基于GB/T 2423.10-2019正弦振動試驗的試驗方法研究

胡凱，黃鯤，張仕彬

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

振動試驗是產(chǎn)品在設(shè)計開發(fā)階段、驗證階段重要的可靠性驗證試驗環(huán)節(jié)，它能夠在振動臺提供的模擬力學(xué)環(huán)境下模仿設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品在未來的使用、安裝和運輸過程中受到外界的各種破壞力或自身的共振對產(chǎn)品造成的影響[1]。同時給予設(shè)計/結(jié)構(gòu)工程師評價產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、評價產(chǎn)品在預(yù)期復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中的使用壽命提供有力的參考和分析價值。

日常的振動試驗主要分為正弦振動和隨機振動兩大類。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10-2019《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）》，對正弦振動試驗技術(shù)展開探討，并以實際測試為例進行具體說明。希望通過本次探討，加深試驗技術(shù)人員對振動試驗的理解，提高測試項目的檢測水平。

1 GB/T 2423.10電工電子產(chǎn)品的正弦振動試驗

正弦振動是振動參量可由時間自變量的正弦函數(shù)描述的一種周期性往復(fù)運動。安裝在飛機、車輛或船舶上的結(jié)構(gòu)部件或功能性部件均容易因使用環(huán)境的特質(zhì)而產(chǎn)生典型的正弦振動。正弦振動試驗的主要目的是幫助開發(fā)設(shè)計人員尋找產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的缺陷、考核產(chǎn)品的疲勞性強度或模擬產(chǎn)品在實際使用中可能受到較為單一的、呈正弦函數(shù)規(guī)律性變化的力學(xué)可靠性環(huán)境試驗。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10-2019《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）》為常用的汽車正弦振動試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，試驗主要包含以下幾個重點要素：

1.1 試驗條件的確認(rèn)和設(shè)備的選擇

頻率范圍、振幅（位移幅值或加速度幅值）、交越頻率點、掃頻速率、振動方向和試驗持續(xù)時間都是振動試驗的基本條件，缺一不可。

試驗設(shè)備的選擇我們可以根據(jù)基本公式：

式中：

F—要求設(shè)備輸出的推力；

M1—設(shè)備動圈質(zhì)量；

M2—夾具質(zhì)量；

M3—樣品自重質(zhì)量；

M4—拓展臺面質(zhì)量，

A—加速度幅值。

根據(jù)式（1）來確定設(shè)備是否滿足試驗要求的加速度。對于相對而言的小型樣品進行大加速度試驗，在實驗室配套允許的情況下我們可以選擇小型拓展臺面/大加速度的振動臺。反之相對而言的大型樣品進行小加速度試驗，我們則可以選擇大型拓展臺面/小加速度的振動臺。

此外，加速度幅值（A）、速度（V）、位移幅值（D）三個振動參數(shù)也存在如下關(guān)系[2]：

式中：

A—試驗加速度（m/s2）；

V—試驗速度（m/s）；

ω—角速度（ω=2πf）；

f—試驗頻率（Hz）；

D—單峰位移幅值（mm）。

1.2 樣品與振動臺要剛性固定

剛性固定[3]的基礎(chǔ)就是要求試驗人員要盡可能地接近理想狀態(tài)將樣品一動不動地按照實際使用狀態(tài)與振動臺“連接”在一起。因此樣品還要根據(jù)臺面的孔徑、孔距設(shè)計夾具。此外振動試驗前應(yīng)對試驗夾具進行振動響應(yīng)檢查[4]。夾具的振動響應(yīng)檢查，我們則以其一階共振頻率是否在目標(biāo)試驗頻率范圍內(nèi)作為最基礎(chǔ)的初步判斷夾具是否符合試驗的要求。

而且樣品的安裝、固定方式應(yīng)避免因垂直于規(guī)定振動軸線的檢測點上的最大振幅而產(chǎn)生的橫向運動[5]和由于自身尺寸大或高質(zhì)心在正弦激勵下產(chǎn)生的傾覆力矩。對于因傾覆力矩產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動[5]，我們可以通過考慮樣品的質(zhì)量Ma，振動臺的動圈、拓展臺面以及夾具的質(zhì)量Mb，樣品的質(zhì)心與振動臺延伸軸線的距離D和樣品質(zhì)心到振動臺水平推力軸線的高度H，得到理論上剛性樣品最大預(yù)計傾覆力矩F。可用最大激勵加速度A計算得出：

帶偏心質(zhì)量的剛體：

水平激勵下，高質(zhì)心的剛體：

1.3 樣品的固定點和檢測點

標(biāo)準(zhǔn)中特別對固定點和監(jiān)測點進行了定義和作用解釋，并說明了傳感器要在干擾盡可能小的前提下盡可能地安裝在最優(yōu)的固定點上作檢測或監(jiān)控。

