振动冲击试验方法与技术(王树荣)

振动冲击试验方法与技术(用电动振动台进行)王树荣1前言电动振动试验系统是环境试验的主要试验手段之一，用它可以完成环境试验标准中的振动试验和冲击试验。当今国内外在环境试验上有许多标准和方法,但归纳起来为二大体系：一类是以IEC（国际电工委员会）为主体的国际通用的民用(商用)产品的环境试验体系,它是国际贸易中民用(商用)产品的环境适应性水平要求的共同语言、统一准则，它是以欧洲资本主义国家为主导制订的，可以说它是欧洲资本主义国家环境试验现状和水平的反映。我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将TC50（环境试验）、TC75（环境条件）制订（转化）成环境试验国标（GB/T2423系列标准）与环境条件国标（GB/T4798系列标准）。IEC标准的特点是模拟试验方法（程序）经典、试验再现性高。另一类是军用产品的环境试验体系，昀有代表性为美国的MIL标准和英国国防部07-55标准。我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将相同专业的美国MIL标准转换为我国军标，美国军标的特点是工程应用性好。在环境试验领域内昀常用的美国军标和相应的我国军标示例见下表：美国军标相应的我国军标MIL-STD-883E微电子器件试验方法标准GJB548A-96微电子器件试验方法与程序MIL-STD-202F电子及电气元件试验方法GJB360A-96电子及电气元件试验方法MIL-STD-810F环境工程考虑与实验室试验GJB150-86军用设备环境试验方法（等效MIL-STD-810C/D）MIL-STD-1504C运载器、顶级飞行器、航天器试验要求GJB1027卫星环境试验要求在此值得一提的是我国军标GJB4-83舰船电子设备环境试验是我国自行制订的国军标。从上面的叙述可见，我国的环境试验标准有民（商）用和军用二大标准体系，民用是等效或等同采用的IEC标准体系，军用是等效或等同采用美国军标体系。对上述等环境试验标准中的电动振动试验系统能完成的试验综合归纳一下，可以看出，电动振动试验系统的应用面是很广的，它既可进行振动试验又可进行冲击试验。就振动类的试验而言，当今环境试验中的振动试验有：正弦振动方法、随机振动方法、拍频振动方法、时间历程方法、地震试验方法、声振试验方法等。其中随机振动方法又可分为宽带随机和窄带随机，在具体进行宽带随机振动试验时，还可将窄带随机或正弦振动叠加在在宽带随机振动上，对声振试验要在混响声场内进行，电动振动试验系统无法实现。就冲击类的试验而言，当今环境试验中有：冲击试验、碰撞试验、颠震试验、强碰撞冲击试验、倾跌与翻倒试验、自由跌落试验、随机跌落试验等。其中可以用电动振动台上完成的有冲击试验、碰撞试验、颠震试验。在这里还要指出的是颠震试验和碰撞试验其实是一回事，即在舰船电子设备环境试验中称颠震试验，在其它专（行）业中称碰撞试验。注：下面所介绍的可用电动振动试验系统进行的环境试验项目是从王树荣编著的环境试验一书中摘出来的。2第12章正弦振动试验12.1试验目的、影响机理、失效模式正弦振动试验的目的是在试验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中所可能经受到的正弦振动及其影响。正弦振动主要是由于飞机、车辆、船舶、空中飞行器和地面机械的旋转、脉动、振荡等诸力所引起的。振动对产品的影响主要有：(1)对结构的影响这种影响主要是指变形、弯曲、产生裂纹、断裂和造成部件之间的相互撞击等。这种破坏又可分为由于振动所引起的应力超过产品结构强度所能承受的极限而造成的破坏，以及长时间的振动（例如107次以上应力循环的振动）使产品发生疲劳而造成的破坏，这种破坏通常是不可逆的。(2)对工作性能的影响这种影响主要是指振动使运动部件动作不正常、接触部件接触不良、继电器产生误动作，电子器件噪声增大、指示灯闪烁等，从而导致工作不正常、不稳定，甚至失灵、不能工作等。