振动试验技术
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苏州环可检测有限公司 陆继田
【摘要】分析振动试验对产品可靠性的影响，评估导入振动测试的必要性;介绍振动测试的定义、目的、测试方法、条件及引起的失效模式。
【关键词】正弦振动;随机振动;失效摸式
1.引言
振动测试作为验证产品机械可靠性的主要手段，可以有效的评估产品机械可靠性并推进产品机械可靠性提升。提升产品机械可靠性，有利于提升产品在行业内的产品形象，提高客户对公司产品的品牌认可度;通过振动测试可以提前发现产品在运输及使用过程中由机械振动导致的失效，为产品结构设计的改进提供依据，以提升产品在运输及在复杂使用环境中的可靠性，提升产品设计水平降低产品维护成本;有效评估机械振动对产品可靠性的影响及通过振动测试不断提升产品机械可靠性显得尤为重要。
2.振动试验引起的失效摸式
振动试验是在实验室模拟各种恶劣的振动条件，以检验振动对产品的影响，称之为失效摸式。
（1）对产品结构的影响
这种影响主要是使结构损坏，引起变形、弯曲、产生裂纹、断裂，造成部件间的相互撞击等，从而使产品疲劳损坏，这种破坏又可分为由于振动所引起的应力超过产品结构强度所能承受的极限而造成的破坏，以及长时间的振动使产品发生疲劳而造成的破坏，这种破坏通常是不可逆的。
（2）对工作性能的影响
主要是振动使工作性能失灵、运动部件动作不正常、功能失效或性能超差，造成接触部件的接触不良，继电器误协作，电子管噪声增加，指示灯闪烁等，从而导致工作不正常、不稳定，甚至完全不能工作。这种影响的严重程度，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的破坏，在很多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常。
（3）对工艺性能的影响
主要是振动使工艺性能破坏，如螺钉或连接件松动、脱焊等。这种破坏通常在一个不太长的振动时间内就会出现，一般在30分钟到1小时就能发现，并且往往是不可逆的。
无论哪种破坏都将导致产品的工作不稳定，甚至损坏。为了提高产品的可靠性需要通过振动试验来暴露产品的薄弱环节，改进产品设计，使产品在运输使用过程中不出或者少出故障。这是振动试验的最终目的。目前在实验室中进行振动试验的形式最常用的是正弦振动和随机振动试验。振动试验的目的是确定产品从制成开始， 在运输、使用及工作过程中所能承受外来的振动或自身产生的振动，而不致破坏并能保持其原有性能，达到预订的寿命和可靠性。
3.正弦振动试验
3.1 正弦振动试验目的
正弦振动试验的目的是在实验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中所能经受到的正弦振动以及其影响;正弦振动还可以用来研究产品的动态特性等。
3.2 正弦振动应力参数
正弦振动试验时属于规定一种机械运动的力学环境试验方法，而这种机械运动就是以正弦曲线为基本运动的轨迹。当用位移来作为时变函数时，正弦振动是位移、速度和加速度为时间 谐和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简单最基本的振动。其函数表达式为：
正弦振动试验的基本运动的时间历程如图1所示。
从上述正弦振动试验的方程式和时间历程图可见，用频率、幅值两个参数就可以完整描述正弦振动试验的基本运动。正弦振动试验的试验条件（严酷等级）由频率、振幅、测试持续时间三个参数共同确定。
图1 正弦振动试验的基本运动的时间历程
3.3 正弦振动试验条件
3.3.1 频率、频率范围
对频率、频率范围，如果有产品安装平台环境条件数据就直接用产品安装平台的数据;如果没有，或是可用多种场合或多种产品使用的产品，可以根据标准中给出的条件通过工程判断来确定时间历程振动试验的条件。
根据标准选择试验频率范围时，可以根据测试的具体目的进行选择。产品在运输、贮存和使用过程上中，有时会遇到很低的振动频率，例如车辆上用的设备，其车辆主要基波频率可能低到在1.5-4Hz之间，而振动试验设备，要达到1.5Hz，其加速度波形失真就会相差很大，达不到试验的要求。因此在确定试验频率范围时就要权衡，如果一个产品试验频率范围不宽，低频端在1Hz 或1Hz以下，高频段在100Hz（或-500Hz），则可以用液压振动台来实现;如果一个产品试验频率范围很宽，其高频段在500-2000Hz以上，而低频段又要到1 Hz 或1Hz以下，则只能行当的提高低频段的起点频率，例如低频段从5-10Hz开始，因为要达到500-2000Hz的频率，必须用电动振动台来进行试验，而电动振动台低频段公可达到5-10Hz（部分电动振动台可以达到1Hz，但加速度失真偏大）。
图2 环可检测-车载摄像头正弦振动试验图片
