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聊聊振动试验

可靠性杂坛 2019-12-09 17:40 发文



与振动有关的试验广义上都可以称为振动试验。这里所述的振动试验仅指在室内利用激振设备使试件经受预先规定的振动,并达到一定目的的过程。

在实际的工程中振动对产品的主要影响有如下几方面:

(1)结构损坏

这种破坏主要是指引起变形、弯曲,产生裂纹、断裂,造成部件间的相互撞击等,包括由于振动产生的交变应力超过构件所能承受的弹性和塑性极限应力而造成的破坏,以及长时间振动的交变应力造成的累积损伤,使产品发生疲劳损坏等。

(2)工作性能失灵

这种破坏为功能失效和性能超差,主要是指振动使接触部件接触不良,继电器产生误动作,电子管噪声增加,指示灯闪烁,从而导致工作不正常、不稳定,甚至完全不能工作等。这种破坏,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破坏,因为在许多情况下,一旦振动减小或停止,工作就能恢复正常。

(3)工艺性能破坏

这种破坏主要是指螺钉或连接件松动、脱焊等。

为提高产品的可靠性,使产品在使用中不发生上述故障与破坏,工程上必须很好地解决振动试验问题,为此,振动试验几乎从元器件开始,就伴随着产品的整个生产过程。最初的振动试验,由于条件的限制,仅限于正弦振动试验,以此来考核产品能否经受住预定的振动条件,以及能否在预定的振动条件下可靠工作。正弦振动是用来暴露产品的薄弱环节,改进产品质量,使产品在使用和运输中,不出或少出故障并保证性能的一种有效方法。

严格来说,产品在运输和实际使用中所遇到的振动一般都是随机振动,利用随机振动试验来考核产品才能更真实地反映产品对振动环境的适应性和考核其结构的完好性。随机振动和正弦振动相比,随机振动的频域宽,且有连续时频谱,它能同时在所有的频率上对试件进行激励,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实际环境振动的影响更严酷、更真实和更有效。

到目前为止,在振动试验这个领域,正弦振动、随机振动及混合型的振动试验都能够在试验室内实现。由于正弦振动试验和随机振动试验各自的特点,使它们成为机械环境试验中两个重要的试验项目。

一、振动试验标准

电子产品的振动试验标准主要梳理如下:

1.正弦振动试验方法标准

GB/T 2423.10《电工电子产品环境试验规程》的第2部分试验方法中试验F和导则、振动(正弦);标准GJB 360.13和GJB 360.15《电子及电气元件试验方法》的低频振动试验和高频振动试验;GJB 548《微电子器件试验方法和程序》中方法2005的振动疲劳、方法2006的振动噪声以及方法 2007 的变频振动等,都是正弦振动试验方法的标准,在结构和内容上大同小异。

2.随机振动试验方法标准

标准 GB/T 2423.11《电工电子产品环境试验》的第 2 部分试验方法中的试验 Fd 宽频带随机振动的内容主要由引言、试验的目的和基本原理、安装与控制、严酷等级、再现性等级,频率响应测量与共振检查等部分组成。试验程序,有关规范应做的规定以及附录 A 关于宽频带随机振动试验问题的讨论等部分组成。标准 GB/T 2423.11《电工电子产品环境试验》中的试验 Fda:宽频带随机振动—高再现性,试验 Fdb:宽频带随机振动—中再现性,试验Fdc:宽频带随机振动—低再现性三个标准的内容主要由引言、试验目的、安装与控制、频率响应测量和共振检查、振动运动要求、验证方法的选择、条件试验、试验程序以及附录 A应用扫描滤波器技术的验证方法、附录B应用固定滤波器技术的验证方法、附录C应用正弦扫描技术的验证方法和低再现性试验中附录验证方法等部分组成。

标准 GJB 150.16《军用设备环境试验方法》中的振动试验的内容主要由试验目的、振动环境分类、试验条件、试验设备、通用试验技术、试验程序、引用标准应规定的细则,以及附录A正弦振动试验方法和附录B制定试验室振动试验条件指南等部分组成。

二、振动试验条件要求

振动试验的试验条件应包括以下几个方面。

1.试验概述

试验概述包括名称、性质和用途,并注明试验对象,如用于汽车、飞机、导弹、某种电子仪器仪表或某种电工电子元器件等;另外,对试验对象在试验室中存放时有何特殊要求,如防尘、防静电、防划伤表面等。

