三綜合試驗箱的正弦振動試驗

                      三綜合試驗箱的正弦振動試驗
    振動試驗是指評定產(chǎn)品在預期的使用環(huán)境中抗振能力而對受振動的實物或模型進行的試驗。
根據(jù)施加的振動載荷的類型把振動試驗分為正弦振動試驗和隨機振動試驗兩種。正弦振動試驗包括定額振動試驗和掃描正弦振動試驗。掃描振動試驗要求振動頻率按一定規(guī)律變化，如線性變化或指數(shù)規(guī)律變化。
振動試驗主要是環(huán)境模擬，試驗參數(shù)為頻率范圍、振動幅值和試驗持續(xù)時間。振動對產(chǎn)品的影響有:結(jié)構(gòu)損壞，如結(jié)構(gòu)變形、產(chǎn)品裂紋或斷裂;產(chǎn)品功能失效或性能超差，如接觸不良、繼電器誤動作等，這種破壞不屬于YONG久性破壞，因為一旦振動減小或停止，工作就能恢復正常;工藝性破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊。從振動試驗技術發(fā)展趨勢看，將采用多點控制技術、多臺聯(lián)合激動技術。
本文詳細介紹正弦振動試驗相關知識。
弦振動試驗的目的是在試驗室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運輸、儲存、使用過程中所可能經(jīng)受到的正弦振動及其影響。正弦振動主要是由于飛機、車輛、船舶、空中飛行器和地面機械的旋轉(zhuǎn)、脈動、振蕩等諸力所引起的。
振動對產(chǎn)品的影響主要有： 
(1) 對結(jié)構(gòu)的影響
這種影響主要是指變形、彎曲、產(chǎn)生裂紋、斷裂和造成部件之間的相互撞擊等。這種破壞又可分為由于振動所引起的應力超過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時間的振動（例如107次以上應力循環(huán)的振動）使產(chǎn)品發(fā)生疲勞而造成的破壞，這種破壞通常是不可逆的。 
(2) 對工作性能的影響
這種影響主要是指振動使運動部件動作不正常、接觸部件接觸不良、繼電器產(chǎn)生誤動作，電子器件噪聲增大、指示燈閃爍等，從而導致工作不正常、不穩(wěn)定，甚至失靈、不能工作等。這種影響的嚴重程度，往往取決于振動量值的大小，而且這種破壞通常不屬于YONG久性的破壞。因為在許多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復正常,可見這種破壞往往是可逆的。 
(3) 對工藝性能的影響
這種影響主要是指螺釘松動、連接件或焊點脫開等。這種破壞通常在一個不太長的振動時間內(nèi)（例如半小時）就會出現(xiàn)。 
上述的種種影響，特別是當產(chǎn)品的固有頻率和激勵頻率相等引起共振而導致響應幅值急劇增大時，會更迅速和更嚴重地發(fā)生。1974年日本對121艘船舶所作的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在4778起設備事故中，由于振動引起的占17%。在損壞的656件自動控制設備的元器件中，由于振動損壞的占18.7%。我國的電子電工產(chǎn)品由于振動引起的結(jié)構(gòu)破壞、性能下降、工作不良和失靈的事例也屢有發(fā)生，而且是比較嚴重的。所以，正弦振動試驗是用來確定產(chǎn)品能否經(jīng)受住預定的振動條件，能否在預定的振動條件下可靠地工作、不出故事和性能不發(fā)生下降的一種行之有效的方法。 
實際上產(chǎn)品所遇到的振動在大多數(shù)情況下是隨機性質(zhì)的振動，對這些隨機振動，本應隨機振動試驗方法進行試驗更切合實際。但由于歷史原因，即ZUI先有的是簡單的容易產(chǎn)生的正弦振動，后隨著科學技術的發(fā)展，復雜的技術含量高的隨機振動才一步一步的發(fā)展起來。加上隨機振動控制儀剛出來時設備價格昂貴，而且需要較高的技術操作水平，試驗成本高，其次至今還有許多標準一直沿用正弦振動試驗，所以當今還有相當一部分在使有中實際經(jīng)受到的是隨機振動，而在對產(chǎn)品的摸底、鑒定、例外和驗收中用的仍是正弦振動試驗來進行。另外，正弦振動還可用來研究產(chǎn)品的動態(tài)特性等。所以正弦振動試驗在力學環(huán)境試驗中還是一個重要的振動試驗項目，也是一個很經(jīng)典的試驗方法。 
試驗條件及選擇
