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三綜合試驗箱的正弦振動(dòng)試驗介紹
振動(dòng)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(dòng)的實(shí)物或模型進(jìn)行的試驗。
根據施加的振動(dòng)載荷的類(lèi)型把振動(dòng)試驗分為正弦振動(dòng)試驗和隨機振動(dòng)試驗兩種。正弦振動(dòng)試驗包括定額振動(dòng)試驗和掃描正弦振動(dòng)試驗。掃描振動(dòng)試驗要求振動(dòng)頻率按一定規律變化,如線(xiàn)性變化或指數規律變化。
振動(dòng)試驗主要是環(huán)境模擬,試驗參數為頻率范圍、振動(dòng)幅值和試驗持續時(shí)間。振動(dòng)對產(chǎn)品的影響有:結構損壞,如結構變形、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(dòng)作等,這種破壞不屬于YONG久性破壞,因為一旦振動(dòng)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(dòng)、脫焊。從振動(dòng)試驗技術(shù)發(fā)展趨勢看,將采用多點(diǎn)控制技術(shù)、多臺聯(lián)合激動(dòng)技術(shù)。
本文詳細介紹正弦振動(dòng)試驗相關(guān)知識。
弦振動(dòng)試驗的目的是在試驗室內模擬產(chǎn)品在運輸、儲存、使用過(guò)程中所可能經(jīng)受到的正弦振動(dòng)及其影響。正弦振動(dòng)主要是由于飛機、車(chē)輛、船舶、空中飛行器和地面機械的旋轉、脈動(dòng)、振蕩等諸力所引起的。
振動(dòng)對產(chǎn)品的影響主要有:
(1) 對結構的影響
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(dòng)所引起的應力超過(guò)產(chǎn)品結構強度所能承受的極限而造成的破壞,以及長(cháng)時(shí)間的振動(dòng)(例如107次以上應力循環(huán)的振動(dòng))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(dòng)使運動(dòng)部件動(dòng)作不正常、接觸部件接觸不良、繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)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(dòng)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(dòng)停止,工作就能恢復正常,可見(jiàn)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(dòng)、連接件或焊點(diǎn)脫開(kāi)等。這種破壞通常在一個(gè)不太長(cháng)的振動(dòng)時(shí)間內(例如半小時(shí))就會(huì )出現。
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(shí),會(huì )更迅速和更嚴重地發(fā)生。1974年日本對121艘船舶所作的調查中發(fā)現,在4778起設備事故中,由于振動(dòng)引起的占17%。在損壞的656件自動(dòng)控制設備的元器件中,由于振動(dòng)損壞的占18.7%。我國的電子電工產(chǎn)品由于振動(dòng)引起的結構破壞、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(dòng)試驗是用來(lái)確定產(chǎn)品能否經(jīng)受住預定的振動(dòng)條件,能否在預定的振動(dòng)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(shí)際上產(chǎn)品所遇到的振動(dòng)在大多數情況下是隨機性質(zhì)的振動(dòng),對這些隨機振動(dòng),本應隨機振動(dòng)試驗方法進(jìn)行試驗更切合實(shí)際。但由于歷史原因,即ZUI先有的是簡(jiǎn)單的容易產(chǎn)生的正弦振動(dòng),后隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,復雜的技術(shù)含量高的隨機振動(dòng)才一步一步的發(fā)展起來(lái)。加上隨機振動(dòng)控制儀剛出來(lái)時(shí)設備價(jià)格昂貴,而且需要較高的技術(shù)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(dòng)試驗,所以當今還有相當一部分在使有中實(shí)際經(jīng)受到的是隨機振動(dòng),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(dòng)試驗來(lái)進(jìn)行。另外,正弦振動(dòng)還可用來(lái)研究產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性等。所以正弦振動(dòng)試驗在力學(xué)環(huán)境試驗中還是一個(gè)重要的振動(dòng)試驗項目,也是一個(gè)很經(jīng)典的試驗方法。
試驗條件及選擇
對正弦振動(dòng),目前國內外無(wú)論是軍用標準還是民(商)用標準都被廣泛采用著(zhù),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(dòng)對器件進(jìn)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(dòng)進(jìn)行環(huán)境適應性和結構完整性考核,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(dòng)進(jìn)行振動(dòng)響應檢查和艦船設備環(huán)境適應性和結構完整性考核,在衛星環(huán)境試驗要求美軍標(1540)和國軍標(1027)中也要用正弦振動(dòng)進(jìn)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(dòng)用得更廣泛。
正弦振動(dòng)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(dòng)(正弦)
IEC60068-2-6-2007 基本環(huán)境試驗規程.第2部分:試驗.第6節:試驗Fc:振動(dòng)(正弦波)
ISO8318:2000 包裝.滿(mǎn)裝的運輸包裝和單元貨物.采用可變頻的正弦振動(dòng)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(dòng)試驗方法
前面已述,正弦振動(dòng)試驗的試驗條件(嚴酷等級)有頻率范圍,振幅值,試驗等持續三個(gè)參數共同確定。