3.3.2 振幅及选择
在正弦振动试验中，其振幅有位移幅值和加速度值两种，在实际试验时，有的试验仅给出位移幅值，有的试验同时给出位移幅值和加速度值。
仅给出一个位移幅值：对IEC标准和国标，其上限频率不超过101Hz的试验，只给出一个位移幅值;对美军标和国军标，例如电子及电气元件试验方法，在10-55Hz的频率范围内也仅给出一个位移幅值，其值为0.75mm（单振幅）。
产品安装平台实际振动的特点是频率愈高加速度愈大，频率愈低位移幅值愈大，而且随着振动频率的变化而不断改变。就对产品的影响而言，低频主要是位移破坏，高频主要是加速度破坏;当今的正弦振动试验是建立在以往科学技术基础上的，当时的试验室模拟技术还不可能实现像现场振动一样随着振动频率的变化而其位移幅值不断改变，只能采用尽量逼近现场振动的方法，因此采用低频段位移幅值不变（定位移），高频段加速度幅值不变（定加速度），从定位移谈到 定加速度之间的频率称交越频率（振动特性一种关系变到另一种关系的频率）。在IEC标准和国际中有两种交越频率，即8-9Hz的低交越频率和57-62Hz高交越频率，前者主要用于船船产品的试验，后者主要用于陆用和空用产品的试验。 （下转第91页）（上接第89页）
3.3.3 试验持续时间及选择
试验的持续时间是描述产品的耐受振动能力的重要参数。对试验持续时间的选择相对于上述两个参数和选择要困难得多。因为目前一般很难给出多长的试验时间相当于实际使用多少时间。对扫频试验，通常以扫频循环数给出试验时间。对定频试验，则直接以分钟和小时给出试验时间。
3.4 附正弦振动试验图2及曲线图3
4.随机振动动试验
4.1 随机振动试验目的
产品在运输和实际使用中所遇到的振动，绝大多数就是随机性质的振动。例如，车辆在不平坦的道路上行驶时产品的振动;因此，随机振动试验能真实反映产品的耐振动性。
随机振动和正弦振动相比，随机振动的频率域宽，而且有一个连续的频谱，它能同时在所有频率上对产品进行激烈，各种频率的相互作用远比用正弦振动仅对某些某些频率或连续扫频模拟上述振动的影响更残酷更真实和更有效。
图4 宽带随机振动时间历程
4.2 随机振动应力参数
在随机振动试验中，由于振动的质点处于不规则的运动状态，永远不会精确的重复，对其进行一系列的测量，名次记录都不一样，所以没有任何固定的周期。在任何确定的时刻，其振幅、频率、相位都不能预先知道，因此就不可能用简单的周期函数和函数的组合来描述。典型的宽带随机振动时间历程如图4所示。
由图4可见，随机过程最明显的特点是非周期性，瞬间值无法预测;但并非无规律可言，而是表现出统计规律性。因此对随机信号的研究，处理和分析必须用统计的方法来进行。对某一随机过程，通常下列国个方面的信息来描述。
时间域：平均值、均方值、均方根值、方差
幅值域：概率分布、概率密度
时差域：自相关函数、互相关函数
频率域：自动率谱密度、互功率谱密度、频率响应函数及相干函数
随机过程有平衡的和非平衡的，有各态历经的和非各态历经的;有正态分布的和非正态分布的。在随机振动试验的范畴内，通常假定为平衡的、各态经历的，并且是正态分布的。
4.3 随机振动试验条件
4.3.1 试验频率范围
指产品安装平台的振动对产品产生有效激励的最高频率和最低频率之间的频率。典型的低频通常对取产品最低共振频率的一半或其安装平台明显振动的最低频率;典型的高频是产品最高共振频率的两倍或其安装平台明显振动的最高频率，或是可以有效地机械地传递振动的最高频率。
4.3.2 功率谱谱密度和功率谱谱密度的频谱
随机振动是以定义在相关频率范围内的PSD功率谱密度（ASD加速度谱密度）及功率谱谱密度的频谱的形式来表征。功率谱密度（加速度谱密度）是指单位频率上的能量，功率谱谱密度的频谱（加速度谱密度的频谱）是指振动能量在整个频率方位内的分布。
4.3.3 总均方根加速度
总均方根加速度（Grms）值是功率谱谱密度的频谱在全频段面积的积分，即均方根值，它不包含任何频率信息。因此Grms值通常用来进行试验误差控制与检测，以及根据试验样品的重量、体积、动态特性来选需多大推力（功率）的振动台。评价随机振动试验 应力大小的真正判据应该是在给定频率范围内的加速度谱密度高低，即看随机振动试验 的加速度谱密度频谱曲线，而不是看总均方根加速度的高低。
4.3.4 试验时间
试验时间就是进行随机振动的持续时间，通常分为功能（性能）和强度（耐久）两种试验时间。
4.4 附随机振动试验图片图5及图6曲线图
图5 环可检测-包装箱随机振动实验图
5.结束语
振动试验主要是环境模拟，就是使产品经受到与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，来验证考核产品在预期的振动环境作用下，能否达到设计规定的性能指标。目前振动试验已被应用多个领域：如航空航天、交通运输、军工产品、汽车产品等。