振动试验方法

可靠性杂坛 2019-12-11 08:06

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一、正弦振动试验

正弦振动试验是试验室经常采用的试验方法。凡是旋转、脉冲、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上）所产生的振动均是正弦振动。

要模拟这些振动环境，需用正弦振动试验。当振动环境是随机的，但又无条件做随机振动试验时，某些情况下可以用正弦振动试验来代替（不是等效）。此外，振动特性试验中，用正弦信号激振是最基本的方法。正弦振动试验控制的参数主要有频率及幅值两个，依照频率是否改变可分为定频和扫频两种。

1.正弦振动试验准备

① 试验夹具的选取与设计

通常，振动台面上有许多安装螺孔，试件也有安装固定孔。这两者的孔一般是不一致的。为了将试件牢固地固定于振动台面上，就必须使用夹具。初看起来夹具仅是连接或转接件，似乎很简单，但实际上夹具是一个相当复杂的问题，因为振动夹具不仅要将试件与振动台面连接在一起，而且还要将振动力不失真地传递给试件。而振动力的传递与频率有关，低频一般比较简单，高频就难了。因为夹具也有共振频率，在夹具共振时，振动力的传递肯定失真。另外，振动夹具质量还必须尽可能小。

试件安装的第一步是将试件牢固地固定在振动台上，一些小试件或外壳能受力的试件可以用压板、压条固定（一定注意根据杠杆原理有支点、加力点和承力点，即必须有三点，否则固定不紧）。较复杂的试件或尺寸较大的试件必须用振动夹具。如果通用夹具能用，可选通用夹具；如果通用夹具不能用，就需设计制造专用振动夹具。

试件与夹具或夹具与振动台面连接点都称为固定点（通常是紧固试件的地方）。固定点一般多一些好，同一平面最少应均布四个孔。连接时，螺栓紧固最好采用测力扳手，扭转力矩根据振动台说明书决定，扭转力矩太大会损坏振动台面的螺纹孔，扭转力矩太小固定不紧。如果振动台使用说明书未给出这样的数据，则可以使用弹簧垫圈，以弹簧垫圈压平为紧固的标准（根据经验）。

② 控制加速度计的安装。控制传感器应安装在控制点上，控制点应选择固定点或尽可能靠近固定点并与固定点刚性连接。可以选在试件与夹具的分离面上，也可以选在夹具与振动台的分离面上。选在试件与夹具分离面上比较合理，排除了夹具对振动传递造成的影响，但控制点是用来取得反馈信号以测量试件运动和验证试验要求的点，它可以是单个点，也可以是多个点（多点控制时的控制点是用人工和自动方法综合处理各控制点信号而建立起来的一个假设点）。

③ 控制加速度计的安装是极为重要的，安装不好将直接影响试验的结果。所以，控制加速度计必须选择质量高的加速度计。安装方式可以用螺钉固定，为了防止干扰，通常在加速度计下面加上绝缘块（玻璃钢或夹布胶木），用两个分离的螺钉分别固定绝缘块和加速度计。也可以用胶黏结，黏结不破坏夹具或台面，但连接强度不如螺接，振动量级不太大（小于20g）时可使用。

加速度计安装好之后，将导线连接好，并将导线用胶布固定在试件或夹具上，避免导线头和加速度计产生相对运动（若导线头与加速度计有相对运动时易松动），容易产生干扰，而且导线头容易松动。

④ 测量加速度计的安装。测量加速度计的安装与控制加速度计的安装类似，但测量点必须选在试件刚性较大的地方，否则测出的振动可能是局部振动，并不反映测点总体的振动情况。

⑤ 控制仪的设置。正弦振动控制仪有多种多样，试验前为将仪器设置好，一般先要了解清楚试验条件。正弦扫描设置比较麻烦，首先设置频率的上下限，然后设置扫描方式（对数还是线性，从下向上扫，还是从上向下扫，或是来回扫），设定扫描次数，再设置扫描速度（dec/min 或 Hz/s）或扫描一次的时间。其次设置试验量级，先设置交越点而后设置试验量级（位移、速度或加速度）。最后设置压缩速度或压缩速率，这是比较难选择的内容，压缩速度太快会出现控制不稳定，当外界一有变化，控制仪立刻做出反应，很快改变输出，常

常会把振动台压死（不振）。反之当压缩速度太慢，则振动控制往往容易超差。因此，必须选择合理的压缩速度。而它又与许多因素有关。如扫描速度、试验频率特性、可允许的失真度、从动滤波器带宽、最低扫描频率等。所以，无法用简单的方法来确定合理的压缩速度。许多仪器都设有自动压缩功能，能满足低频压缩速度低而高频压缩速度高的特点。

