三綜合試驗(yàn)箱的正弦振動試驗(yàn)

                      三綜合試驗(yàn)箱的正弦振動試驗(yàn)
    振動試驗(yàn)是指評定產(chǎn)品在預(yù)期的使用環(huán)境中抗振能力而對受振動的實(shí)物或模型進(jìn)行的試驗(yàn)。
根據(jù)施加的振動載荷的類型把振動試驗(yàn)分為正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)兩種。正弦振動試驗(yàn)包括定額振動試驗(yàn)和掃描正弦振動試驗(yàn)。掃描振動試驗(yàn)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(yàn)主要是環(huán)境模擬，試驗(yàn)參數(shù)為頻率范圍、振動幅值和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)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?yàn)橐坏┱駝訙p小或停止，工作就能恢復(fù)正常;工藝性破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊。從振動試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢看，將采用多點(diǎn)控制技術(shù)、多臺聯(lián)合激動技術(shù)。
本文詳細(xì)介紹正弦振動試驗(yàn)相關(guān)知識。
弦振動試驗(yàn)的目的是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運(yùn)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(jī)、車輛、船舶、空中飛行器和地面機(jī)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(yīng)力超過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時(shí)間的振動（例如107次以上應(yīng)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(yùn)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(dǎo)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(yán)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?yàn)樵谠S多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復(fù)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(diǎn)脫開等。這種破壞通常在一個(gè)不太長的振動時(shí)間內(nèi)（例如半小時(shí)）就會出現(xiàn)。 
上述的種種影響，特別是當(dāng)產(chǎn)品的固有頻率和激勵(lì)頻率相等引起共振而導(dǎo)致響應(yīng)幅值急劇增大時(shí)，會更迅速和更嚴(yán)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(shè)備事故中，由于振動引起的占17%。在損壞的656件自動控制設(shè)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(yán)重的。所以，正弦振動試驗(yàn)是用來確定產(chǎn)品能否經(jīng)受住預(yù)定的振動條件，能否在預(yù)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(shí)際上產(chǎn)品所遇到的振動在大多數(shù)情況下是隨機(jī)性質(zhì)的振動，對這些隨機(jī)振動，本應(yīng)隨機(jī)振動試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)更切合實(shí)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的技術(shù)含量高的隨機(jī)振動才一步一步的發(fā)展起來。加上隨機(jī)振動控制儀剛出來時(shí)設(shè)備價(jià)格昂貴，而且需要較高的技術(shù)操作水平，試驗(yàn)成本高，其次至今還有許多標(biāo)準(zhǔn)一直沿用正弦振動試驗(yàn)，所以當(dāng)今還有相當(dāng)一部分在使有中實(shí)際經(jīng)受到的是隨機(jī)振動，而在對產(chǎn)品的摸底、鑒定、例外和驗(yàn)收中用的仍是正弦振動試驗(yàn)來進(jìn)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(yàn)在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中還是一個(gè)重要的振動試驗(yàn)項(xiàng)目，也是一個(gè)很經(jīng)典的試驗(yàn)方法。 
試驗(yàn)條件及選擇
對正弦振動，目前國內(nèi)外無論是軍用標(biāo)準(zhǔn)還是民（商）用標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法與程序的美軍標(biāo)和國軍標(biāo)中利用正弦振動對器件進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞和噪聲考核，在電子及電氣元件試驗(yàn)方法的美軍標(biāo)和國軍標(biāo)中除航天航空上的產(chǎn)品外，其它都用正弦振動進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完整性考核，在軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法的美軍標(biāo)（810）和國軍標(biāo)（150）中用正弦振動進(jìn)行振動響應(yīng)檢查和艦船設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完整性考核，在衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)要求美軍標(biāo)（1540）和國軍標(biāo)（1027）中也要用正弦振動進(jìn)行響聲檢查與共振頻率、模態(tài)、振型分析。在IEC和國標(biāo)中正弦振動用得更廣泛。
正弦振動標(biāo)準(zhǔn)主要包括：
GB/T2423.10-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分: 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc: 振動(正弦)
IEC60068-2-6-2007 基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程.第2部分:試驗(yàn).第6節(jié):試驗(yàn)Fc:振動(正弦波)
ISO8318:2000 包裝.滿裝的運(yùn)輸包裝和單元貨物.采用可變頻的正弦振動試驗(yàn)
GB/T4857.10-2005 包裝 運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第10部分：正弦變頻振動試驗(yàn)方法
前面已述，正弦振動試驗(yàn)的試驗(yàn)條件（嚴(yán)酷等級）有頻率范圍，振幅值，試驗(yàn)等持續(xù)三個(gè)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(biāo)準(zhǔn)中給出的條件通過工程判斷來確定時(shí)間歷程振動試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)。有的標(biāo)準(zhǔn)（特別是軍標(biāo)）是直接給出，即按產(chǎn)品的使用環(huán)境直接給出了試驗(yàn)的頻率或頻率范圍；民（商）用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行選擇試驗(yàn)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(jìn)行選擇。
