿足依據標準測試的要求；樣品制備過程需重點關注樣品的均勻性及穩定性，確保各個參加者獲得相同的測試樣品，每個樣品的量值不存在顯著性差異，以確保出現的任何離群及可以結果不能歸咎于測試樣品之間或其本身的差異。

1.2.1 振動（正弦）試驗能力驗證樣品設計的關鍵點

1）振動（正弦）試驗樣品設計考慮結構振動三要素（質量m、剛度k、阻尼c），三要素決定結構的振動特性，樣品的固有頻率，從公式可知剛度k 和質量m 影響共振頻率的大小。

2）樣品在指定方向上的固有振動頻率（共振頻率）應具有唯一性，具體表現在某個頻率上，樣品的加速度響應輸出最高，同時應避免出現多個加速度尖峰的頻率點；

3）樣品考慮為金屬結構件，組裝結構應簡單穩定，為防止部件變形和有害應力，所有連接均采用螺釘連接。考慮試驗期間確保樣品能緊固安裝至振動臺，設計的樣品底座能直接通過螺栓進行固定。

4）樣品監測共振頻率的平面有足夠的空間能緊固安裝傳感器，且能降低監測傳感器粘貼位置和傳感器質量的敏感度。

5）一般的電工電子產品共振頻率為（10~150）Hz，因此樣品的特性值設計在此范圍內。

基于上述考慮，設計結構圖如圖1 所示。

圖1 振動（正弦）試驗樣品設計圖

2.2.2 振動（正弦）試驗能力驗證樣品制備的工藝要求

1）樣品部件材料選擇

能力驗證樣品為金屬結構件，包括鋁合金底板、鋁合金支撐板、不銹鋼支撐桿、不銹鋼砝碼、不銹鋼連接螺釘。依據GB/T 2423.43-2008《電工電子產品環境試驗第2 部分：試驗方法 振動、沖擊和類似動力學試驗樣品的安裝》[3]，考慮加工容易制作和較高的內部阻尼特性，標準樣品的底板及支撐板部分采用重量輕、剛度好、不生銹、易于加工的鋁合金材料。考慮樣品反復使用時不易變形和不生銹的要求，且比重大可以減小樣品體積；硬度高可以防止運輸和使用過程中的碰撞變形，標準樣品的支撐桿和砝碼部分采用不銹鋼材料。

2）樣品加工及組裝

樣品按照設計要求通過數控機床加工制作標準樣品的零部件，零部件的所有連接均采用螺釘連接，在組裝過程中應緊固，所有螺栓都應擰緊到最大容許扭矩，避免緊固不足影響總體共振響應。

3）能力驗證樣品的測試驗證

樣品制作完成后，依據GB/T 2423.10-2019《環境試驗第2 部分：試驗方法試驗Fc：振動(正弦)》進行測試，如圖2 所示，樣品在（10~150）Hz 范圍內，監測只出現1 個峰值，表明樣品符合設計的要求。

圖2 振動(正弦)試驗共振頻率譜圖

振動樣品結構設計簡單穩定，且可通過更換安裝不同的合適質量的砝碼，就可以調節樣品的特性值（共振頻率），能夠滿足實際驗證的需要。

1.3 能力驗證測試方法

實施機構應在能力驗證計劃建立和運作之前就完成方法和程序的選擇，一般是國家標準或者國際標準方法。采用同一種方法能使所有參加者的結果更具有可比性，有利于對參加者能力進行評價。振動（正弦）試驗依據標準為GB/T 2423.10-2019《環境試驗第2 部分：試驗方法試驗Fc：振動(正弦)》，且按照文件的要求設計了詳細的指導書，主要測試條件見表1。

表1 振動臺掃頻參數

1.3.1 掃頻方向及速率

為避免掃頻起始方向的差異，規定了掃頻起始方向為（10~150）Hz 的正向掃頻。振動響應檢查通常以1 oct/min 的掃頻速率完成，已能基本保證不遺漏共振頻率[4]，因此按照GB/T 2423.10 的要求統一規定掃頻速率為1 oct/min。

