振動試驗?zāi)康?/span>

 

滿足產(chǎn)品的高性能、高品質(zhì)、高可靠性要求。產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)會受到各種各樣的振動，必須在產(chǎn)品設(shè)計和制造階段考慮振動的影響。特別是對大量制造的產(chǎn)品、不允許有故障的產(chǎn)品等。產(chǎn)品沒有經(jīng)過振動試驗驗證而制造，產(chǎn)生故障后，對顧客對廠家都會造成金錢損失，失去信任，比如汽車零部件行業(yè)等。

 

振動試驗裝置系統(tǒng)是什么？

 

振動試驗裝置系統(tǒng)主要包含以下幾個部分，如下圖。

 

1 振動試驗機（含冷卻裝置）

 

2 功放

 

3 振動控制儀

 

4 加速度傳感器（控制用）

 

 

振動控制儀中輸入試驗條件，產(chǎn)生振動波形，功放放大后，驅(qū)動振動試驗機振動，加速度傳感器感知加速度量級，反饋給振動控制儀，實現(xiàn)振動控制，振動試驗機運行產(chǎn)生的熱量，冷卻裝置對應(yīng)冷卻。

 

振動試驗實施時需要：

 

1、振動試驗裝置 

 

根據(jù)試驗條件、試驗體形狀質(zhì)量等來選擇振動試驗裝置，特別需要注意以下幾個概念，如最大加振力、頻率范圍、最大加速度、最大速度、最大位移、最大搭載質(zhì)量等。

 

2、振動試驗條件 

 

各個產(chǎn)品有其各自適合的試驗條件，有各種各樣的規(guī)格進行選擇，如GB、GJB、IEC、ISO、JIS、MIL等。特殊情況下，可根據(jù)測定產(chǎn)品的振動環(huán)境，決定其獨自的試驗條件。

 

需要注意按照試驗條件進行試驗時，會產(chǎn)生過試驗和欠試驗現(xiàn)象。過試驗就是實際試驗條件超出要求試驗條件（比如加速度量級變大），對試驗體實施過剩試驗，導(dǎo)致本來不該出現(xiàn)的故障反而發(fā)生。欠試驗即實際試驗條件低于要求試驗條件（比如加速度量級變小），導(dǎo)致本來預(yù)測發(fā)生的故障沒有被激發(fā)出來。所以，對試驗條件或試驗情況需要充分研究，根據(jù)數(shù)據(jù)，慢慢加以改善試驗條件（學(xué)者研究）。

 

3、試驗體

 

為了使試驗體更好地固定在振動臺面上，達到剛性連接，需要使用振動夾具。振動夾具需要滿足完全傳遞振動，將振動試驗機產(chǎn)生的振動完完全全地傳遞給試驗體。然而這是一種理想要求，實際上夾具完全傳遞振動是很難的，特別是在500Hz以上的頻率，所以需要對振動夾具進行不停的評價，不斷地改良夾具（夾具設(shè)計）。

 

在對振動夾具評價的同時，也需要注意加速度傳感器的安裝和安裝位置的選擇。安裝位置不同，對試驗內(nèi)容有不同的影響。

 

振動試驗機的動作原理和構(gòu)造

 

電動型振動試驗機的基本構(gòu)造和音響的喇叭類似，只是喇叭的發(fā)音部分變成了金屬制（鋁合金或鎂合金）的動圈，動圈受力發(fā)生上下振動。（注意：本公眾號內(nèi)振動試驗機都是指電動型振動試驗機。）

 

其原理是高中時學(xué)的左手定則，磁場中的導(dǎo)體通電產(chǎn)生力，可通過下式表示。

 

 

B的產(chǎn)生利用右手法則，即電流流過導(dǎo)體，其四周產(chǎn)生磁場。

 

 

勵磁線圈內(nèi)流經(jīng)直流電流，形成磁場（下圖中N、S表示）。振動臺面和線圈（動圈）加工在一起，安裝在該磁場中，需要注意的是在振動試驗機的動圈里面通過的是交流電流，受到的力是有正負之分的。產(chǎn)生上下交變力，發(fā)生振動，即振動臺面上下振動。當(dāng)然，為了保持振動臺面的垂直方向振動不偏移，還需要上下支撐機構(gòu)。具體內(nèi)部構(gòu)造簡單示意圖如下。

 

 

 

功放的目的和動作

 

功放主要是將振動控制的振動信號進行放大，即提供電能量給振動發(fā)生機動作，電能量可通過功率電壓乘以電流表示。比如，輸出10KVA的功放，振動控制儀輸入信號約3V10mA（30mVA），通過功放可放大為100V100A（10kVA）。

 

