淺談不同設(shè)備做半正弦波沖擊試驗(yàn)的差異

胡凱，車漢生，張仕彬，張旺威，楊湧波

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

一般產(chǎn)品在沒有包裝或防護(hù)的情況下，其在實(shí)際運(yùn)用、運(yùn)輸?shù)冗^程中都會經(jīng)受外界機(jī)械環(huán)境的應(yīng)力（沖擊）影響。外界的沖擊可能會對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能完整性產(chǎn)生一定的不良影響。這種不良影響的程度則一般因?yàn)闆_擊的量級和持續(xù)時(shí)間（次數(shù)）的增減而改變。因此，振動(dòng)臺和沖擊臺均能模擬產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)用、運(yùn)輸?shù)冗^程中的環(huán)境應(yīng)力，進(jìn)而暴露其機(jī)械薄弱環(huán)節(jié)和性能薄弱環(huán)節(jié)。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 的沖擊試驗(yàn)方法和振動(dòng)臺、沖擊臺的沖擊試驗(yàn)原理，對半正弦波沖擊試驗(yàn)展開差異化探討。希望通過本次探討，可以給試驗(yàn)人員在今后試驗(yàn)過程中對設(shè)備的選擇和試驗(yàn)方法提供參考和建議。

1 振動(dòng)臺、沖擊臺的結(jié)構(gòu)、工作原理以及半正弦波沖擊試驗(yàn)的關(guān)鍵要素

在沖擊試驗(yàn)中，常見的設(shè)備的有兩大類，一類是典型的氣動(dòng)沖擊臺和液壓沖擊臺，另一類就是我們熟悉的振動(dòng)臺。氣動(dòng)沖擊臺的工作原理是通過控制軟件系統(tǒng)來設(shè)置氣缸工作壓力、控制沖擊臺的上升、下降、沖擊壓力等信號，通過波形發(fā)生器（羊毛氈或聚氨酯波形發(fā)生器）產(chǎn)生脈寬時(shí)間來實(shí)現(xiàn)沖擊，并通過加速度傳感器同時(shí)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在電腦上通過計(jì)算得出沖擊數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)較為簡單，一般由基座、臺面、導(dǎo)向裝置、沖擊氣缸、行程限制系統(tǒng)、沖擊控制測量系統(tǒng)、儲氣裝置、隔震系統(tǒng)以及配套的沖擊波形發(fā)生器等組成，如圖1 所示。而振動(dòng)臺的沖擊功能原理是控制器控制功率放大器，通過勵(lì)磁線圈產(chǎn)生對應(yīng)的力、加速度、速度和位移（均不超過振動(dòng)臺的額定值）從而產(chǎn)生特定的加速度/脈沖時(shí)間波形，如圖2 所示。

圖1 氣動(dòng)沖擊臺

圖2 振動(dòng)臺

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 中對于半正弦波沖擊試驗(yàn)的關(guān)鍵要素包括以下五點(diǎn)：①脈沖波形（如圖3 所示）：半正弦波，時(shí)間歷程曲線為半正弦波的半個(gè)周期的理想沖擊脈沖；②重力加速度：物體在地球表面由于重力作用所產(chǎn)生的加速度；③脈沖持續(xù)時(shí)間：沖擊脈沖從基準(zhǔn)值上升到最大值，再下降到基準(zhǔn)值所需的時(shí)間；④沖擊的方向（被測樣品的三個(gè)正交軸的每個(gè)方向）和次數(shù)；⑤半正弦波的容差范圍。但沖擊試驗(yàn)的基本前提條件是被測樣品間接（通過夾具）或直接剛性固定在試驗(yàn)臺面上，并且必要時(shí)被測樣品的固定方式應(yīng)與實(shí)際安裝使用的固定方式一致。

圖3 理想的半正弦波示意圖[1]

2 具體試驗(yàn)及分析

2.1 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式，在不同設(shè)備進(jìn)行相同參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

