基于GB/T 2423.10-2019正弦振動試驗的試驗方法研究

胡凱，黃鯤，張仕彬

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

振動試驗是產品在設計開發階段、驗證階段重要的可靠性驗證試驗環節，它能夠在振動臺提供的模擬力學環境下模仿設計開發的產品在未來的使用、安裝和運輸過程中受到外界的各種破壞力或自身的共振對產品造成的影響[1]。同時給予設計/結構工程師評價產品結構、評價產品在預期復雜的力學環境中的使用壽命提供有力的參考和分析價值。

日常的振動試驗主要分為正弦振動和隨機振動兩大類。本文結合標準GB/T 2423.10-2019《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）》，對正弦振動試驗技術展開探討，并以實際測試為例進行具體說明。希望通過本次探討，加深試驗技術人員對振動試驗的理解，提高測試項目的檢測水平。

1 GB/T 2423.10電工電子產品的正弦振動試驗

正弦振動是振動參量可由時間自變量的正弦函數描述的一種周期性往復運動。安裝在飛機、車輛或船舶上的結構部件或功能性部件均容易因使用環境的特質而產生典型的正弦振動。正弦振動試驗的主要目的是幫助開發設計人員尋找產品自身結構的缺陷、考核產品的疲勞性強度或模擬產品在實際使用中可能受到較為單一的、呈正弦函數規律性變化的力學可靠性環境試驗。

標準GB/T 2423.10-2019《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）》為常用的汽車正弦振動試驗方法標準，試驗主要包含以下幾個重點要素：

1.1 試驗條件的確認和設備的選擇

頻率范圍、振幅（位移幅值或加速度幅值）、交越頻率點、掃頻速率、振動方向和試驗持續時間都是振動試驗的基本條件，缺一不可。

試驗設備的選擇我們可以根據基本公式：

式中：

F—要求設備輸出的推力；

M1—設備動圈質量；

M2—夾具質量；

M3—樣品自重質量；

M4—拓展臺面質量，

A—加速度幅值。

根據式（1）來確定設備是否滿足試驗要求的加速度。對于相對而言的小型樣品進行大加速度試驗，在實驗室配套允許的情況下我們可以選擇小型拓展臺面/大加速度的振動臺。反之相對而言的大型樣品進行小加速度試驗，我們則可以選擇大型拓展臺面/小加速度的振動臺。

此外，加速度幅值（A）、速度（V）、位移幅值（D）三個振動參數也存在如下關系[2]：

式中：

A—試驗加速度（m/s2）；

V—試驗速度（m/s）；

ω—角速度（ω=2πf）；

f—試驗頻率（Hz）；

D—單峰位移幅值（mm）。

1.2 樣品與振動臺要剛性固定

剛性固定[3]的基礎就是要求試驗人員要盡可能地接近理想狀態將樣品一動不動地按照實際使用狀態與振動臺“連接”在一起。因此樣品還要根據臺面的孔徑、孔距設計夾具。此外振動試驗前應對試驗夾具進行振動響應檢查[4]。夾具的振動響應檢查，我們則以其一階共振頻率是否在目標試驗頻率范圍內作為最基礎的初步判斷夾具是否符合試驗的要求。

而且樣品的安裝、固定方式應避免因垂直于規定振動軸線的檢測點上的最大振幅而產生的橫向運動[5]和由于自身尺寸大或高質心在正弦激勵下產生的傾覆力矩。對于因傾覆力矩產生的旋轉運動[5]，我們可以通過考慮樣品的質量Ma，振動臺的動圈、拓展臺面以及夾具的質量Mb，樣品的質心與振動臺延伸軸線的距離D和樣品質心到振動臺水平推力軸線的高度H，得到理論上剛性樣品最大預計傾覆力矩F。可用最大激勵加速度A計算得出：

帶偏心質量的剛體：

水平激勵下，高質心的剛體：

1.3 樣品的固定點和檢測點

標準中特別對固定點和監測點進行了定義和作用解釋，并說明了傳感器要在干擾盡可能小的前提下盡可能地安裝在最優的固定點上作檢測或監控。

2 具體試驗及分析

不正確的試驗方法將會導致樣品呈現出錯誤的物理結構動態特性結果，而不準確的振動試驗結果，將會誤導結構工程師對確定樣品機械結構和動態特性的錯誤判斷。我們應在設備自身不可避免的誤差下，盡可能地規范試驗方法從而提高樣品振動試驗的高再現性，從而更真實地模擬樣品在實際使用過程中的顛簸場景或更準確地找出樣品的結構脆弱的位置。