1.3.2 試驗量級

較低的試驗量級可能導致檢測信號信噪比低（特別當振動設備沒有地線或地線不合格時，電源信號會在50 Hz 的整數倍頻率點上產生很大干擾），較大的試驗量級則會給樣品累積疲勞損傷，不利于試驗樣品多次使用。因此，試驗量級的選取原則為：既能提供滿足信噪比要求的檢測信號，又不過多給樣品造成累積損傷。最終規定正弦掃頻試驗量級為0.2 g。

1.3.3 結果記錄

要求參加實驗室根據最大幅值比確定對應的共振頻率。如圖3 所示，從實測圖譜可以看出，樣品在（10~150）Hz 范圍內，只監測出現1 個峰值。參加實驗室記錄監測傳感器測得的共振頻率，并將測量結果反饋給實施機構。

圖3 實驗室振動（正弦）試驗掃頻圖譜

2 技術分析及建議

發現參加者能力上的缺陷，提高參加者的能力是能力驗證活動的基本目的之一，因此，在結果報告中體現對參加者的不滿意原因分析和建議是非常必要的，而能力驗證計劃中“調查表”的設計是其中的關鍵，需要實施機構根據影響測試項目的因素進行設計，將影響實驗的關鍵過程“體現”出來，這樣才有利于分析實驗室存在問題的原因，給出合適的建議。其中，樣品的安裝，傳感器的布置等是影響振動（正弦）試驗的關鍵因素，調查表就針對性地設計了“樣品的裝夾方法”、“提供測試整體布置照片（樣品與振動臺及其傳感器整體照片）”、“提供含有試驗結果曲線、圖表的照片”等問題。

2.1 樣品的安裝

GB/T 2423.43-2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 振動、沖擊和類似動力學試驗樣品的安裝》標準規定“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”。樣品進行振動（正弦）試驗之前，應確保樣品能緊固的安裝在振動臺面，確保振動量值準確傳遞到樣品，裝夾時要避免一端固定而另一端處于懸空的狀態。如圖4所示，個別實驗室只借助樣品基座的2 個螺釘孔固定，沒有固緊樣品；如圖5 所示，部分實驗室采用了其他卡夾具，沒有固緊樣品或固緊力失衡；如圖6 所示，這種安裝結構，提高了樣品安裝的重心，這些因素都可能會導致結果的偏離。進行振動試驗時樣品的安主管應注意以下幾點：

圖4 樣品安裝圖

圖5 樣品安裝圖

圖6 樣品安裝圖

1）為保證振動量值的傳遞，盡量將樣品緊固安裝在振動臺面的中心區域；

2）確保樣品安裝緊固，對稱平衡，且不要過度用力使樣品變形；

3）樣品應直接通過螺栓裝在振動臺面上，如樣品的安裝孔與振動臺面不匹配，可選擇合適的鋼板等過渡連接件進行安裝，但應盡量減少過渡環節；

4）避免“懸臂梁”安裝。

2.2 傳感器的安裝

共振頻率搜索試驗除了安裝用于檢測閉環反饋控制信號的傳感器，還需要在指定位置安裝監測響應狀態參數的傳感器。其中控制點是固定點中具有代表性的點，控制傳感器應靠近樣品固定點進行布置。如圖7 所示，個別實驗室樣品安裝在振動臺面邊緣，并且控制傳感器離樣品固定點較遠，可能導致響應偏差，從而導致試驗結果偏離。如圖8 所示，實驗室樣品安裝在振動臺面邊緣，并且沒有安裝控制傳感器，從而導致試驗結果偏離。

圖7 傳感器布置圖

圖8 傳感器布置圖

2.3 共振頻率搜索試驗

在進行共振頻率搜索試驗過程中，如果發現曲線異常（如圖9、圖10 所示，樣品監測出現兩個峰值），應分析可能出現問題的原因。然后可通過拆卸樣品重新安裝測試、改變樣品安裝位置等方式進行驗證。

圖9 共振頻率搜索曲線

圖10 共振頻率搜索曲線

3 結術語

能力驗證的本質就是在于提升實驗室的技術能力，可以幫助實驗室在樣品處理，試驗過程結果報告等方面存在的問題，從而發現改進的機會，提升實驗室的技術水平。本文結合振動（正弦）試驗能力驗證計劃設計與實施中的“檢測參數的確定”、“樣品開發與設計”、 “技術分析及建議”等方面進行了分析和探討，希望能為各相關方提供參考，共同提高行業實驗室的技術水平。