用相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式（如圖4 所示），分別在振動(dòng)臺、沖擊臺上進(jìn)行相同參數(shù)的半正弦波沖擊試驗(yàn)，各采集10 組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖4

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：加速度（a）：25 m/s2；脈沖持續(xù)時(shí)間：6 ms；沖擊次數(shù)：10 次；沖擊方向：-Z 方向。

結(jié)合圖5 觀察沖擊臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1），沖擊臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間的總分布相當(dāng)于振動(dòng)臺較為零散，也就是沖擊臺做出來的半正弦波沖擊波形較為波動(dòng)，尤其是加速度誤差也比較大。結(jié)合圖6 觀察振動(dòng)臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1），振動(dòng)臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間的總體分布較為集中，也就是振動(dòng)臺做出來的半正弦波沖擊波形較為穩(wěn)定。此外，沖擊臺的沖擊加速度還呈現(xiàn)了隨著測試次數(shù)遞增而遞增，波形則隨著測試次數(shù)遞增而遞減。

表1 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、相同的固定方式，在不同設(shè)備進(jìn)行相同參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 沖擊臺沖擊曲線

圖6 振動(dòng)臺沖擊曲線

2.2 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式，在不同設(shè)備進(jìn)行相同參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

用相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式（如圖7 所示），分別在振動(dòng)臺、沖擊臺上進(jìn)行相同參數(shù)的半正弦波沖擊試驗(yàn)，各采集10組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖7

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：加速度（a）：25 m/s2；脈沖持續(xù)時(shí)間：6 ms；沖擊次數(shù)：10 次；沖擊方向：+Z 方向。

結(jié)合圖8 觀察沖擊臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2），由于標(biāo)準(zhǔn)件在沖擊臺上的固定方式采用了夾具過渡，其沖擊加速度呈現(xiàn)出更明顯的遞增現(xiàn)象，而且沖擊加速度誤差更大。結(jié)合圖9 觀察振動(dòng)臺的10 組數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2），振動(dòng)臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間的總體分布也較為集中，沖擊加速度誤差低于1 %，而且表1 和表2 的振動(dòng)臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)很相近。

圖8 沖擊臺沖擊曲線

圖9 振動(dòng)臺沖擊曲線

表2 相同的標(biāo)準(zhǔn)件、不相同的固定方式，在不同設(shè)備進(jìn)行相同參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 分析與結(jié)論

筆者借助試驗(yàn)室現(xiàn)有的振動(dòng)臺、沖擊臺、標(biāo)準(zhǔn)件和傳感器等儀器，通過兩種情況對兩種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)測量，可以明顯得出以下結(jié)論：第一，振動(dòng)臺做半正弦波沖擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比沖擊臺好、控制精度更高、重復(fù)性更好。原因是振動(dòng)臺的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間都是依據(jù)驅(qū)動(dòng)信號而發(fā)生的，而沖擊臺是通過控制器調(diào)節(jié)設(shè)備工作臺面的目標(biāo)上升高度和沖擊加壓壓力，通過瞬間沖擊到不同剛度的波形發(fā)生器上從而得到不同的的沖擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間。所以，因?yàn)樵O(shè)備的工作原理差異導(dǎo)致了試驗(yàn)數(shù)據(jù)到差異化。另一方面，也是由于沖擊臺的波形發(fā)生器是物理材料，其老化程度、軟硬程度都會直接影響到?jīng)_擊加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間。而且，隨著沖擊的次數(shù)增加，波形發(fā)生器也會發(fā)生連續(xù)性疲勞，所以沖擊臺的沖擊加速度還呈現(xiàn)了隨著沖擊次數(shù)遞增而遞增，波形則隨著測試次數(shù)遞增而遞減的現(xiàn)象。第二，在不同的固定方式下，在不同的設(shè)備之間做半正弦波沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)臺的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也比沖擊臺好。這說明被測樣品的固定方式也與試驗(yàn)結(jié)果息息相關(guān)。因?yàn)镚B/T 2423.5 標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了被測樣品要與臺面進(jìn)行剛性固定，而沖擊臺的臺面只能向下進(jìn)行沖擊運(yùn)動(dòng)，但是振動(dòng)臺的臺面是可以上下、前后運(yùn)動(dòng)的。所以在沖擊臺上做半正弦波沖擊試驗(yàn)，被測樣品的一些沖擊方向只能借助夾具進(jìn)行象征式的剛性固定（如圖7所示，其實(shí)樣品處于懸吊式安裝），而在振動(dòng)臺上做半正弦波沖擊試驗(yàn)，樣品只需要利用其本身的固定螺孔或者借助夾具，像振動(dòng)試驗(yàn)一樣將其與臺面進(jìn)行剛性固定則可以進(jìn)行6 個(gè)方向的沖擊試驗(yàn)。因此，被測樣品的不規(guī)范固定方式，也將影響沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語與建議