控制允差和保护限的设置也是控制仪设置的一项重要内容。目前许多试验条件并没有给允差限，然而，试验误差是客观存在的，国标GB/T 2423.10和标准GJB 150对正弦试验误差的规定如表1所

示。

表1 正弦振动的试验容差表

⑥ 试验系统的导通。无论是控制系统或测量系统，为确保试验的正常进行，必须在试验前对各系统进行导通，保证控制回路、测量通道都是畅通的。各系统均有多个仪器用导线连接而成，连接是否可靠，一方面可以从外观检查，如接头是否拧紧、电源插头是否插好。常用的方法是敲击加速度计附近的区域，从仪器上看是否有反应，反应是否正常。如系统连接有问题，或其中某台仪器没打开，都可以被发现。导通也可以用别的办法，如有些功放自身带有信号发生器，也可以开环给振动台和试件一个单频小振动（小于试验条件的 1/4 量级），观察各仪器的指示和反应判断是否正常。

⑦ 试验准备工作的总检查。试验准备工作就绪以后，必须对各项试验工作进行一次总检查，对每一项准备工作进行评价，这在大型试验中尤为重要。大型试验一般安装复杂，测点多，因此，总检查是十分必要的。例如，测量系统、加速度计的安装、加速度计与电荷放大器的连接、电荷放大器与记录仪的连接、电荷放大器灵敏度的设置、输出挡位设置、高低通滤波器的设置等都需要专人负责，并由另一专人负责校对，最后进行总检查。测点一多，只要错一个环节，可能造成整个测量不准确。经验证明，即使有专人设置、校对、总检查，如果稍不注意，仍会出现错误。

实际试验中可将容差限设置为报警限，试验中止限应比报警限更大。为保证试件的安全，先进的仪器有许多保护功能，如开路保护（无反馈信号时立即停机），-20dB输出（最大输出为1V），控制量级超过规定值的多少dB值就停机等。

控制仪的设置是试验的重要环节，一旦试验开始，整个试验就将按设置的内容进行，设置错了，试验也就错了。设置时必须对每项要设置的内容非常清楚，设置完后必须有专人校对。确认无误后，才开始试验。

2.预试验

在正式试验以前要进行预试验。预试验的目的有两个：一是振动试验本身需要了解各系统的配合情况，需要知道试件初始的振动响应值；二是振动试验中有时还要对试件性能进行测试，试件的测试往往由试件生产部门负责。因此，在正式试验前有必要进行联合试验。观察各系统一起工作有无相互干扰问题。如果有，必须在正式试验前排除。

① 对试件进行检查和机械、电性能的检测。在试验前必须对试件的原始状态进行检查和详细记录。

② 初始振动响应检查。使用正式试验的1/4频级，用1倍频程/min扫描率，进行正弦扫描试验，试验时记录全部测试结果。试件同时工作并进行测试，如果试件工作时影响机械振动特性，应将试件处于不工作状态，再进行一次扫描预试验。

由于预试验是在小量级下进行的，如果需要，可以多次重复，直至达到预试验目的为止。

3.正式试验

正式试验应严格按照试验条件和试验任务书的要求进行。正式试验必须统一指挥，分工明确。试验中指派专人负责观察试件，了解试件在整个试验中的变化并进行记录。

4.最终的振动响应检查

在正式试验结束后，再进行一次附加的振动响应检查，方法与初始振动响应检查一样，以便对比试验前后的振动特性，从而初步确定试验之后是否有损伤。

一般需进行 x，y，z 三个方向的试验，通常依次进行，每个方向均应重复步骤1～4。

5.试验善后工作

当全部试验内容进行完之后，观察试验结果及测试数据（包括振动和试件性能参数）。若比较满意，即可清理现场，将测试导线收好，取下表面的加速度计并清洗装盒，把试件从振动台上取下，恢复试验前状态，准备下次试验。

6.数据和结果整理

凡是试验中测试的数据都需要进行整理，判断其是否正常，有疑问的数据要讨论是否取舍，所有数据、表格、曲线均应签名并校对。

7.编写试验报告。

二、随机振动试验

许多真实的振动环境是随机的，如喷气式发动机和火箭发动机引起的振动、车辆在不平路面行驶引起的振动、飞行器附面层紊流引起的振动等等。因此，要真实地模拟外场振动环境，随机振动试验是不可缺少的。随机振动试验远比正弦振动试验复杂。下面详细介绍随机振动试验的有关内容。

1.随机振动试验和正弦振动试验的等效问题

当人们发现许多振动环境是随机的，而用正弦振动试验不能解决随机的工程问题时，就希望进行随机试验。正弦振动与随机振动不存在一般的等效关系。只是在振动强度中正弦振动和随机振动按疲劳损伤原理存在某种等效，即

