振動試驗操作細節(jié)分析

孫玉玉，王大兵，熊偉華

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

振動試驗被廣泛在應(yīng)用在各個領(lǐng)域的產(chǎn)品試驗檢測中，扮演著越來越重要的角色。在試驗過程中，如果忽視試驗操作技術(shù)等細節(jié)，可能會造成實際施加的力學環(huán)境條件超出或低于標準試驗曲線，產(chǎn)生過考核或欠考核，造成試驗結(jié)果的偏差；更為嚴重的是，因為一些操作細節(jié)的忽視，可能造成試驗過程中失控現(xiàn)象的發(fā)生，不僅會對受試產(chǎn)品和試驗設(shè)備產(chǎn)生破壞，甚至發(fā)生安全事故。為了確保振動試驗安全順利的開展，保證試驗檢測結(jié)果真實、有效，因此有必要對振動試驗的各個操作技術(shù)環(huán)節(jié)及相關(guān)細節(jié)進行全面的梳理和分析。

1 振動臺的選擇

振動試驗開始之前，應(yīng)當根據(jù)受試產(chǎn)品的試驗要求和產(chǎn)品特性等參數(shù)選擇振動臺，選擇的原則為：保證所選振動臺的額定載荷、臺面尺寸、工作頻率范圍、最大推力等參數(shù)滿足試驗要求。對于一些非常規(guī)的受試產(chǎn)品或試驗要求則需要進行估算，以判斷所選設(shè)備是否滿足要求。

1.1 正弦振動試驗設(shè)備的選擇

1.1.1 試驗所需推力的估算

對于正弦振動試驗，首先要估算試驗需要多大的推力。根據(jù)估算的推力選擇合適的振動臺。估算正弦試驗推力（FS）必須了解動圈質(zhì)量M動、受試產(chǎn)品質(zhì)量M產(chǎn)、夾具質(zhì)量M夾、連接件（滑臺部件）質(zhì)量M連、試驗中最高的加速度值峰值a。則所需推力為：

根據(jù)公式（1）計算出的是一個剛體產(chǎn)品試驗中所需的峰值推力。由于試驗產(chǎn)品一般是非剛體，因此，試驗所需推力為試驗推力FS加30%的余量，即：

估算后會出現(xiàn)兩種情況：

第一種是所需推力遠小于振動臺的額定推力，這種情況可以做試驗，但屬于大材小用，不經(jīng)濟。

第二種是所需推力超過了額定推力，這種情況就要考慮更換振動臺。如果超得不多，例如所需推力為31KN，但額定推力只有30KN，這種情況可以采用試振的方法進行試驗。即先用試驗量級的一半進行試驗，記錄最大輸出電壓和電流，然后線性放大一半計算是否超過額定的電壓和電流，如果不超過，可以進行試驗[1]。

1.1.2 位移、速度、加速度等試驗參數(shù)的計算

正弦振動試驗的參數(shù)一般有兩類：頻率和幅值，依據(jù)頻率是否變化分為定頻和掃頻兩種試驗，對于選擇振動臺而言，這兩種試驗的選擇方法是一致的。

首先，驗證試驗條件的速度幅值、位移幅值、加速度幅值是否滿足振動臺的指標要求。根據(jù)正弦振動位移、速度、加速度相關(guān)數(shù)學模型公式（2）、公式（3）和公式（4）可以導出掃頻試驗平滑交越點頻率的計算公式。

式中：fA-V—加速度與速度平滑交越點頻率（Hz）；

fV-D—速度與位移平滑交越點頻率（Hz）；

fA-D—加速度與位移平滑交越點頻率（Hz）。

依據(jù)公式（5）、公式（6）和公式（7）確定加速度區(qū)域、速度區(qū)域和位移區(qū)域參數(shù)，當計算值小于振動臺相應(yīng)區(qū)域技術(shù)指標時，試驗可行；反之，則應(yīng)重新選擇振動臺。

1.2 隨機振動試驗設(shè)備的選擇

1.2.1 試驗所需推力的估算

隨機振動試驗中均方根加速度是隨機振動總能量的統(tǒng)計參數(shù)，其峰值加速度不具備正弦振動那種表征意義，因此，隨機振動所需的推力稱為隨機均方根推力。推力的估算原則同正弦振動，利用公式（1）可以計算出試驗所需的隨機均方根推力。要注意的是，有些振動臺，其隨機均方根推力要小于其正弦振動推力。

1.2.2 最大位移的估算

隨機振動試驗前必須對可能達到的最大位移做出估計，不能超過振動臺允許的最大位移。要計算出隨機振動試驗的最大位移，首先應(yīng)找出位移譜密度曲線，計算出均方根位移值，再將均方根位移值乘以三倍得出最大峰值位移；如果位移譜密度是曲線，則必須積分才能計算[2]。在工程應(yīng)用中，往往只要估計一個大概的值即可，下面給出一個簡單的估算公式：

