振動試驗及其相關(guān)參數(shù)的分析

閆 凱，李艷琴，李丹丹

（1.濟寧半導(dǎo)體及顯示產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，濟寧 272000； 2.魯南煤化工研究院，濟寧 272000；3.山推工程機械股份有限公司，濟寧 272000）

引言

振動試驗?zāi)M產(chǎn)品在實際使用和運輸中可能受到的振動影響，用來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的破壞性共振點、結(jié)合件的松脫、電路短路及斷續(xù)不穩(wěn)等，尤其在新產(chǎn)品的研制階段，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的失效點并及時進行改進[1]，保證產(chǎn)品可靠性達標。振動試驗比較常見的有確定性振動和不確定性振動兩種，正弦振動是確定性振動中最常用的一種試驗方法，隨機振動屬于不確定性振動。振動試驗廣泛應(yīng)用于電子電工產(chǎn)品及元器件、航天、汽車及工程機械、土木建筑等工業(yè)領(lǐng)域[2]。

1 隨機振動試驗

不確定性振動是指物理量隨時間的變化規(guī)律無法用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達，而只能用概率論和統(tǒng)計學(xué)的方法來描述的一類振動，隨機振動屬于不確定性振動。GB/T 2423.56-2006中規(guī)定：隨機振動試驗的嚴酷等一般由試驗頻率范圍、加速度譜密度值、加速度譜密度的譜型、試驗持續(xù)時間組成[3]。

在隨機振動試驗中往往采用頻率域和譜密度來進行描述，對加速度譜在頻率上進行積分得到的面積代表振動能量，對各個頻率分段內(nèi)的面積平方求和然后開根號，得到加速度均方根值，一般用加速度均方根值來表示隨機振動試驗總能量的大小。如圖1所示，ASD表示加速度譜密度值，單位為g2/Hz，也可以用(m/S2)2/Hz表示，隨機振動的譜型一般為平直譜[4]。

以圖1中的第1段上升譜為例，倍頻程N計算公式：

斜率k計算公式：

每一頻率段所包絡(luò)圖形的面積分別用S1、S2、S3表示，則加速度總均方根值Grms:

2 正弦振動

正弦振動屬于確定性運動，運動量隨時間按正弦函數(shù)變化，亦稱簡諧振動。在正弦振動試驗中規(guī)定了“定頻試驗”和“掃頻試驗”兩種試驗方法，掃頻試驗又分線性掃頻和對數(shù)掃頻兩種方式[5]。

定頻正弦振動試驗，是指在固定頻率點上進行各種振動參數(shù)不同量級的試驗，主要用于耐共振頻率處理和耐預(yù)定頻率處理[6]。掃頻試驗是指而頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)變化的試驗，頻率將按一定的規(guī)律發(fā)生變化，而振動量級是頻率的函數(shù)[7]。掃頻按照速率的變化方式又分為線性掃頻和對數(shù)掃頻。

2.1 正弦掃頻參數(shù)計算

線性掃頻,頻率變化是線性的，即單位時間掃過多少赫茲，單位是Hz/s或Hz/min，這種掃頻用于尋找共振頻率的試驗[8]。

式中，ν 為掃頻速率， f1為掃頻下限頻率， f2為掃頻上限頻率，t 為掃頻時間。

圖1

對數(shù)掃頻,頻率變化按對數(shù)變化，在相同時間掃過的頻率倍頻程數(shù)是相同的，倍頻程是指上限頻率 f2與下限頻率 f1之比等于2的n次方，即則稱 f2是 f1的n次倍頻程。如果每一頻帶的上限頻率比下限頻率高1倍，即頻率之比為這樣劃分的每一個頻程稱1倍頻程，簡稱倍頻程[9]。對數(shù)掃頻時低頻掃得慢，高頻掃得快，掃頻時，頻率隨時間按規(guī)律變化，即：

式中： f 為當前頻率， f1為掃頻下限頻率，k 為掃頻速率因數(shù)；t 為掃頻時間。試驗中如果掃頻速率是每分鐘一個倍頻程，則 k = ln2 ≈ 0.693[10]。一個掃頻循環(huán)的倍頻程數(shù)X 計算公式：

或：

應(yīng)力循環(huán)數(shù)的估計值N：

SR ---掃頻速率，單位是倍頻程/分鐘（oct/min）。

掃頻持續(xù)時間T：

2.2 算題

正弦掃頻試驗，頻率范圍是1 Hz～100Hz，掃頻速率SR為每分鐘1個倍頻程。求其一個掃頻循環(huán)（f1→f2→f1）的倍頻程數(shù)、應(yīng)力循環(huán)數(shù)和掃頻持續(xù)時間（結(jié)果取整數(shù)）。

解：由公式（6）得倍頻程數(shù)：

由公式（8）得應(yīng)力循環(huán)數(shù)：

由公式（9）得掃頻持續(xù)時間：

3 結(jié)語

振動是驗證產(chǎn)品可靠性時經(jīng)常采用的一種試驗方法，比較常用的是隨機振動和正弦振動，在產(chǎn)品的可靠性試驗中應(yīng)用比較廣泛。振動試驗可以用來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的破壞性共振點，確定樣品的機械薄弱環(huán)節(jié)或特性降低情況，在產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)階段起著重要的作用。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，振動試驗發(fā)揮著越來越重要的作用。

[1]張巧壽，振動試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].航天技術(shù)與民品，2000,(8):36-39.

[2]倪振華.振動力學(xué) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[3]GB/T 2423.56-2006/IEC 60068-2-64:2008,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動（數(shù)字控制）和導(dǎo)則 [S].

[4]鄭志國，王宇峰.隨機振動中的參數(shù)介紹及計算方法 [J].電子產(chǎn)品可靠性及環(huán)境試驗，2009,27(5):45-48

[5]李德葆.工程振動試驗分析 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]任興民.工程振動基礎(chǔ) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[7]錢蔡強，俞冬蘭.掃頻速率與倍頻程 [J].環(huán)境技術(shù)，1996,(5):33-34

[8]符瑜慧.振動試驗中主要參數(shù)的計算推導(dǎo)及應(yīng)用 [J].環(huán)境技術(shù)，2010,(3):12-14.

[9]孫在利，楊志文.振動試驗中振動參數(shù)的設(shè)置方法研究 [J].船舶電子工程，2002,(5):62-63.

[10]GB/T 2423.10-2008/IEC 60068-2-6:1995,電子電工產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Fc：振動（正弦）[S].