这种影响的严重程度，往往取决于振动量值的大小，而且这种破坏通常不属于永久性的破坏。因为在许多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常,可见这种破坏往往是可逆的。(3)对工艺性能的影响这种影响主要是指螺钉松动、连接件或焊点脱开等。这种破坏通常在一个不太长的振动时间内（例如半小时）就会出现。上述的种种影响，特别是当产品的固有频率和激励频率相等引起共振而导致响应幅值急剧增大时，会更迅速和更严重地发生。1974年日本对121艘船舶所作的调查中发现，在4778起设备事故中，由于振动引起的占17%。在损坏的656件自动控制设备的元器件中，由于振动损坏的占18.7%。我国的电子电工产品由于振动引起的结构破坏、性能下降、工作不良和失灵的事例也屡有发生，而且是比较严重的。所以，正弦振动试验是用来确定产品能否经受住预定的振动条件，能否在预定的振动条件下可靠地工作、不出故事和性能不发生下降的一种行之有效的方法。实际上产品所遇到的振动在大多数情况下是随机性质的振动，对这些随机振动，本应随机振动试验方法进行试验更切合实际。但由于历史原因，即昀先有的是简单的容易产生的正弦振动，后随着科学技术的发展，复杂的技术含量高的随机振动才一步一步的发展起来。加上随机振动控制仪刚出来时设备价格昂贵，而且需要较高的技术操作水平，试验成本高，其次至今还有许多标准一直沿用正弦振动试验，所以当今还有相当一部分在使有中实际经受到的是随机振动，而在对产品的摸底、鉴定、例外和验收中用的仍是正弦振动试验来进行。另外，正弦振动还可用来研究产品的动态特性等。所以正弦振动试验在力学环境试验中还是一个昀重要的振动试验项目，也是一个很经典的试验方法。。12.2正弦振动的描述正弦振动试验是属于“规定一种机械运动”的力学环境试验方法，而这种机械运动就3是以正弦曲线为基本运动的轨迹。所以在正弦振动试验中，若知过去的运动状态就可以确定未来任何时刻运动的各要素。当用位移来作为时变函数时，正弦振动的基本运动可用下式表示：)sin(0tAX（12-1）式中：X-某时刻的位移幅值—位移峰值0A—角频率—初相角若初相角=0，则：tAXsin0（12-2）对上式进行求导：便可得出速度和加速度的方程：)2sin(cosAX00tAt（12-3）)sin(sin0202tAtAX（12-4）从上述各式可以看出，速度和加速度与位移是具有同一频率的运动。但其相位而言，速度比位移导前900，加速度又比速度导前900，即比位移导前1800，说明加速度正比于位移而指向原点。当加速度的单位用g表示时，正弦振动的基本运动有又可直接用下列方程表示：)sin(0taa（12-5）式中：-某时刻的加速度幅值a–加速度峰值0a–角频率-初相角当初相角为零时，则：taasin0（12-6）正弦振动试验的基本运动的时间历程如图12-1所示：图12-1正弦振动试验的时间历程就能量而言，正弦振动试验的能量存在于某一频率上，而不是幅值对频率的连续谱，如图12-2所示：Ef频率图12-2正弦振动能量谱图从上述正弦振动试验的方程式和时间历程图可见，用频率、幅值两个参数就可以完整描述正弦振动试验的基本运动了。所以正弦振动试验的试验条件（严酷等级）由频率、振幅、试验持续时间三个参数共同确定。412.3试验条件及其选择对正弦振动，目前国内外无论是军用标准还是民（商）用标准都被广泛采用着，不同的是采用的目的和施加的对象不一样。在微电子器件试验方法与程序的美军标和国军标中利用正弦振动对器件进行强度、疲劳和噪声考核，在电子及电气元件试验方法的美军标和国军标中除航天航空上的产品外，其它都用正弦振动进行环境适应性和结构完整性考核，在军用设备环境试验方法的美军标（810）和国军标（150）中用正弦振动进行振动响应检查和舰船设备环境适应性和结构完整性考核，在卫星环境试验要求美军标（1540）和国军标（1027）中也要用正弦振动进行响声检查与共振频率、模态、振型分析。在IEC和国标中正弦振动用得更广泛。前面已述，正弦振动试验的试验条件（严酷等级）有频率范围，振幅值，试验等持续三个参数共同确定。