振动

振动简介一.振动测试必要性1.1振动测试起源振动测试约在四、五十年前开始萌芽，理论建立时，并无助于人们认知其重要性，直到二次大战时，许多的飞行器、舰艇、车辆及器材在使用后，意外的发现机件失灵的比例相当高，经研究的结果发现，大都由于其结构承受其本身所产生的长时间共振，或搭载物品承受运送共振引起组件松脱、崩裂、而致机件失灵而造成巨大损失。当这项结果公布后，振动测试才受到各界重视，纷纷投入大笔经费、人力去研究。尔后，振动量测分析以及模拟分析的近代理论建立后，对振动测试的方法及逻辑进行不断改进。尤其现今货物的流通频繁，使振动的测试更显为重要。1.2振动测试目的及意义振动测试的目的，是在实验中作一连串可控制的振动模拟，测试产品在寿命周期中，是否能承受运送或振动环境因素的考验，也能确定产品设计及功能的要求标准。振动测试提升产品在运输中的可靠性提升产品在复杂使用环境中的可靠性提升产品设计水平降低维护成本提升产品的形象提高品牌认可度二.振动引起失效模式2.1对结构的影响这种影响主要是变形、弯曲、产生裂纹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。2.2对工作性能的影响主要是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，导致电子器件噪声增大、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。在很多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常。2.3对工艺性能的影响主要是振动导致的螺钉松动、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就会出现，并且往往是不可逆的。三.振动实验3.1.1正弦振动试验目的正弦振动试验的目的是在实验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中所能经受到的正弦振动及其影响，主要用于飞机、车辆、船舶、汽车和家电行业的振动试验。正弦振动还可以用来研究产品的动态特性等。3.1.2正弦振动应力参数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，而这种机械运动就是以正弦曲线为基本运动的轨迹。当用位移来作为时变函数时，正弦振动是位移、速度和加速度为时间谐和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简单最基本的振动。其函数表达式为：位移x(t)=Asin(ωt+Ф)速度v(t)=ωAcos(ωt+Ф)=ωAsin(ωt+Ф+Π/2)加速度a(t)=-ω2Asin(ωt+Ф)=ω2Asin(ωt+Ф+Π)式中：A–位移峰值ω–角频率Ф–初相角3.1正弦振动试验3.1.2正弦振动应力参数正弦振动试验的基本运动的时间历程如下图所示就能量而言，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，如下图所示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。正弦振动试验的试验条件由频率、振幅、测试持续时间三个参数共同确定。3.1.3正弦振动试验条件3.1.3.1频率、频率范围对频率、频率范围，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，或是可用多种场合或多种产品使用的产品，可以根据标准选择试验频率范围时，根据测试的具体目的进行选择。如果一个产品试验频率范围很宽，其高频段在500–2000Hz或以上，而低频段又要到1Hz或1Hz以下，则只能适当的提高低频段的起点频率，例如低频段从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，而电动振动台低频段仅可达到5–10Hz（部分电动振台可以达到2Hz，但加速度失真偏大）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，高频段在100Hz（或—500Hz），则可以用液压振动台来实现；3.1.3.1不同振动台的比较3.1.3.2振幅及选择振幅位移幅值加速度幅值频率愈高加速度愈大，高频主要是加速度破坏频率愈低位移幅值愈大，低频主要是位移破坏采用低频段位移幅值不变（定位移），主要用于舰船产品的试验高频段加速度幅值不变（定加速度），主要用于陆用和空用产品的试验3.1.3.3试验持续时间及选择试验的持续时间是描述产品的耐受振动能力的重要参数。对试验持续时间的选择相对于上述两个参数的选择要困难得多。因为目前一般很难给出多长的试验时间相当于实际使用的多少时间。试验类别扫频试验通常以扫频循环数给出试验时间定频试验直接以分钟和小时给出试验时间破坏类型对产品工作性能的破坏对产品结构完好性的破坏对产品寿命的破坏可按设备所需的最长持续工作时间结合实践经验来确定一般在30分钟到一个小时就能发现按使用时肯能出现的应力循环数来确定3.1.4正弦振动试验标准GB/T2423.10-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Fc：振动（正弦）部分根据振动试验频率范围、振动幅值和耐久试验的持续时间给出相应严酷等级3.1.4.1频率范围频率范围可以通过选取一个下限频率和上限频率来给出频率范围，也可以直接采用推荐的频率范围；具体频率限值及范围如下表所示下限频率f1/Hz上限频率f2/Hz推荐平率范围f1-f2/Hz0.110201-351-1001355510-510-250510015010-50010-20001030050010-500055-500552000500055-200055-5000100100-20003.1.4.2振动幅值3.1.4.2振动幅值交越频率以下规定为定位移，交越频率以上规定为定加速度。