式中，A 为等效正弦振幅；r 为正态化系数；f 为频率；Q 为放大系数（响应/输入）；W 为频率f上的谱密度值。

这一公式常用于正弦扫描代替随机振动，但使用条件是在共振峰附近，且局限于疲劳强度等效，而对于考核产品性能的试验不适用。许多产品随机振动试验能通过但正弦振动试验通不过，而实际环境又是随机的。

正弦振动试验的优点如下：①是分析共振频率和阻尼特性（共振时）的有用工具；②是研究振型的好方法；③试验结果极易被工程技术人员理解和使用；④比随机振动试验经济，易于普及。

然而，随机振动试验在大多数情况下更代表实际环境，所有频率成分同时激振而且各个频率的输入振幅是随机变化的。一般，正弦振动试验适合于试件的最初分析阶段，而随机振动试验适用于最终检验。

2.随机振动试验的准备

① 试验夹具的选用和设计。进行随机振动试验和正弦振动试验一样，首先应将试件牢固地固定在振动台台面上。通常情况下必须借助于夹具。

在随机振动试验中，如果夹具选择不好，除会使试件受到失真的振动考核外，还可能使振动控制变得困难，有些地方超差很严重，甚至使试验难以进行。随机振动试验比正弦振动对夹具设计与制作的要求更高，也更严。

② 试件的安装

试件的安装要求基本上与正弦试验一样，只是随机振动更容易使紧固件振松。因此，在每次试验前都应检查紧固件是否松动。在试验过程中如果发现控制不稳定，应停机检查紧固件和传感器的连接，这两种连接有问题时，都会造成控制不稳定。在拧紧安装螺栓时应该使用测力扳手。这样既可以保证拧紧，又保证紧固件不受损伤。这里推荐对 M8 的螺栓拧紧力矩为3.46kg/m；对M10的螺栓拧紧力矩为7.6kg/m。如果没有条件使用测力扳手，在拧紧螺栓时要保证弹簧垫圈刚刚压平，不要用大扳手使劲拧，以防将螺纹拧坏或螺栓拧断。

③ 控制加速度计和测量加速度计的安装

试验前必须按试验条件的要求安装好控制和测量的加速度计。安装方法和注意要点与正弦试验相同。为了防止静电干扰，一般在加速度计和夹具或试件之间加绝缘片和绝缘块，其中绝缘块可以在三个垂直方向上粘加速度计。可用502胶黏结，也可以用小螺钉连接绝缘块，另用小螺钉连接加速度计和绝缘块。

④ 随机振动控制仪设置。随机振动试验的试验条件及控制参数均需要事先（试验前）输入控制仪，由于控制仪的种类不同，需要输入的参数也不尽相同，这里只选较为通用的参数进行说明。

· 选择频率范围。大部分控制仪需要选择频率范围。一般有几档供选择，只要将试验频率上限值输入，控制仪就可以自动选到级合适的频率范围。个别控制仪则不需要选，频率范围是固定的。

· 谱线数和自由度数的选择。数控仪的分辨率是由谱线数决定的，试验带宽除以谱线数就是分辨率。例如，试验频率上限为 2000Hz，试验带宽也就是 2000Hz，如选 200线，则分辨率为 10Hz。选 400 线，则分辨率为 5Hz。常用的谱线数为 200、400 和800。谱线数越多，分辨率越高，但回路时间（即对输出谱进行一次修正的时间）也越长，也就是说要达到同样精度时均衡的时间也加长。在选择谱线数时，如果试验规范谱形简单，可以先选 200 线，只有当它不能满足要求时，例如，谱的设置由于分辨率不够无法设置，或者某频段内均衡后超差严重等，再增加谱线数。

自由度数是统计学上的术语，它实质上代表最后计算结果所具有的独立变量（测量值）数。测量次数（平均数）越多，自由度数就越高。自由度数与功率谱控制精度要求、置信水平有关。一般仪器给出默认值，即按回车键默认值就进入。

· 谱的设置。将试验规范的谱形输入控制仪，一般试验功率谱密度曲线由折线组成，输入前先要了解有几个折点，每个折点处的功率谱密度值（PSD 值）和折点的频率值，起始和最终折线的斜率（单位是 3dB/倍频程）。如果规范给出的值与输入值要求不同，应该换算成要求的值，例如，规范谱一般起始和终点只给出频率和斜率，而不给出 PSD 值，有些仪器输入需要这点的 PSD 值，那么就需要计算，并按规范谱将各折点数据依次输入仪器。