功放的類型也多種多樣，有模擬型，開關(guān)數(shù)字型等等，下表是其各自特點比較。

 

 

振動控制儀的種類

 

振動控制儀對安裝在振動臺面上的控制加速度傳感器反饋來的加速度值（振動量級響應(yīng)值）和目標(biāo)值進行比較，進行振動的控制。響應(yīng)值大了就降低振動控制儀的輸出，響應(yīng)值小就增大振動控制儀的輸出，始終使振動臺面加速度在目標(biāo)值附近振動，滿足振動試驗精度要求。簡單理解，其實內(nèi)部控制很復(fù)雜，不僅僅只控制加速度值。

 

其種類有很多，主要有以下幾種，

 

正弦波控制軟件：正弦波加振，對振動幅值控制。

 

隨機波控制軟件：隨即波加振，對振動譜控制。

 

沖擊波控制軟件：實現(xiàn)有限脈寬（約2秒以下）沖擊各波形控制。

 

波形再現(xiàn)控制軟件：實現(xiàn)長時間波形控制。

 

由上可知，波形不同，控制方法各異，需要專門的控制軟件進行對應(yīng)。以前以模擬振動控制儀為主流，最近隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字振動控制儀得到普及，且價格也相對變得便宜很多。

 

振動試驗使用的基本用語

 

振動試驗中使用的基本用語有力（加振力）[N]、加速度[m/s2]、速度[m/s]、位移[mmp-p]。

 

先從力[加振力]說明，先了解牛頓第二定律，即一般質(zhì)量m的物體施加加速度A，則下式成立，即1[kg]的物體施加1[m/s2]的加速度，產(chǎn)生1[N]的力。公式中單位g為重力加速度9.81[m/s2]。

 

 

 

振動的描述還需要用頻率和振動量級來指定。以前使用的是重力單位來描述，現(xiàn)在用SI單位比較普及。加速度、速度、位移的關(guān)系如下，物體正弦振動，位移表達式為，

 

 

速度是位移的微分，

 

 

加速度是速度的微分，

 

 

 

將

 

 

代入上幾個式子，并取其最大值得到，

 

實際的波形為，

 

 

上面兩個式子也可以用下面的形式表示，

 

 

需要注意的是，這些公式里面的半位移值（位移半峰值），如果用振動試驗中常用的位移峰峰值，單位mm的話，公式變化如下。

 

 

可通過公式可以看出，四個量里面知道兩個，即可求出其他兩個。通過此公式還可以計算出無負載情況下，振動試驗機的最大特性曲線中的頻率交越點。

 

【例】

 

正弦波試驗

 

最早實施的振動試驗方法，有很多的振動試驗規(guī)格對應(yīng)。和近來快速發(fā)展的隨機試驗和沖擊試驗相比，加振簡單、基本上所有類型的振動試驗機都能對應(yīng)此試驗方法。

 

有定頻和掃頻兩種方式，定頻比較簡單，下面以掃頻方式進行主要說明。掃頻試驗是指頻率按照一定的速度變化，對振動量級進行控制。

 

【例】

 

 

 

上述掃頻試驗條件，10Hz到58Hz以位移2[mmp-p]加振，58Hz到500Hz以加速度132.7[m/s2]加振，頻率由10Hz-500Hz-10Hz-500Hz往返掃頻進行，直到達到試驗時間1小時。可以通過加速度和頻率關(guān)系公式計算得到58Hz和2[mmp-p]處對應(yīng)的加速度為132.7[m/s2]。在58Hz處振動量由位移變?yōu)榧铀俣龋ㄒ环N振動量變?yōu)榱硪环N振動量），這個頻率點稱為交越點。需要注意的是，在交越點處，必須滿足上述四者之間的公式關(guān)系，如果58Hz處位移為2[mmp-p]且加速度為300[m/s2]，這種試驗條件顯然是有問題的，但是現(xiàn)在很多試驗規(guī)格里經(jīng)常有這樣的定義方式，需要引起重視，在振動控制儀正弦波控制軟件中輸入試驗條件時，都是經(jīng)過特殊處理的，即58Hz輸入位移2[mmp-p]，58.01Hz輸入加速度300[m/s2]。

 

最后對掃頻速度進行說明。一般都是對數(shù)掃頻，單位【oct/min】，頻率一分鐘內(nèi)的變化量。oct即倍頻程，2倍的意思，一分鐘內(nèi)相對起始頻率，有幾個兩倍。用下面的關(guān)系式表示，

 

 

【例】起始頻率10Hz，終止頻率500Hz，則這個頻率范圍內(nèi)有5.64個倍頻程。

 

 

掃頻速度1oct/min的話，即10Hz掃頻到500Hz，可以判斷出需要時間為5.64分鐘。