如果有产品安装平台环境条件数据就直接用产品安装平台的数据。如果没有，或是可用在多种场合使用、或是具有多种用途的货架产品、可以根据下面标准中给出的条件通过工程判断来确定时间历程振动试验的条件。12.3.1频率、频率范围及其选择对频率、频率范围，首先要熟悉标准。有的标准（特别是军标）是直接给出，即按产品的使用环境直接给出了试验的频率或频率范围；民（商）用标准通常是用两种方式来规定的。第一种方式是给出一组下限频率（通常为：0.1、1、2、5、10、55、100HZ）和一组上限频率（通常为：10、20、35、55、80、100、150、200、300、500、2000、5000HZ），由使用者根据需要进行选择试验频率和频率范围。另一种方式是直接给出一系列的频率范围（通常为：1-35、1-100、2-80、10-55、10-100、10-150、10-200、10-500、10-2000、10-5000、55-500、55-2000、55-5000HZ），使用者根据需要进行选择。如何确定和选择和确定试验的频率范围？下面的叙述可供参考：产品在运输、贮存和使用过程中，有时会遇到很低的振动频率，例如车辆上用的设备，其车辆主要基波频率可能低到在1.5~4Hz之间，而振动试验设备，要达到1.5Hz，其加速度波型失真就会超差很大，达不到试验的要求。因此在确定试验频率范围时就要权衡，如果一个产品试验频率范围不宽，低频端在1Hz或1Hz以下，高频端在100（或~500Hz），则可用液压振动台来实现；如果一个产品试验频率范围很宽，其高频段在500~2000Hz或以上，而低频端又要到1Hz或1Hz以下，则只能适当的提高低频段的起点频率，例如低频端从5~10Hz开始，因为要达到500~2000Hz的频率，必需用电动振动台来进行试验，而当今的电动振动台随着科学技术的发展，其低频端已可达到5~10Hz（一些21世纪研制出的性能优良的电动振动台已可达到2Hz，但加速度失真仍偏大）。下面再以船用产品为例来说明这个问题。船舶的振动主要由船舶的动力机械产生的，因此下限频率应根据昀低螺旋桨的轴速度来确定。目前国际和国内沿海和远洋船舶大部分都使用中.低速柴油机，它们的昀低稳定转速在40-80转/分之间，因此下限频率应选择在5-10HZ。船舶的上限频率主要螺旋桨轴的转速×浆页数×60来确定。目前几个发达的资本主义国家的军用舰艇设备的振动标准中，其上限频率都是这样规定的。例如装有海神1250型柴油机的舰船，因其轴转速为11400转/分，经减速后为5150转/分，螺旋浆叶为三片，这样可取300Hz的频率为上限频率。对陆用和空用产品，也可视振源的特点，采用计算的5方法或现场实测的方法来确定其试验的频率及频率范围。12.3.2振幅及其选择在正弦振动试验中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二种，在实际试验时，有的试验仅给出位移幅值，有的试验同时给出位移幅值和加速度幅值。仅给出一个位移幅值：对IEC标准和国标，其上限频率不超过10Hz的试验，只给出一个位移幅值；对美军标和国军标，例如电子及电气元件试验方法，在10~55Hz的频率范围内也仅给出一个位移幅值，其值为0.75mm(单振幅)。同时给出位移幅值和加速度幅值：产品安装（放）平台实际振动的特点是频率愈高加速度愈大，频率愈低位移幅值愈大，而且是随着振动频率的变化而不断改变的。就对产品的影响而言，低频主要是位移破坏，高频主要是加速度破坏，而当今的正弦振动试验是建立在以往科学技术基础上的，当时（形成正弦振动试验时）的试验室模拟技术还不可能实现像现场振动一样随着振动频率的变化而其振幅有位移幅值不断改变，只能采用尽量逼近现场振动的方法，因此采用低频段位移幅值不变（称定位移），高频率段加速度幅值不变（称定加速度），从定位移变到定加速度之间的频率称交越频率（振动特性一种关系变到另一种关系的频率）。在IEC标准和国标中有二种交越频率，即8~9Hz的低交越频率和57~62Hz高交越频率，前者主要用于舰船产品的试验，后者主