如果有產(chǎn)品安裝平臺環(huán)境條件數據就直接用產(chǎn)品安裝平臺的數據。如果沒(méi)有,或是可用在多種場(chǎng)合使用、或是具有多種用途的貨架產(chǎn)品、可以根據下面標準中給出的條件通過(guò)工程判斷來(lái)確定時(shí)間歷程振動(dòng)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(lái)規定的。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),由使用者根據需要進(jìn)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),使用者根據需要進(jìn)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(guò)程中,有時(shí)會(huì )遇到很低的振動(dòng)頻率,例如車(chē)輛上用的設備, 其車(chē)輛主要基波頻率可能低到在1.5~4Hz之間,而振動(dòng)試驗設備,要達到1.5Hz,其加速度波型失真就會(huì )超差很大,達不到試驗的要求。因此在確定試驗頻率范圍時(shí)就要權衡,如果一個(gè)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(dòng)臺來(lái)實(shí)現;如果一個(gè)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,則只能適當的提高低頻段的起點(diǎn)頻率,例如低頻端從5~10 Hz開(kāi)始,因為要達到500~2000 Hz的頻率,必需用電動(dòng)振動(dòng)臺來(lái)進(jìn)行試驗,而當今的電動(dòng)振動(dòng)臺隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)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(dòng)振動(dòng)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(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。船舶的振動(dòng)主要由船舶的動(dòng)力機械產(chǎn)生的,因此下限頻率應根據低螺旋槳的軸速度來(lái)確定。目前和國內沿海和遠洋船舶大部分都使用中.低速柴油機,它們的低穩定轉速在40-80轉/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速×漿頁(yè)數×60來(lái)確定。目前幾個(gè)發(fā)達的資本主義國家的軍用艦艇設備的振動(dòng)標準中,其上限頻率都是這樣規定的。例如裝有海神1250型柴油機的艦船,因其軸轉速為11400轉/分,經(jīng)減速后為5150轉/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(diǎn),采用計算的方法或現場(chǎng)實(shí)測的方法來(lái)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(dòng)試驗中,其振幅有位移幅值和加速度幅值二種,在實(shí)際試驗時(shí),有的試驗僅給出位移幅值,有的試驗同時(shí)給出位移幅值和加速度幅值。
僅給出一個(gè)位移幅值:對IEC標準和國標,其上限頻率不超過(guò)10Hz的試驗,只給出一個(gè)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的頻率范圍內也僅給出一個(gè)位移幅值,其值為0.75mm(單振幅)。
同時(shí)給出位移幅值和加速度幅值:產(chǎn)品安裝(放)平臺實(shí)際振動(dòng)的特點(diǎn)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(zhù)振動(dòng)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(dòng)試驗是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎上的,當時(shí)(形成正弦振動(dòng)試驗時(shí))的試驗室模擬技術(shù)還不可能實(shí)現像現場(chǎng)振動(dòng)一樣隨著(zhù)振動(dòng)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場(chǎng)振動(dòng)的方法,因此采用低頻段位移幅值不變(稱(chēng)定位移),高頻率段加速度幅值不變(稱(chēng)定加速度),從定位移變到定加速度之間的頻率稱(chēng)交越頻率(振動(dòng)特性一種關(guān)系變到另一種關(guān)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(lèi)標準,由于其通用性,通常給出一系列可供不同用途整機進(jìn)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(gè)等級;在電子及電氣元件試驗方法中,高頻振動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)給出的。這種按其安裝平臺給出的振動(dòng)是加嚴的,因為數據處理時(shí)它可能取的是實(shí)測振動(dòng)的極值包絡(luò ),有時(shí)還加上一定的安全系數。
3、試驗的持續時(shí)間及其選擇
試驗的持續時(shí)間是描述產(chǎn)品的耐受振動(dòng)能力的重要參數。對試驗持續時(shí)間的選擇相對于上述二個(gè)參數的選擇要困難得多。因為目前一般很難給出多長(cháng)的試驗時(shí)間相當于實(shí)際使用的多少時(shí)間。對掃頻試驗,通常以?huà)哳l循環(huán)數給出試驗時(shí)間。對定頻試驗,則直接以分鐘和小時(shí)給出試驗時(shí)間。IEC和國標對掃頻試驗給出了1,2,5,15,20,50,100等七個(gè)掃頻循環(huán)數等級,對定頻試驗給出了10分,30分,1小時(shí),1.5小時(shí),2小時(shí),10小時(shí)等六個(gè)試驗時(shí)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(gè)(三方向)和36個(gè)(三方向)二種掃頻循環(huán)數等級。在這里還需指出的是進(jìn)行掃頻試驗時(shí),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時(shí)間,通常是根據振動(dòng)對產(chǎn)品的破壞機理來(lái)確定的。
振動(dòng)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)品結構完好性的破壞,對產(chǎn)品壽命的破壞。如果主要考慮振動(dòng)對產(chǎn)品工作性能的影響,如工作不正常、不穩定、失靈、甚至不能工作等,通常是振動(dòng)一旦停止,工作性能就能恢復正常,所以其試驗時(shí)間可按設備所需的長(cháng)連續工作時(shí)間結合實(shí)踐經(jīng)驗來(lái)確定。結構破壞主要是指脫焊、螺釘松動(dòng)、連接件脫開(kāi)、部件的相互撞擊。對這種破壞一般在30分鐘到一小時(shí)就能發(fā)現。對其中的螺釘松動(dòng)和連接件脫開(kāi)、部件的撞擊也可按長(cháng)的連續工作時(shí)間來(lái)考慮。在某些情況下,也可按全部壽命時(shí)間來(lái)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(shí)間應根據產(chǎn)品的使用要求,按使用時(shí)可能出現的應力循環(huán)數來(lái)確定,或按無(wú)限壽命,即10?次應力循環(huán)來(lái)確定試驗時(shí)間。