振动试验及振动试验设备

一、振动试验及常用试验标准振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力，根据产品所承受的环境不同，振动试验分以下种类：1、正弦定频试验在选定的频率上（可以是共振频率，特定频率，或危险频率）按规定的量值进行正弦振动试验，并达到规定要求的时间。2、正弦扫频试验在规定的频率范围内，按规定的量值以一定的扫描速率由低频到高频，再由高频到低频作为一次扫频，直到达到规定的总次数为止。扫频试验分线性扫频试验和指数扫频试验线性扫频速度由扫频速率（Hz/s）或单次扫频时间决定。指数扫频速度的扫频速率一般为每分钟一个倍频乘，单次扫频时间为12log32.3ffT3、窄带随机扫描试验在规定的频率范围内，用某一中心频率上某一带宽的窄带随机信号作由低频到高频，再由高频到低频的扫描，并达到规定要求的时间。4、宽带随机振动试验在规定的频率范围内，按规定的谱形状和总均方根值（GRMS）作宽带随机振动，并达到规定要求的时间。5、宽带随机叠加正弦振动试验在规定的频率范围内，在随机振动的基础上叠加有若干个频率的正弦振动，按规定量级规定时间完成试验。6、宽带随机叠加窄带随机扫描振动试验在规定的频率范围内，在宽带随机振动的基础上叠加有若干窄带随机峰值，按规定量级规定时间完成试验。7、跑车试验在选定的路面上，将试验样品装在运输车上，以一定的车速行驶若干次，用来模拟在不同路面上的振动情况。以上振动试验的量值GB2423,及GJB150、GJB360、根据不同的使用环境规定了相应的试验量值。GB2423是对电工电子产品的基本环境试验所作的规定。GJB150是对军用设备环境试验方法所作的规定。GJB360是对军用电子及电气元器件试验方法所作的规定。GJB548是对军用微电子器件试验方法所作的规定。二、振动试验设备的基本参数及选型1、振动试验设备的基本参数①最大载荷最大载荷是振动试验设备的承受载荷的能力，振动试验设备承受载荷的能力决定于承载弹簧和导向系统的强度，其中还包括最大允许的重心高度及最大允许偏载力矩②最大推力振动试验设备所能产生的最大激振力是试验设备的最大推力。衡量推力的物理量是加速度；计算公式为：F=MaF:最大推力单位：kgM＝M1+M2M1:为活动系统重量，M2:为负载重量单位：kg③频率范围振动试验设备允许的工作频率范围，振动试验设备的频率范围主要决定于活动系统的一阶谐振频率范围，尤其对于电动振动台，其额定上限频率约为一阶谐振频率的1.2倍左右。如下图所示：④最大位移机械振动台的最大位移决定于激振器的偏心力矩，受系统结构限制最大位移一般为5mm，峰峰值为10mm。电动振动台的最大位移决定于动圈的活动空间及承载簧的线性行程，目前的电动台最大位移一般为25.4mm，峰峰值为51mm。⑤最大速度机械振动台不受最大速度的限制，只受最大位移及最大加速度的限制。电动振动台由于受功放最大输出电压的限制，存在最大速度，因为在最大速度时动圈绕线切割磁力线产生的反电动势要消耗功放电压。目前的电动台允许的最大速度为1.2－2m/s。⑥最大加速度最大加速度是振动试验设备空载时的加速度，是衡量振动试验设备推力的一项参数。2、常用的振动试验设备振动试验设备分机械振动试验台、电液振动试验台、电动振动试验台、模拟汽车运输试验台。①机械式振动试验台机械式振动试验台属低频大载荷振动试验台，频率为5－80Hz，载荷从50kg－1000kg，位移为5mm左右，加速度为3－20g。适宜于低频定振试验或低频定位移扫频试验，不能作定加速度扫频试验，机械式振动试验台是一种开环式振动试验设备。一次裝夹可实现垂直和水平两方向振动。②电液式振动试验台电液式振动试验台属中低频大位移、大推力振动试验台，频率为2－200Hz，推力可达数十吨，位移可达50mm左右。适宜于低频定振试验或中低频扫频试验及随机试验和冲击实验。电液式振动试验台是一种闭环式振动试验设备。③电动式振动试验台电动式振动试验台属高频、大位移、大推力振动试验台，频率范围为5－3000Hz，推力可达十六吨，位移可达25.4mm。适宜于任何形式的给定信号的振动及冲击试验。电动式振动试验台是一种闭环式振动试验设备④模拟汽车运输试验台可代替实际跑车试验。