2 具體試驗及分析

不正確的試驗方法將會導(dǎo)致樣品呈現(xiàn)出錯誤的物理結(jié)構(gòu)動態(tài)特性結(jié)果，而不準(zhǔn)確的振動試驗結(jié)果，將會誤導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師對確定樣品機械結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的錯誤判斷。我們應(yīng)在設(shè)備自身不可避免的誤差下，盡可能地規(guī)范試驗方法從而提高樣品振動試驗的高再現(xiàn)性，從而更真實地模擬樣品在實際使用過程中的顛簸場景或更準(zhǔn)確地找出樣品的結(jié)構(gòu)脆弱的位置。

筆者借助試驗室現(xiàn)有的振動臺、標(biāo)準(zhǔn)件樣品和傳感器等儀器，通過大量試驗，總結(jié)影響振動試驗結(jié)果的相關(guān)因素。下文通過具體的試驗數(shù)據(jù)，分析相關(guān)因素對試驗結(jié)果造成的影響。

圖1 響應(yīng)傳感器分別貼在1、2、3、4位置

2.1 傳感器的布置

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～2 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

監(jiān)測傳感器分別在圖1所示的四個位置上進行監(jiān)測，測試結(jié)果見表1，測試曲線圖見圖2～5。

從表1數(shù)據(jù)總結(jié)可見，如果控制傳感器布置在響應(yīng)傳感器的位置，加上拓展臺面自身的響應(yīng)特性，會使夾具控制信號失真，有可能造成共振疊加。所以，振動試驗的傳感器應(yīng)盡可能地布置在拓展臺面中心

2.2 試驗夾具

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

表1 測試結(jié)果

圖2 貼在1位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

圖3 貼在2位置的5～2 000Hz正弦振動曲線

樣品分別用2種不同的夾具進行固定。第一種方式：將拓展臺面當(dāng)做樣品的夾具，然后樣品固定在拓展臺面上（如圖6所示）以上述參數(shù)進行測試。第二種方式：將動圈當(dāng)做樣品的夾具，樣品直接固定在振動臺動圈上（如圖8所示）以上述參數(shù)進行測試。測試結(jié)果見表2，測試曲線圖見圖7和圖9。

圖4 貼在3位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

圖5 貼在4位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

表2 測試結(jié)果

圖6 樣品固定在拓展臺面上

圖7 51 000 Hz正弦振動曲線

圖8 樣品固定在振動臺動圈上

圖9 5～1 000 Hz正弦振動曲線

從表2數(shù)據(jù)總結(jié)可見，樣品固定在拓展臺面上測得的一階共振頻率很有可能是臺面自身的一階共振頻率。而樣品固定在動圈上測得的不存在一階共振頻率的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2.3 樣品不同的安裝方式

正弦參數(shù)設(shè)置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

樣品分別用2種不同的夾具進行固定。第一種方式：將樣品的三個安裝孔螺栓直接剛性連接臺面，一個安裝孔用拱形工具固定（如圖10所示）以上述參數(shù)進行測試。第二種方式：將樣品的四個安裝孔均用拱形工具固定（如圖12所示）以上述參數(shù)進行測試。測試結(jié)果見表3，測試曲線圖見圖11和圖13。

表3 測試結(jié)果

圖10 用拱形工具壓樣品一個角

圖11 5～1 000 Hz正弦振動曲線

圖12 用拱形工具壓樣品四個角

圖13 5～1 000 Hz正弦振動曲線

從表3數(shù)據(jù)總結(jié)可見，樣品通過自身的螺孔與臺面螺孔一一對應(yīng)進行剛性固定所測得的共振頻率更加準(zhǔn)確。而通過拱形工具將樣品“彈性安裝”在臺面測得的共振頻率出現(xiàn)漂移。

3 振動試驗方法建議

1）控制傳感器應(yīng)盡可能地在拓展臺面上居中布置，并且盡可能地靠近樣品與夾具的固定點，這樣能避免控制信號的衰減或失真造成的“欠試驗”或“過實驗”；

2）振動試驗的夾具應(yīng)有良好的連接特性、較高的傳遞特性和適當(dāng)?shù)倪^渡特性[4]。夾具與樣品的組合中心盡可能地落在振動臺的中心線上。夾具與振動臺面連接時，螺栓擰進振動臺面上螺孔的深度至少要等于螺栓直徑的兩倍。此外，夾具要考慮其材料的剛度和疲勞特性。對材料的剛度有很大的要求，剛度不足樣品容易損壞。通常我們用公式：

式中：

f—響應(yīng)頻率；

k—材料剛度；

m—質(zhì)量。

也就是說，要想提高響應(yīng)頻率，就要盡量減輕夾具的重量[6]。

3）樣品的固定方式應(yīng)優(yōu)先采用螺旋剛性連接，盡量避免“壓板-墊塊”方式；樣品的固定方式應(yīng)盡可能地模擬實際安裝、使用狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合GB/T 2423.10電工電子產(chǎn)品的正弦振動試驗方法的介紹，以及承擔(dān)振動能力驗證和平常的振動試驗積累，對振動試驗的方法進行了簡單探討，也對傳感器的不同位置布置、不同夾具的樣品安裝方式、樣品的不同固定方式所產(chǎn)生的振動試驗結(jié)果的主要影響因素進行了技術(shù)分析和探討，為相關(guān)振動試驗提供一定的技術(shù)建議和參考。