· 容差的设置。随机振动试验的容差由两部分组成，即谱形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制谱形的，后者是控制总能量的。而设置的容差又分为报警限和终止限，试验中控制谱或均方根加速度超过报警限，仪器报警但不停止试验；超过中止限就要切断输出，停止试验。容差的设置一般应按试验条件的要求设置，可以全频段只设一种，也可以分频段设置不同值。如果试验条件没给出容差要求，推荐使用谱容差如下：报警极限±3dB，中止极限±6dB。均方根容差报警极限±5dB，中止极限±3dB。

有些仪器还要设置允许超过谱线的数目，这就与置信度有关，如果置信度为 90%，那么允许10%超限，即 400 线，可最多允许 40 条超限。虽然这种说法不是很严格，但一般试验中可以这样使用。

· 预试量级的设置。随机振动试验首先要在低量级下均衡，均衡完成后，逐步将量级升至试验量级。通常均衡量级要很低，这样不会对试件造成损伤。但低量级均衡到高量级做试验会出现非线性问题，均衡好的谱还要修正。因此，在什么量级下进行均衡、分几个量级、用多长时间升到试验量级都需要设置。如果试验条件没给出特殊要求的话，推荐设五个预置量级，即-12dB、-9dB、-6dB、-3dB、0dB，上升时间以 30～60s 为宜。GB/T 2423 规定，在正式随机试验前，所允许的预调激励时间（即建立时间）如下：

a.小于规定量级的25%（-12dB），无时间限制。

b.在规定量级的25%～50%（-12～-6dB），其时间不大于规定时间的1.5倍。

c.在规定量级的50%～100%（-6～0dB），其时间不大于规定时间的10%。

上述建立的时间不应从规定试验中扣除。有些随机振动试验一共才几十秒的时间，其预置量级上升的时间不能设得太长，但太短又恐怕不稳定，造成短期过试验。因此，对于时间不长的试验，特别要注意在-3dB试验量级上停留时间不能太长。如果试验时间很长，如几个小时，这些就无关紧要了。

⑤ 试验系统的导通

试验前，无论是控制系统还是测量系统，都需要导通。所谓导通，就是看系统连接是否有效、是否可靠，一般常用的方法是给试件及振动台一个段击，观察传感器、电荷放大器及示波器有无反应。试验前的导通工作十分重要，它是进行安全试验，提高测量可靠性的有效方法。

3.随机振动的预试验

一般大型随机振动试验在试验准备工作做完后都要进行预试验。其目的是通过小 t 级的振动试验了解系统工作是否正常、试件安装是否合适，并了解试验的振动特性，观察控制曲线和驱动曲线，估计正式试验是否会出现什么问题，想办法解决出现的各种问题。

① 用试验量级的1/4（-12dB）进行随机振动的预试验，时间为60s。记录全部测点的影响，画出控制曲线及驱动曲线，观察功放最大的输出电压和电流。通过试验了解各系统工作是否正常，控制曲线是否完全满足容差要求，驱动曲线的动态范围是否达到控制仪的极限，功放的最大输出电压和电流是否小于额定值的1/4。研究这些问题是为了估计满t级试验是否有把握，在预试验中出现的问题必须解决，如果要解决的问题较多，预试验还可以重复进行，直至满意为止。

②频率特性测量

用正弦振动测量试件的频率特性，选择试件上有代表性的若干个测点，给振动台面施加一定加速度值（由表 2给出），在整个试验频率范围内进行扫描试验，扫描速率为1倍频程，记录各测点的频率响应曲线。

表2 频率特性测量时附加的正弦扫描量级

③ 试验件的初始检查

许多试件要求在随机振动试验过程中进行测试。因此，在正式试验前必须对试件进行初始检查及通电测试，并记录初始静态数据，还可以利用预试过程观察试件各参数在预试验中的变化。

4.正式随机振动试验。

预试验顺利后就可以开始正式试验。正式试验的注意事项和中断处理与正弦试验基本相同。其中要强调的是试验由一个人统一指挥，各岗位分工明确，职责清楚，试验中出现问题及时报告指挥，由指挥处理。每次试验结束，要检查一下控制曲线及测量信号是否已记录下来。

一般试验要进行x，y，z，3 个方向的试验，三个方向依次进行，但换一个方向后应从预试验开始。因为更换方向，许多部分都要重新连接，重新安装。

在每一方向正式试验做完后，在同样的状态下，按预试验中第二项再做一次频率特性测量，使用的试验参数完全相同，记录下各测点的频率响应曲线。

5.数据处理及编写试验报告。

正式试验全部结束后，试验现场可以清理，试件、夹具拆卸后分别送走，测量系统也要收线，拆下传感器清洗处理后准备下一次再用。

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