3、振动试验设备的选型及使用首先应根据所做试验的频率范围及扫频方式选择振动台的类型（机械式振动台或电动式振动台）（1）机械振动台的选型机械式振动台是按载荷大小命名的，a、一般技术指标载荷：15-1000kg台面尺寸：一般为方台面最大位移：5mm最大加速度：5-20g频率范围：5-80Hz试验方式：定频、定位移线性或指数扫频振动方向：垂直和水平b、机械振动台的选型根据试品重量、试品大小、及试品需要振动的方向选择振动台的型号。（c）机械振动台的使用（2）电动振动台的选型与使用电动振动台是以推力大小命名a、一般技术指标：推力：载荷：台面尺寸:空载加速度：最大位移：频率范围：一般为5-3000Hz振动方向：可带水平滑台b、电动台的选型(a)电动台推力大小的选择F=(M1+M2)aF:试验所需推力M1:活动系统重量M2:试品重量a:试验加速度(b)功率放大器的选择（c）传感器和电荷放大器的选择c、电动振动台的使用振动台功率放大器振动控制仪电荷放大器风机打印机图1典型振动试验系统组成原理（3）模拟汽车运输试验台的选型及使用模拟汽车运输试验台是以载荷大小命名的。模拟汽车运输试验台是实际跑车试验在实验室的真实再现。a、模拟汽车运输试验台的一般指标载荷：台面大小：加速度总均方根值：强化等级：b、模拟汽车运输试验台的选型c、模拟汽车运输试验台的使用三、电动振动台及随机振动试验技术1、电动振动台的频率特性电动台的下限频率为5Hz，单独就控制仪及振动台均可达到5Hz以下，但是5Hz以下加速度较小，受控制仪动态范围的限制，很难实现闭环控制。电动台的上限频率一般为动圈一阶谐振频率的1.2倍，电动台的一阶谐振频率与电动台动圈的直径有关，动圈的直径越大一阶谐振频率越低，动圈的直径越小一阶谐振频率越高。我公司设计的电动台充分考虑GJB150、GJB360、GJB548的要求，结合国外电动台的特点，10000N以下电动台做到高频率高加速度，适宜于元器件的正弦及随机试验，满足GJB360、GJB548的需要。20000N以上电动台做到大台面高带载特性，适宜于部件及整机的正弦及随机试验，满足GJB150的需要。推力10000N20000N30000N50000N台面尺寸φ220φ400φ500φ500上限频率3000Hz2500Hz2000Hz2000Hz①电动振动台的空载加速度电动台的空载加速度是描术电动台推力的一项参数，并不是电动振动台的空载加速度低电动台的推力就小，片面提高电动台的空载加速度要以牺牲电动台的可靠性为代价。以3000N电动台带载200kg负载为例说明如下：30000N,空载加速度65g的振动台推力M活空载加速度200kg负载下加速度30000N45kg65g12.19g30000N,空载加速度100g的振动台在200kg负载下两者加速度只差0.8g推力M活空载加速度200kg负载下加速度30000N30kg100g13g②电动振动台作冲击试验随着控制仪技术的发展，及开关功放技术的应用，电动台允许的振动速度得到很大提高，为电动台作冲击试验提供了很大的方便，由于使用了开关功放，电动台允许的冲击速度可达5m/s允许的冲击推力为正弦推力峰值的2倍。③随机振动试验技术随机振动是较为真实的反映实际环境的一种试验方法，它的概念较为抽象，涉及的知识面较宽，作为我们试验人员需从以下两方面弄清楚随机振动。⑴随机振动与正弦振动的区别正弦振动在任意一瞬间只包含一种频率的振动，而随机振动在任意一瞬间包含频谱范围内的各种频率的振动，这些频率能量的大小按照规定的谱图分布。如下图所示：如下图所示：正弦振动时域波形正弦振动频域谱图正弦振动频域谱图随机振动时域波形概率分布图随机振动时域波形概率分布图正弦振动频域谱图对于正弦振动峰值＝1.4倍的有效值对于随机振动峰值＝3倍的有效值⑵随机振动的表达方式（以宽带随机为例）随机信号是非确定信号，它不能用确定的数学关系式来描述，不能预测它未来任何瞬时的精确值，任一观测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一。但其值的变动服从统计规律。一个给定的随机谱图就包含了随机型号的所有信息。包括随机振动的频率范围，随机振动各个频率上的能量值，及随机振动加速度总均方根值（）,其中GRMS＝S:功率谱密度曲线与f轴所包围的面积在功率谱曲线中：GRMSs1GG321dBff=