本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.5 中半正弦波沖擊試驗(yàn)的方法，通過兩種情況下不同設(shè)備之間的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。總結(jié)出了振動(dòng)臺和沖擊臺做半正弦波沖擊試驗(yàn)的差異，也總結(jié)出了不同的固定方式下，運(yùn)用振動(dòng)臺和沖擊臺做半正弦波沖擊試驗(yàn)的差異。為了使試驗(yàn)人員更加明確地選擇試驗(yàn)設(shè)備、更加準(zhǔn)確地進(jìn)行半正弦波沖擊試驗(yàn)，并結(jié)合振動(dòng)臺和沖擊臺的設(shè)備原理，對此提出以下三點(diǎn)建議：

1）被測樣品應(yīng)盡可能地按照實(shí)際安裝方式進(jìn)行直接或通過夾具間接有效地剛性固定在設(shè)備臺面上。夾具應(yīng)有良好的連接特性、較高的傳遞特性和適當(dāng)?shù)倪^渡特性[2]。尤其是樣品利用夾具固定在沖擊臺上進(jìn)行六個(gè)方向的半正弦波沖擊試驗(yàn)時(shí)，夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮每個(gè)方向是否會出現(xiàn)傾覆力矩[3]產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)力疊加，對被測樣品造成“過試驗(yàn)”。對于速度變化量小于2 m/s、對于沖擊次數(shù)少的半正弦波沖擊試驗(yàn)，可以考慮優(yōu)先選擇使用振動(dòng)臺進(jìn)行試驗(yàn)。

2）從經(jīng)濟(jì)效益考慮出發(fā)，對于速度變化量超過2 m/s、對于沖擊次數(shù)多的半正弦波沖擊試驗(yàn)，可以考慮優(yōu)先選擇使用沖擊臺進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)橐话愕恼駝?dòng)臺的最大速度變化量[4]為2 m/s（受限于功率放大器的最大輸出電壓），其負(fù)載能力較弱，而且沖擊頻次不如沖擊臺高。運(yùn)用振動(dòng)臺做速度變化量超過2 m/s 的沖擊試驗(yàn)一般難以實(shí)現(xiàn)，并且測試費(fèi)用相對于沖擊臺較為昂貴。但是沖擊臺的負(fù)載能力強(qiáng)（尤其是氣壓力驅(qū)動(dòng)式?jīng)_擊臺），最大速度變化量可達(dá)15 m/s 而且沖擊頻率可高達(dá)約100 次/分鐘。

3）由于沖擊臺的波形發(fā)生器在使用過程中也會出現(xiàn)材料疲勞，所以選擇沖擊臺進(jìn)行多次數(shù)、高頻次的半正弦波沖擊試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員應(yīng)時(shí)刻地關(guān)注加速度峰值和脈沖波形的變化情況。試驗(yàn)過程中若發(fā)現(xiàn)波形誤差超過標(biāo)準(zhǔn)的容差范圍要求，則應(yīng)該及時(shí)更換波形發(fā)生器或者調(diào)整沖擊臺的臺面沖擊高度。