式中：Xpp為最大的峰峰位移（mm）；

W0為F0處的PSD值 (g2/Hz)；

F0為下限頻率（Hz)。

公式（8）是一個用于平直譜的寬帶隨機振動的估算公式，對于非平直譜，上式可用F0頻域上的PSD值W0來近似計算最大位移，和精確計算相比，估算值稍大了一點。如果計算結(jié)果超過振動臺的限值，則試驗不可行，否則會損壞設(shè)備；反之，則試驗可行。

2 受試產(chǎn)品的安裝

受試產(chǎn)品安裝在很大程度上影響著試驗效果。一個好的安裝能夠真實的反映出受試產(chǎn)品在模擬平臺環(huán)境下的響應(yīng)情況，而一個不注重細節(jié)的安裝不僅不能夠反映產(chǎn)品真實情況，而且有可能會發(fā)生損壞產(chǎn)品、試驗設(shè)備甚至造成人員傷害的安全事故。

2.1 夾具的選擇

一般而言，受試產(chǎn)品很難直接安裝在振動臺臺面上，必須使用工裝夾具進行過渡。表面上看起來，工裝夾具僅是個起連接或轉(zhuǎn)接的過渡件，似乎很簡單。但實際上工裝夾具是個很復(fù)雜的問題，它不僅要將受試產(chǎn)品與設(shè)備連成一體，而且還要保證將力不失真地傳給受試產(chǎn)品。一個好的試驗夾具應(yīng)具備方便連接或固定受試產(chǎn)品、傳遞力或其它振動參數(shù)和保持或改變振動方向的功能，鑒定所選擇的夾具是否滿足要求，至少應(yīng)達到[2]：

1）受試產(chǎn)品一階諧振和夾具一階諧振之比應(yīng)限制在0.5-1.4之間，超出時應(yīng)采取相應(yīng)控制；

2）夾具振動加速度傳遞特性應(yīng)在+20dB和-3dB之間，比-3dB還小時，應(yīng)能通過自動增益控制系統(tǒng)提高振動的量級；

3）夾具的非振動試驗方向振動值盡量小，不得大于30%，對個別的點，也不應(yīng)超過50%。

2.2 受試產(chǎn)品的安裝

試驗開始之前，首先要將受試產(chǎn)品牢固地固定在振動臺上，一些小的產(chǎn)品或是外殼受力的產(chǎn)品可以利用杠桿原理的形式固定。較復(fù)雜的產(chǎn)品或是尺寸較大的產(chǎn)品必須使用夾具進行固定。

受試產(chǎn)品與夾具或夾具與振動臺面連接時固定點多一些好，同一平面至少應(yīng)均布四個固定點，連接時，螺栓固定最好使用測力扳手，扭轉(zhuǎn)力矩要根據(jù)振動臺指標確定，力矩過大會損壞臺面螺紋孔，太小會固定不緊。如果沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，可以使用彈簧墊圈，以彈簧墊圈壓平為標準。

在固定受試產(chǎn)品包括試驗夾具時，應(yīng)保持試件整體重心盡可能的與臺面中心一致，對于一些重心較高或是無法在臺面中心安裝的試件，應(yīng)確認低于振動臺給出的安全技術(shù)指標，確認安全后再進行試驗。偏心力矩計算公式為：

其中：A 為容許偏心力矩（N*M）；

W 為試件質(zhì)量（Kg）；

L 為偏心距離（m）；

a 為試驗加速度（m/s2）。

2.3 傳感器的安裝

控制傳感器的安裝直接影響試驗的結(jié)果，所以必須選擇質(zhì)量好、準確性有保障的傳感器作為控制傳感器。控制傳感器的安裝方式有主要有二種。一種是可以用螺釘固定，為了防止干擾，在傳感器下面加絕緣塊，用兩個螺釘分別固定絕緣塊和傳感器；另一種是用膠水粘接，但要保證粘接不破壞夾具或臺面。粘接的強度不如螺接，因此，使用時應(yīng)根據(jù)試驗條件選擇合適的安裝方式。

控制傳感器應(yīng)安裝在固定點或盡可能靠近固定點并與固定點剛性連接的地方。采用夾具安裝的試驗一般有兩種安裝位置:一是選擇在受試產(chǎn)品與夾具分離面上，排除夾具對振動傳遞造成的影響，這種方法有時控制比較困難；二是安裝在夾具與臺面之間比較好控制，但夾具的影響會傳遞到產(chǎn)品上。具體選擇在哪里，應(yīng)視產(chǎn)品、夾具和試驗頻率等條件來決定。

傳感器安裝好之后，將導線連接好，并將導線用膠布固定，固定的原則是振動過程中導線接口和傳感器產(chǎn)生的相動運動越小越好。

測量傳感器的安裝與控制傳感器類似，但測量點必須選擇在產(chǎn)品剛性較大的地方，否則測出的數(shù)據(jù)可能是產(chǎn)品局部振動特性不能反映測點總體的振動情況。