下表给出了不同交越频率时的位移和加速度幅值的推荐值。每一位移幅值有一相应的加速度幅值，因此在交越频率上振动量值是相同的。较低交越频率（8Hz—9Hz）时的振动幅值的推荐值低于交越频率时的位移幅值高于交越频率时的加速度幅值mminm/s2gn0.0350.001410.10.750.0320.21.50.0650.53.50.14101.07.50.30202.0100.40303.0150.60505.03.1.4.2振动幅值较高交越频率（57Hz—62Hz）时的振动幅值的推荐值低于交越频率时位移幅值高于交越频率时的加速度幅值mminm/s2gn0.0350.001450.50.0750.003101.00.150.006202.00.350.014505.00.750.03100101.00.04150151.50.06200202.00.08300303.50.1450050仅适用于频率范围的上限到10Hz的位移幅值的推荐值mminmmin100.4753.0351.41004.03.1.4.3试验的持续时间3.1.4.3试验的持续时间标准中规定可以从下面所给出的推荐值中选取耐久试验的持续时间。如果规定的持续时间导致在每轴线或每频率上等于或大于10h，则可分成几个周期进行，但不能减少样品中的应力。扫频耐久在每一轴线上的耐久试验持续时间以扫频循环数给出，并根据有关规范，从下列诸值中选取：1、2、5、10、20、50、100（min）定频耐久a.在危险频率上由振动响应检查所发现的每一轴线中的每一频率上的耐久试验持续时间，应根据有关规范，从下列诸值中选取：10min±0.5min、30min±1min、90min±1min、10h±5minb.在预定频率上有关规范所规定的持续时间应考虑样品在其整个工作寿命期间可能经受到这种振动的总时间。对每一规定频率和轴线的组合应进行上限为107循环的试验。3.2随机振动试验3.2.1随机振动试验目的产品在运输和实际使用中所遇到的振动，绝大多数就是随机性质的振动。例如，车辆在不平坦的道路上行驶时产生的振动；因此，随机振动试验能更真实反映产品的耐振性能。随机振动和正弦振动相比，随机振动的频率域宽，而且有一个连续的频谱，它能同时在所有频率上对产品进行激励，各种频率的相互作用远比用正弦振动仅对某些频率或连续扫频模拟上述振动的影响更残酷更真实和更有效。3.2.2随机振动应力参数3.2.2.1随机振动描述在随机振动试验中，由于振动的质点处于不规则的运动状态，永远不会精确的重复，对其进行一系列的测量，各次记录都不一样，所以没有任何固定的周期。在任何确定的时刻，其振幅、频率、相位都不能预先知道，因此就不可能用简单的周期函数和函数的组合来描述。下图为典型的宽带随机振动时间历程对某一随机过程，通常用下列四个方面的信息来描述时间域：平均值、均方值、均方根值、方差幅值域：概率分布、概率密度时差域：自相关函数、互相关函数频率域：自功率谱密度、互功率谱密度、频率响应函数及相干函数3.2.2.2功率谱密度和频谱功率谱密度是描述随机振动信号各频率分量所包含的功率，在频率域是如何分布的，是随机振动在频率域上的一种统计特性。随机振动信号可以看作由无限多个简谐运动组成，因此随机振动信号的功率谱便是在给定频率范围内简谐振动功率之和。所以在指定频率上，随机振动信号的功率谱密度为：功率谱密度在频率范围内的变化形式，即功率谱密度对频率的图型，称功率谱密度的频谱。功率谱密度的频谱可以这样理解：如果将随机振动信号分割成许多小频带△f，并在每个频带上测出方均加速度值，然后除以△f，并令△f→0，这时所得的函数称功率谱密度的频谱。由于功率谱密度的单位为g2/Hz即每单位频率上的加速度值的平方，所以在随机振动试验中又称加速度功率谱密度，功率谱密度的频谱又称加速度谱密度的频谱。3.2.3随机振动试验条件试验频率范围指产品安装平台的振动对产品产生有效激励的最高频率和最低频率之间的频率。典型的低频通常时取产品最低共振频率的一半或其安装平台明显振动的最低频率；典型的高频是产品最高共振频率的两倍或其安装平台明显振动的最高频率，或是可以有效地、机械地传递振动的最高频率。功率谱谱密度和功率谱谱密度的频谱随机振动是以定义在相关频率范围内的PSD功率谱密度（ASD加速度谱密度）及功率谱谱密度的频谱的形式来表征。功率谱密度（加速度谱密度）是指单位频率上的能量，功率谱谱密度的频谱（加速度谱密度的频谱）是指振动能量在整个频率方位内的分布。试验时间试验时间就是进行随机振动的持续时间，通常分为功能（性能）和强度（耐久）两种试验时间。3.2.4随机振动试验标准GB/T2423.56-2008电工电子产品环境试验第2部分试验方法试验Fh：宽频带随机振动-一般要求根据频率范围、加速度谱密度值、加速度谱密度的谱型及试验持续时间给出相应严酷等级3.2.4.1频率范围有关规范应从下表中选取一种频率范围F1/HzF2/Hz110055002020005050003.2.4随机振动试验标准3.2.4.2加速度谱密度在f1与f2之间的加速度谱密度应从下值中选取（m/s2）2/Hz；0.05；0.1；0.5；1.0；5.0；10.0；50.0；100.03.2.4.4条件试验的持续时间每一个轴向的持续时间应从下列数值中选取，单位min1；3；10；30；100；3003.2.4.3加速度谱密度规定加速度谱密度谱型为平直谱。在特殊情况下，可能要规定近似形状的加速度谱密度谱型。3.2三综合试验本试验是用于考核产品在温度、气压和振动三综合的环境下运输、使用的适应性。与单一因素作用相比，更能真实地反映电工电子产品在运输和实际使用过程中对温度、气压及振动复合环境变化的适应性，暴露产品的缺陷，是新产品研制、样机试验、产品合格鉴定试验全过程必不可少的重要试验手段。三综合试验温度气压振动3.3.1随机振动试验标准GB/T2423.102-2008电工电子产品环境试验第2部分试验方法试验：温度（低温、高温）/低气压/振动（正弦）综合严酷等级温度严酷等级气压严酷等级振动严酷等级综合持续时间频率范围振动幅值持续时间3.3.1.1温度严酷等级温度严