對正弦振動，目前國內(nèi)外無論是軍用標準還是民（商）用標準都被廣泛采用著，不同的是采用的目的和施加的對象不一樣。在微電子器件試驗方法與程序的美軍標和國軍標中利用正弦振動對器件進行強度、疲勞和噪聲考核，在電子及電氣元件試驗方法的美軍標和國軍標中除航天航空上的產(chǎn)品外，其它都用正弦振動進行環(huán)境適應性和結(jié)構(gòu)完整性考核，在軍用設備環(huán)境試驗方法的美軍標（810）和國軍標（150）中用正弦振動進行振動響應檢查和艦船設備環(huán)境適應性和結(jié)構(gòu)完整性考核，在衛(wèi)星環(huán)境試驗要求美軍標（1540）和國軍標（1027）中也要用正弦振動進行響聲檢查與共振頻率、模態(tài)、振型分析。在IEC和國標中正弦振動用得更廣泛。
正弦振動標準主要包括：
GB/T2423.10-2008 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)
IEC60068-2-6-2007 基本環(huán)境試驗規(guī)程.第2部分:試驗.第6節(jié):試驗Fc:振動(正弦波)
ISO8318:2000 包裝.滿裝的運輸包裝和單元貨物.采用可變頻的正弦振動試驗
GB/T4857.10-2005 包裝 運輸包裝件基本試驗第10部分：正弦變頻振動試驗方法
前面已述，正弦振動試驗的試驗條件（嚴酷等級）有頻率范圍，振幅值，試驗等持續(xù)三個參數(shù)共同確定。
如果有產(chǎn)品安裝平臺環(huán)境條件數(shù)據(jù)就直接用產(chǎn)品安裝平臺的數(shù)據(jù)。如果沒有，或是可用在多種場合使用、或是具有多種用途的貨架產(chǎn)品、可以根據(jù)下面標準中給出的條件通過工程判斷來確定時間歷程振動試驗的條件。
1、頻率、頻率范圍及其選擇
對頻率、頻率范圍，首先要熟悉標準。有的標準（特別是軍標）是直接給出，即按產(chǎn)品的使用環(huán)境直接給出了試驗的頻率或頻率范圍；民（商）用標準通常是用兩種方式來規(guī)定的。種方式是給出一組下限頻率（通常為：0.1 、1、 2、5、10、55、100HZ）和一組上限頻率（通常為：10、20、35、55、80、100、150、200、300、500、2000、5000HZ），由使用者根據(jù)需要進行選擇試驗頻率和頻率范圍。另一種方式是直接給出一系列的頻率范圍（通常為：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），使用者根據(jù)需要進行選擇。
如何確定和選擇和確定試驗的頻率范圍？下面的敘述可供參考：
產(chǎn)品在運輸、貯存和使用過程中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設備， 其車輛主要基波頻率可能低到在1.5~4Hz之間，而振動試驗設備，要達到1.5Hz，其加速度波型失真就會超差很大，達不到試驗的要求。因此在確定試驗頻率范圍時就要權衡，如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍不寬，低頻端在1 Hz或1 Hz以下，高頻端在100（或~500Hz），則可用液壓振動臺來實現(xiàn)；如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍很寬，其高頻段在500~2000 Hz或以上，而低頻端又要到1 Hz或1 Hz以下，則只能適當?shù)奶岣叩皖l段的起點頻率，例如低頻端從5~10 Hz開始，因為要達到500~2000 Hz的頻率，必需用電動振動臺來進行試驗，而當今的電動振動臺隨著科學技術的發(fā)展，其低頻端已可達到5~10 Hz（一些21世紀研制出的性能優(yōu)良的電動振動臺已可達到2 Hz，但加速度失真仍偏大）。
下面再以船用產(chǎn)品為例來說明這個問題。船舶的振動主要由船舶的動力機械產(chǎn)生的，因此下限頻率應根據(jù)低螺旋槳的軸速度來確定。目前和國內(nèi)沿海和遠洋船舶大部分都使用中.低速柴油機，它們的低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在40-80轉(zhuǎn)/分之間，因此下限頻率應選擇在5-10HZ。船舶的上限頻率主要螺旋槳軸的轉(zhuǎn)速×漿頁數(shù)×60來確定。目前幾個發(fā)達的資本主義國家的軍用艦艇設備的振動標準中，其上限頻率都是這樣規(guī)定的。例如裝有海神1250型柴油機的艦船，因其軸轉(zhuǎn)速為11400轉(zhuǎn)/分，經(jīng)減速后為5150轉(zhuǎn)/分，螺旋漿葉為三片，這樣可取300Hz的頻率為上限頻率。對陸用和空用產(chǎn)品，也可視振源的特點，采用計算的方法或現(xiàn)場實測的方法來確定其試驗的頻率及頻率范圍。
2、振幅及其選擇
在正弦振動試驗中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二種，在實際試驗時，有的試驗僅給出位移幅值，有的試驗同時給出位移幅值和加速度幅值。