如何確定和選擇和確定試驗(yàn)的頻率范圍？下面的敘述可供參考：
產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存和使用過程中，有時(shí)會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設(shè)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(yàn)設(shè)備，要達(dá)到1.5Hz，其加速度波型失真就會超差很大，達(dá)不到試驗(yàn)的要求。因此在確定試驗(yàn)頻率范圍時(shí)就要權(quán)衡，如果一個(gè)產(chǎn)品試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)；如果一個(gè)產(chǎn)品試驗(yàn)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(dāng)?shù)奶岣叩皖l段的起點(diǎn)頻率，例如低頻端從5~10 Hz開始，因?yàn)橐_(dá)到500~2000 Hz的頻率，必需用電動振動臺來進(jìn)行試驗(yàn)，而當(dāng)今的電動振動臺隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其低頻端已可達(dá)到5~10 Hz（一些21世紀(jì)研制出的性能優(yōu)良的電動振動臺已可達(dá)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(gè)問題。船舶的振動主要由船舶的動力機(jī)械產(chǎn)生的，因此下限頻率應(yīng)根據(jù)低螺旋槳的軸速度來確定。目前和國內(nèi)沿海和遠(yuǎn)洋船舶大部分都使用中.低速柴油機(jī)，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(yīng)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(gè)發(fā)達(dá)的資本主義國家的軍用艦艇設(shè)備的振動標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(diǎn)，采用計(jì)算的方法或現(xiàn)場實(shí)測的方法來確定其試驗(yàn)的頻率及頻率范圍。
2、振幅及其選擇
在正弦振動試驗(yàn)中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二種，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，有的試驗(yàn)僅給出位移幅值，有的試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，其上限頻率不超過10Hz的試驗(yàn)，只給出一個(gè)位移幅值；對美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，例如電子及電氣元件試驗(yàn)方法，在10~55 Hz的頻率范圍內(nèi)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(dāng)今的正弦振動試驗(yàn)是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)時(shí)（形成正弦振動試驗(yàn)時(shí)）的試驗(yàn)室模擬技術(shù)還不可能實(shí)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(guān)系變到另一種關(guān)系的頻率）。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)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(yàn)，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗(yàn)。
就位移幅值和加速度幅值而言，對元器件類標(biāo)準(zhǔn)，由于其通用性，通常給出一系列可供不同用途整機(jī)進(jìn)行選擇的的嚴(yán)酷等級，例如在微電子器件試驗(yàn)方法與程序的美軍標(biāo)和國軍標(biāo)中試驗(yàn)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(yàn)方法中，高頻振動的試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，它是不分元器件和整機(jī)的。對諸如美軍標(biāo)810和國軍標(biāo)150等軍用裝備（整機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)，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(yán)的，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理時(shí)它可能取的是實(shí)測振動的極值包絡(luò)，有時(shí)還加上一定的安全系數(shù)。
3、試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間及其選擇
試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間是描述產(chǎn)品的耐受振動能力的重要參數(shù)。對試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的選擇相對于上述二個(gè)參數(shù)的選擇要困難得多。因?yàn)槟壳耙话愫茈y給出多長的試驗(yàn)時(shí)間相當(dāng)于實(shí)際使用的多少時(shí)間。對掃頻試驗(yàn)，通常以掃頻循環(huán)數(shù)給出試驗(yàn)時(shí)間。對定頻試驗(yàn)，則直接以分鐘和小時(shí)給出試驗(yàn)時(shí)間。IEC和國標(biāo)對掃頻試驗(yàn)給出了1，2，5，15，20，50，100等七個(gè)掃頻循環(huán)數(shù)等級，對定頻試驗(yàn)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(yàn)時(shí)間等級；對微電子器件試驗(yàn)方法與程序和電子及電氣元件試驗(yàn)方法的美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，給出了12個(gè)（三方向）和36個(gè)（三方向）二種掃頻循環(huán)數(shù)等級。在這里還需指出的是進(jìn)行掃頻試驗(yàn)時(shí)，其掃頻速率通常為1倍頻程/min。如何具體地選擇試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，通常是根據(jù)振動對產(chǎn)品的破壞機(jī)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(fù)正常，所以其試驗(yàn)時(shí)間可按設(shè)備所需的長連續(xù)工作時(shí)間結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(shí)間來考慮。在某些情況下，也可按全部壽命時(shí)間來考慮。如果是為了確定產(chǎn)品承受累積應(yīng)力的能力（疲勞），其時(shí)間應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，按使用時(shí)可能出現(xiàn)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)來確定，或按無限壽命，即10?次應(yīng)力循環(huán)來確定試驗(yàn)時(shí)間。