2.振动试验的目的

振动试验的目的应是明确的,一个振动试验可以是一个目的,也可以是几个目的,如评定试件的结构强度、评定试件的性能、评定试件的动态特性、产品的例行试验、产品的工艺性试验、工艺筛选等。由于试验的目的是贯穿振动试验的主线,所以,参试的各类人员都应详细了解。

3.试验的边界条件

在振动试验中应考虑试件在使用时处于何种状态,只有正确模拟边界条件才能探证试验的正确性。由于有些试件是整机产品的一个部件或者是从整机产品上取下单独做振动试验的,因此,边界条件就显得更为重要,但也很难模拟。同时,试验人员在夹具设计、数据分析和编写报告时都必须深入地了解边界条件。

4.试件方位

振动试验输入通常规定为互相垂直的 3 个轴向,并依次进行试验,也有规定两个方向或3 个方向同时输入,当试验顺序很重要时,特别是有些产品对于某个轴较为敏感时,就应对试验先后顺序加以规定。一般先进行敏感轴方向的试验。有的产品仅需两个方向或单方向进行振动,试验也应该加以明确,如对称的试件可减少一个方向、中心对称的试件仅进行一个方向的试验等等。

5.输入量级

输入量级是试验条件中极其重要的部分(标准中称为严酷等级),3 个方向输入量级或相同、或不相同,应加以注明。对正弦振动来说,要给出频率、频率范围、振动量级(加速度、速度或位移)。若在不同频率段有不同的振动量级,要给出交越点。若是随机振动,要给出功率谱形图,即功率谱密度与频率的关系曲线。

6.试验时间

试验持续时间是输入保持在规定值的时间,时间的数值取决于试验目的,一般确定试件响应特性所需要的时间,要比确定试件结构强度的时间短。在做随机振动试验时,均衡所需的时间长,一般不计入试验时间。有些试验时间很短,均衡时间很长,时间比较长时就应考虑缩短试验时间。一般情况下,试验时间应是保持在规定量级下进行振动试验的时间。

7.加速度计位置

试验时应明确输入加速度计的安装位置,也应明确响应加速度计的安装位置。输入加速度计的位置不同,试件所承受的实际振动可能不同。输入加速度计一般应固定在试件和夹具的结合面上,且尽可能靠近固定螺栓。有时考虑到振动控制仪的能力,也可固定在夹具和振动台面之间,输入加速度计的个数也应明确。响应加速度计的位置是根据需要而确定的,但应注意安装加速度计处是否有足够的空间和平面,安装处的刚度非常重要,要防止局部出现的薄壁振动等。

8.其他

各种不同类型的振动试验还有一些目的要求,有的试验与温度有关,有的试验过程中要对试件通电、通水、通气,有的试验中要对试件进行必要的性能测试等等,这些都应给予明确。

三、正弦振动试验条件

正弦振动试验的试验条件(严酷等级)由频率范围、振幅值、试验持续时间共同确定,严酷等级是试验条件的最主要的内容之一。对每一个参数,可从下述表中列出的数值中选取。若环境预先已知,且与表中的数据差异显著,可根据已知的环境来规定试验要求。

1.频率范围

GB/T 2423.10中给出下限频率和上限频率,见表1。

表1 GB/T 2423.10中给出的频率范围




2.振动幅值

应在有关的试验规范中规定振动幅值(位移幅值或加速度幅值或两者并提)。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。每一位移幅值有一个相应的加速度幅值,在交越频率上振动量是相同的。当规定的交越频率在技术上不适用时,有关试验规范可规定其他的交越频率,以及对应的位移、加速度幅值,在某些情况下也可规定一个以上的交越频率。上限频率只有 10Hz 的试验,通常是在整个频率范围采用定位移的方法。表 2所示为较高交越频率 57~64Hz 时的振动幅值推荐值,表 3所示为上限到10Hz的位移幅值推荐值。表4所示为较低交越频率8~9Hz时的振动幅值推荐值。

