振动试验目的

 

满足产品的高性能、高品质、高可靠性要求。产品在其寿命周期内会受到各种各样的振动，必须在产品设计和制造阶段考虑振动的影响。特别是对大量制造的产品、不允许有故障的产品等。产品没有经过振动试验验证而制造，产生故障后，对顾客对厂家都会造成金钱损失，失去信任，比如汽车零部件行业等。

 

振动试验装置系统是什么？

 

振动试验装置系统主要包含以下几个部分，如下图。

 

1 振动试验机（含冷却装置）

 

2 功放

 

3 振动控制仪

 

4 加速度传感器（控制用）

 

 

振动控制仪中输入试验条件，产生振动波形，功放放大后，驱动振动试验机振动，加速度传感器感知加速度量级，反馈给振动控制仪，实现振动控制，振动试验机运行产生的热量，冷却装置对应冷却。

 

振动试验实施时需要：

 

1、振动试验装置 

 

根据试验条件、试验体形状质量等来选择振动试验装置，特别需要注意以下几个概念，如最大加振力、频率范围、最大加速度、最大速度、最大位移、最大搭载质量等。

 

2、振动试验条件 

 

各个产品有其各自适合的试验条件，有各种各样的规格进行选择，如GB、GJB、IEC、ISO、JIS、MIL等。特殊情况下，可根据测定产品的振动环境，决定其独自的试验条件。

 

需要注意按照试验条件进行试验时，会产生过试验和欠试验现象。过试验就是实际试验条件超出要求试验条件（比如加速度量级变大），对试验体实施过剩试验，导致本来不该出现的故障反而发生。欠试验即实际试验条件低于要求试验条件（比如加速度量级变小），导致本来预测发生的故障没有被激发出来。所以，对试验条件或试验情况需要充分研究，根据数据，慢慢加以改善试验条件（学者研究）。

 

3、试验体

 

为了使试验体更好地固定在振动台面上，达到刚性连接，需要使用振动夹具。振动夹具需要满足完全传递振动，将振动试验机产生的振动完完全全地传递给试验体。然而这是一种理想要求，实际上夹具完全传递振动是很难的，特别是在500Hz以上的频率，所以需要对振动夹具进行不停的评价，不断地改良夹具（夹具设计）。

 

在对振动夹具评价的同时，也需要注意加速度传感器的安装和安装位置的选择。安装位置不同，对试验内容有不同的影响。

 

振动试验机的动作原理和构造

 

电动型振动试验机的基本构造和音响的喇叭类似，只是喇叭的发音部分变成了金属制（铝合金或镁合金）的动圈，动圈受力发生上下振动。（注意：本公众号内振动试验机都是指电动型振动试验机。）

 

其原理是高中时学的左手定则，磁场中的导体通电产生力，可通过下式表示。

 

 

B的产生利用右手法则，即电流流过导体，其四周产生磁场。

 

 

励磁线圈内流经直流电流，形成磁场（下图中N、S表示）。振动台面和线圈（动圈）加工在一起，安装在该磁场中，需要注意的是在振动试验机的动圈里面通过的是交流电流，受到的力是有正负之分的。产生上下交变力，发生振动，即振动台面上下振动。当然，为了保持振动台面的垂直方向振动不偏移，还需要上下支撑机构。具体内部构造简单示意图如下。

 

 

 

功放的目的和动作

 

功放主要是将振动控制的振动信号进行放大，即提供电能量给振动发生机动作，电能量可通过功率电压乘以电流表示。比如，输出10KVA的功放，振动控制仪输入信号约3V10mA（30mVA），通过功放可放大为100V100A（10kVA）。

 

功放的类型也多种多样，有模拟型，开关数字型等等，下表是其各自特点比较。

 

 

振动控制仪的种类

 

振动控制仪对安装在振动台面上的控制加速度传感器反馈来的加速度值（振动量级响应值）和目标值进行比较，进行振动的控制。响应值大了就降低振动控制仪的输出，响应值小就增大振动控制仪的输出，始终使振动台面加速度在目标值附近振动，满足振动试验精度要求。简单理解，其实内部控制很复杂，不仅仅只控制加速度值。

 

其种类有很多，主要有以下几种，

 

正弦波控制软件：正弦波加振，对振动幅值控制。

 

随机波控制软件：随即波加振，对振动谱控制。

 

冲击波控制软件：实现有限脉宽（约2秒以下）冲击各波形控制。

 

波形再现控制软件：实现长时间波形控制。

 

由上可知，波形不同，控制方法各异，需要专门的控制软件进行对应。以前以模拟振动控制仪为主流，最近随着数字电子技术的发展，数字振动控制仪得到普及，且价格也相对变得便宜很多。

 

振动试验使用的基本用语

 

振动试验中使用的基本用语有力（加振力）[N]、加速度[m/s2]、速度[m/s]、位移[mmp-p]。

 

先从力[加振力]说明，先了解牛顿第二定律，即一般质量m的物体施加加速度A，则下式成立，即1[kg]的物体施加1[m/s2]的加速度，产生1[N]的力。公式中单位g为重力加速度9.81[m/s2]。

 

 

 

振动的描述还需要用频率和振动量级来指定。以前使用的是重力单位来描述，现在用SI单位比较普及。加速度、速度、位移的关系如下，物体正弦振动，位移表达式为，

 

 

速度是位移的微分，

 

 

加速度是速度的微分，

 

 

 

将

 

 

代入上几个式子，并取其最大值得到，

 

实际的波形为，

 

 

上面两个式子也可以用下面的形式表示，

 

 

需要注意的是，这些公式里面的半位移值（位移半峰值），如果用振动试验中常用的位移峰峰值，单位mm的话，公式变化如下。

 

 

可通过公式可以看出，四个量里面知道两个，即可求出其他两个。通过此公式还可以计算出无负载情况下，振动试验机的最大特性曲线中的频率交越点。

 

【例】

 

正弦波试验

 

最早实施的振动试验方法，有很多的振动试验规格对应。和近来快速发展的随机试验和冲击试验相比，加振简单、基本上所有类型的振动试验机都能对应此试验方法。

 

有定频和扫频两种方式，定频比较简单，下面以扫频方式进行主要说明。扫频试验是指频率按照一定的速度变化，对振动量级进行控制。

 

【例】

 

 

 

上述扫频试验条件，10Hz到58Hz以位移2[mmp-p]加振，58Hz到500Hz以加速度132.7[m/s2]加振，频率由10Hz-500Hz-10Hz-500Hz往返扫频进行，直到达到试验时间1小时。可以通过加速度和频率关系公式计算得到58Hz和2[mmp-p]处对应的加速度为132.7[m/s2]。在58Hz处振动量由位移变为加速度（一种振动量变为另一种振动量），这个频率点称为交越点。需要注意的是，在交越点处，必须满足上述四者之间的公式关系，如果58Hz处位移为2[mmp-p]且加速度为300[m/s2]，这种试验条件显然是有问题的，但是现在很多试验规格里经常有这样的定义方式，需要引起重视，在振动控制仪正弦波控制软件中输入试验条件时，都是经过特殊处理的，即58Hz输入位移2[mmp-p]，58.01Hz输入加速度300[m/s2]。

 

最后对扫频速度进行说明。一般都是对数扫频，单位【oct/min】，频率一分钟内的变化量。oct即倍频程，2倍的意思，一分钟内相对起始频率，有几个两倍。用下面的关系式表示，

 

 

【例】起始频率10Hz，终止频率500Hz，则这个频率范围内有5.64个倍频程。

 

 

扫频速度1oct/min的话，即10Hz扫频到500Hz，可以判断出需要时间为5.64分钟。