3 控制方式

3.1 單點控制方式

單點控制方式指只安裝一個控制傳器，振動控制儀根據(jù)該傳感器反饋信號與參考信號比較，調(diào)整輸出達到控制振動臺的目的。嚴格而言，振動臺面上各點的振動響應(yīng)不會完全一致，因此從保證試驗有效性的角度而言，單點控制只適用于振動臺面較小，受試產(chǎn)品剛性較好、體積較小，且試驗量級較低的情況。同時，由于其在試驗中只存在一條反饋回路，存在較大的安全隱患，目前已較少采用單點反饋控制方式。

3.2 多點控制方式

當振動臺面尺寸較大或者受試產(chǎn)品體積較大使振動臺面各點加速度差別較大時，一般采用多點控制。多點控制可以采用平均控制、最大控制和最小控制的方式，即振動控制儀從多個控制點取得反饋信號，然后對這些信號進行選擇（最大或最小）或平均作為最終反饋信號，對振動臺進行控制。

多點控制采用最大、最小和平均方式對試驗的效果是不同的。在同一試驗條件下，取最小控制時，振動量級最大；取平均控制時，振動量級次之；取最大控制時振動量級最小。試驗中采用哪種形式，要由試驗?zāi)康摹⒏鞑糠猪憫?yīng)等因素決定。

多點控制不僅有利于提高試驗效果，改善振動響應(yīng)特性等優(yōu)點，而且存在多條反饋回路，有較好的安全保障，是目前主流的控制方式之一。

3.3 響應(yīng)控制

響應(yīng)控制一般裝在產(chǎn)品重要部件附近，防止試驗中這些重要部件因振動量級過大造成損壞，當控制點量級超過給定值時，原來的控制值自動下降，保證控制點的量值不超過給定值，當控制點的量級小于給定值時，控制值恢復(fù)正常，目前主要用于大型產(chǎn)品的試驗控制中。

4 試驗過程及試驗善后

4.1 試驗系統(tǒng)的檢查

為確保試驗的正常進行，必須在試驗前，對各系統(tǒng)進行檢查，保證控制回路、測量通道等都是通暢的。可以從外觀檢測，如接頭是否擰緊，電源插頭是否插好；對于控制及測量系統(tǒng)可以在傳感器附近進行敲擊，看控制器是否有響應(yīng)信號。確認系統(tǒng)連接無誤，各回路工作正常之后，依據(jù)試驗要求設(shè)置試驗參數(shù)。對于振動控制系統(tǒng)一些重要參數(shù)，如振動系統(tǒng)循環(huán)檢測方式、最大輸出電壓等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，在確認有必要修改之前不要修改。

4.2 預(yù)試驗

在正式試驗開始之前要進行預(yù)試驗，預(yù)試驗的目的有兩個，一是了解振動試驗本身各系統(tǒng)的配合情況，知道受試產(chǎn)品初始的振動響應(yīng)值；二是對產(chǎn)品在試驗中的性能進行測試，觀察有無相互干擾的問題。

預(yù)試驗的量級一般采用正式試驗的1/4，試驗時記錄測量結(jié)果。產(chǎn)品工作并測試。預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)當在正式試驗前排除，排除之后再次預(yù)試驗進行確認。

4.3 正式試驗

正式試驗必須有負責人統(tǒng)一安排，嚴格按照試驗條件進行試驗。試驗工作人員和參試人員應(yīng)分開，試驗過程中參試人員應(yīng)在指定地點，不得隨意走動、喧嘩。試驗中應(yīng)有專人負責觀察受試產(chǎn)品，了解產(chǎn)品在整個試驗中的變化并記錄。出現(xiàn)問題或異常現(xiàn)象應(yīng)立即報告負責人。由負責人根據(jù)情況進行處理，其它人員不得發(fā)令。

4.4 試驗結(jié)束后工作

正式試驗結(jié)束后，可以再進行一次附加的試驗響應(yīng)檢查，以對比試驗前后的振動特性，判斷受試產(chǎn)品在試驗后是否有損傷。

當全部的試驗完成后，首先應(yīng)關(guān)閉振動輸出，檢查試驗數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果是否滿足試驗要求。檢查完畢后，取下測試導線并收好，取下傳感器并清洗裝盒，取下受試產(chǎn)品，清潔現(xiàn)場，恢復(fù)試驗前狀態(tài)。

5 結(jié)論

在振動試驗中，受試產(chǎn)品通過適當?shù)脑囼瀶A具安裝在振動臺上，試驗夾具與振動臺的組合用于模擬產(chǎn)品預(yù)期使用過程中產(chǎn)生的力學平臺環(huán)境。在試驗過程中，涉及到控制學、結(jié)構(gòu)動力學等多學科的知識，影響因素較多。這就要求進一步加強對振動試驗技術(shù)人員的知識培訓，提高試驗室質(zhì)量、安全管理水平，細化操作規(guī)程及試驗實施細則，提高試驗室試驗的準確性，保證試驗結(jié)果真實有效。

[1]鐘瓊?cè)A,邱景湖.振動與振動試驗設(shè)備[M].蘇州:蘇州試驗儀器總廠,2004.

[2]胡志強等. 隨饑振動試驗應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:中國計量出版社,1996.