表2 较高交越频率57~64Hz时的振动幅值推荐值



注:表中所列全部数值均为峰值振幅。

表3 上限到10Hz的位移幅值推荐值



注:① 表中所列全部数值均为峰值振幅。

② 供参考的英寸值由原毫米值导出且为近似值。

③ 大于10mm的位移幅值主要适用于电液振动台。

表4 较低交越频率8~9Hz时的振动幅值推荐值



注:① 表中所列全部数值均为峰值振幅。

② 表中15mm的位移幅值主要使用电液振动台。

3.试验持续时间

有关试验规范应给出试验持续时间,若规定的持续时间导致在每轴线或每频率大于或等于10h,则可分几个周期进行,但不能减少试验样品中的应力。

GB/T 2423.10 中给出的试验持续时间如表 5所示。表 5给出了与推荐的扫频循环数及频率范围有关的整数时间。国家军用标准中给出的振动试验严酷等级如表6所示。

表5 GB/T 2423.10扫频循环及频率范围



注:表中列出的持续时间以1oct/min的扫频速率计算出来的,并圆整到整数,其误差不超过10%

国家军用标准GJB 360.15中对于高频振动试验时规定了8个试验条件等级,具体内容如表6所示。

表6 GJB 360.15高频振动试验条件



四、随机振动试验条件

随机振动的试验条件(严酷等级)由频率范围、加速度谱密度、加速度谱密度的频谱、总均方根加速度和试验持续时间等参数共同确定。频率范围是指随机信号的有效频率成分的带宽。加速度谱密度是指每单位频率上的能量。加速度谱密度的频谱是指随机振动能量在整个频率范围上的分布。总均方根加速度是施加给产品的总能量的标志。试验持续时间通常由试验目的和试验的能级等因素来确定,对于特别重要的产品也可根据其寿命来确定。

在许多情况下,由于不知道元器件安装于何种设备内,也不清楚它们要经受到何种应力,元器件试验严酷等级的选择是复杂的。即使了解元器件用于设备的某个部位,但由于结构、设备、部件的动态响应,元器件所经受的振动环境还可能不同于设备所要经受的振动环境。因此,在选择与设备试验严酷等级有关的元器件试验严酷等级时必须谨慎,并对这些响应的影响留有余地。供元器件试验应用的严酷等级示例如表7所示。

表7 元器件用严酷等级




GB/T 2423.11 标准中给出了宽带随机振动严酷等级的一般要求。严酷等级是由频率范围、加速度谱密度等级和试验持续时间来组合的,如表8所示。

表8 宽带随机振动严酷等级



五、再现性等级

在GB/T 2423.11标准中,再现性不是指试验与实际环境之间的再现性,而是指由不同的人在不同场合下进行试验时所得结果的一致性。在试验方法标准中特别是对鉴定试验或验收试验,以及有关方面计划对同型号试品进行的试验,都要求有一定等级的再现性。再现性等级分为高再现性、中再现性和低再现性三个等级,并有不同容差的要求。

高再现性的宽频带随机振动试验要求在基准点控制加速度谱密度真值在±3dB以内。对于大的和复杂的试验样品,这一点很难做到,但对于小于振动发生器的试验样品却比较容易。对于这种再现性,必须考虑在预定方向上的控制点和选定的一个以上控制点上的横向加速度谱密度的容差。对于大于振动发生器和夹具质量的试验样品,横向的加速度谱密度的峰值很大,因此,横向加速度谱密度等级可以超过预定方向规定的加速度谱密度值,允许采用5dB。中再现性要求在基准点使加速度谱密度控制在±6dB。一般说来,对小试验样品达到这种再现性并不困难,对大试验样品谨慎些也能达到。

低再现性不规定加速度谱密度真值的容差,但要求分析器指示值为±3dB。在规定的频率范围以内,表9给出了相应方向的容差来规定再现性,表中所列容差以规定加速度谱密度等级和对应的总方均根的分贝值表示。

表9 响应方向的容差范围及再现性的关系



此时,应在整个频率范围内的正反两个方向上,以表 10 中规定的振幅(取决于规定的正弦扫频来检)进行正弦扫频。

表10 正弦扫频等级及对应的幅值



另外,有关规范要求初始和最后共振检查,检查和比较初始和最后共振检查时发生机械共振和其他频率相关效应(如故障)的频率点,以便提供与随机振动试验所引起的残余效应相关的补充信息。也就是说,为了实现以上两种要求,试验样品要经受正弦振动试验。若试验样品对正弦振动很敏感时,可采用较低值。正弦振动试验对于高、中再现性来说,主要用于频率响应测量和共振检查。对低再现性来说,主要用于共振检查。




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