筆者借助試驗室現有的振動臺、標準件樣品和傳感器等儀器，通過大量試驗，總結影響振動試驗結果的相關因素。下文通過具體的試驗數據，分析相關因素對試驗結果造成的影響。

圖1 響應傳感器分別貼在1、2、3、4位置

2.1 傳感器的布置

正弦參數設置如下：

頻率范圍5～2 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

監測傳感器分別在圖1所示的四個位置上進行監測，測試結果見表1，測試曲線圖見圖2～5。

從表1數據總結可見，如果控制傳感器布置在響應傳感器的位置，加上拓展臺面自身的響應特性，會使夾具控制信號失真，有可能造成共振疊加。所以，振動試驗的傳感器應盡可能地布置在拓展臺面中心

2.2 試驗夾具

正弦參數設置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

表1 測試結果

圖2 貼在1位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

圖3 貼在2位置的5～2 000Hz正弦振動曲線

樣品分別用2種不同的夾具進行固定。第一種方式：將拓展臺面當做樣品的夾具，然后樣品固定在拓展臺面上（如圖6所示）以上述參數進行測試。第二種方式：將動圈當做樣品的夾具，樣品直接固定在振動臺動圈上（如圖8所示）以上述參數進行測試。測試結果見表2，測試曲線圖見圖7和圖9。

圖4 貼在3位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

圖5 貼在4位置的5～2 000 Hz正弦振動曲線

表2 測試結果

圖6 樣品固定在拓展臺面上

圖7 51 000 Hz正弦振動曲線

圖8 樣品固定在振動臺動圈上

圖9 5～1 000 Hz正弦振動曲線

從表2數據總結可見，樣品固定在拓展臺面上測得的一階共振頻率很有可能是臺面自身的一階共振頻率。而樣品固定在動圈上測得的不存在一階共振頻率的結果更為準確。

2.3 樣品不同的安裝方式

正弦參數設置如下：

頻率范圍5～1 000 Hz；加速度0.25 g；幅值比大于1.5；掃頻速率1 Oct/min。

樣品分別用2種不同的夾具進行固定。第一種方式：將樣品的三個安裝孔螺栓直接剛性連接臺面，一個安裝孔用拱形工具固定（如圖10所示）以上述參數進行測試。第二種方式：將樣品的四個安裝孔均用拱形工具固定（如圖12所示）以上述參數進行測試。測試結果見表3，測試曲線圖見圖11和圖13。

表3 測試結果

圖10 用拱形工具壓樣品一個角

圖11 5～1 000 Hz正弦振動曲線

圖12 用拱形工具壓樣品四個角

圖13 5～1 000 Hz正弦振動曲線

從表3數據總結可見，樣品通過自身的螺孔與臺面螺孔一一對應進行剛性固定所測得的共振頻率更加準確。而通過拱形工具將樣品“彈性安裝”在臺面測得的共振頻率出現漂移。

3 振動試驗方法建議

1）控制傳感器應盡可能地在拓展臺面上居中布置，并且盡可能地靠近樣品與夾具的固定點，這樣能避免控制信號的衰減或失真造成的“欠試驗”或“過實驗”；

2）振動試驗的夾具應有良好的連接特性、較高的傳遞特性和適當的過渡特性[4]。夾具與樣品的組合中心盡可能地落在振動臺的中心線上。夾具與振動臺面連接時，螺栓擰進振動臺面上螺孔的深度至少要等于螺栓直徑的兩倍。此外，夾具要考慮其材料的剛度和疲勞特性。對材料的剛度有很大的要求，剛度不足樣品容易損壞。通常我們用公式：

式中：

f—響應頻率；

k—材料剛度；

m—質量。

也就是說，要想提高響應頻率，就要盡量減輕夾具的重量[6]。

3）樣品的固定方式應優先采用螺旋剛性連接，盡量避免“壓板-墊塊”方式；樣品的固定方式應盡可能地模擬實際安裝、使用狀態。

4 結論

本文結合GB/T 2423.10電工電子產品的正弦振動試驗方法的介紹，以及承擔振動能力驗證和平常的振動試驗積累，對振動試驗的方法進行了簡單探討，也對傳感器的不同位置布置、不同夾具的樣品安裝方式、樣品的不同固定方式所產生的振動試驗結果的主要影響因素進行了技術分析和探討，為相關振動試驗提供一定的技術建議和參考。