僅給出一個位移幅值：對IEC標準和國標，其上限頻率不超過10Hz的試驗，只給出一個位移幅值；對美軍標和國軍標，例如電子及電氣元件試驗方法，在10~55 Hz的頻率范圍內(nèi)也僅給出一個位移幅值，其值為0.75mm(單振幅)。
同時給出位移幅值和加速度幅值：產(chǎn)品安裝（放）平臺實際振動的特點是頻率愈高加速度愈大，頻率愈低位移幅值愈大，而且是隨著振動頻率的變化而不斷改變的。就對產(chǎn)品的影響而言，低頻主要是位移破壞，高頻主要是加速度破壞，而當今的正弦振動試驗是建立在以往科學技術基礎上的，當時（形成正弦振動試驗時）的試驗室模擬技術還不可能實現(xiàn)像現(xiàn)場振動一樣隨著振動頻率的變化而其振幅有位移幅值不斷改變，只能采用盡量逼近現(xiàn)場振動的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（稱定位移），高頻率段加速度幅值不變（稱定加速度），從定位移變到定加速度之間的頻率稱交越頻率（振動特性一種關系變到另一種關系的頻率）。在IEC標準和國標中有二種交越頻率，即8~9 Hz的低交越頻率和57~62 Hz高交越頻率，前者主要用于艦船產(chǎn)品的試驗，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗。
就位移幅值和加速度幅值而言，對元器件類標準，由于其通用性，通常給出一系列可供不同用途整機進行選擇的的嚴酷等級，例如在微電子器件試驗方法與程序的美軍標和國軍標中試驗的頻率范圍為20~2000 Hz，其振級有：0.75mm/20g、0.75mm/50g、0.75mm/70g三個等級；在電子及電氣元件試驗方法中，高頻振動的試驗頻率范圍為10~2000 Hz，其振級有：0.75mm/10g、0.75mm/15g、0.75mm/20g、0.75mm/30g、0.75mm/55g、0.75mm/80g六個等級；
在IEC標準和國標中，對8~9 Hz的低交越頻率，有0.35mm/0.1g、0.75mm/0.2g、1.5mm/0.5g、3.5mm/1g、7.5mm/2g、10mm/3g、15㎜/5g七個等級，對57~62 Hz的高交越頻率，有0.35mm/5g，0.75mm/10g，1mm/15g，1.5mm/20g，2mm/30g，3.5㎜/50g六個等級，對上限頻率只到10HZ的位移幅值，有10㎜，35㎜，100㎜三種位移幅值。在這里還需指出的是，對IEC標準和國標，它是不分元器件和整機的。對諸如美軍標810和國軍標150等軍用裝備（整機）標準，通常是按其安裝平臺的振動給出的。這種按其安裝平臺給出的振動是加嚴的，因為數(shù)據(jù)處理時它可能取的是實測振動的極值包絡，有時還加上一定的安全系數(shù)。
3、試驗的持續(xù)時間及其選擇
試驗的持續(xù)時間是描述產(chǎn)品的耐受振動能力的重要參數(shù)。對試驗持續(xù)時間的選擇相對于上述二個參數(shù)的選擇要困難得多。因為目前一般很難給出多長的試驗時間相當于實際使用的多少時間。對掃頻試驗，通常以掃頻循環(huán)數(shù)給出試驗時間。對定頻試驗，則直接以分鐘和小時給出試驗時間。IEC和國標對掃頻試驗給出了1，2，5，15，20，50，100等七個掃頻循環(huán)數(shù)等級，對定頻試驗給出了10分，30分，1小時，1.5小時，2小時，10小時等六個試驗時間等級；對微電子器件試驗方法與程序和電子及電氣元件試驗方法的美軍標和國軍標，給出了12個（三方向）和36個（三方向）二種掃頻循環(huán)數(shù)等級。在這里還需指出的是進行掃頻試驗時，其掃頻速率通常為1倍頻程/min。如何具體地選擇試驗的持續(xù)時間，通常是根據(jù)振動對產(chǎn)品的破壞機理來確定的。
振動對產(chǎn)品的破壞，一般可以分為三種，即對產(chǎn)品工作性能的破壞，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好性的破壞，對產(chǎn)品壽命的破壞。如果主要考慮振動對產(chǎn)品工作性能的影響，如工作不正常、不穩(wěn)定、失靈、甚至不能工作等，通常是振動一旦停止，工作性能就能恢復正常，所以其試驗時間可按設備所需的長連續(xù)工作時間結(jié)合實踐經(jīng)驗來確定。結(jié)構(gòu)破壞主要是指脫焊、螺釘松動、連接件脫開、部件的相互撞擊。對這種破壞一般在30分鐘到一小時就能發(fā)現(xiàn)。對其中的螺釘松動和連接件脫開、部件的撞擊也可按長的連續(xù)工作時間來考慮。在某些情況下，也可按全部壽命時間來考慮。如果是為了確定產(chǎn)品承受累積應力的能力（疲勞），其時間應根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，按使用時可能出現(xiàn)的應力循環(huán)數(shù)來確定，或按無限壽命，即10?次應力循環(huán)來確定試驗時間。