振动试验介绍

日期：2008年10月23日

1. 试验目的与意义

振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。

2. 振动破坏机理分析

关于振动破坏机理的假设所谓试验结果的等效性，必须基于特定的试验理论来加以评定。对振动环境试验来说， 在考虑试验目的和试验方法时所遇到的主要问题都与特定的振动破坏机理有关。由于对这一问题尚未进行系统的实践与理论研究， 目前只能进行初步的综合推理，以作出若干关于振动破坏类型和机理的假设，为简明起见，列表说明如下：

表1 关于振动破坏机理的假设

振动试验种类和时间的决定根据表中的有关振动破坏类型便可以决定相应的振动试验种类，而基于有关破坏机理也就能够确定其试验时间。

1. 按照一般材料疲劳曲线的特性，曲线大多在“一次之间存在某种转折，随后曲线大体上就水平地延伸。因此从工实用出发，通常是取转折点处的应力为持久极限应力，取了次作为检验试件是否具有永久疲劳寿命的应力循环次数对于主要目的是检验试件振动疲劳特性的振动强度试验来说，如果要求试件能在工作环境中长时间工作，则一般也是取次作为振动试验次数。对于一次使用或短时间工作的试件，可按其寿命时间试验之。

2. 对于振动性能失灵破坏，一般认为，振动所引起的损坏作用具有不累积的性质。即相对于一定的振动条件而言，振动开始不久性能是否失灵即可表现出来，一旦振动停止，其性能一般又可恢复正常。所以振动性能试的时间大致可取试件在实际工作中每次连续经受振动的最长时间例如，最大续航时间。但是，一方面由于振动性能破坏机理尚不成熟，另外也鉴于有关标准大多取最严重振动量值为试验量值，西这种最严重量值又并非在相连续工作时间内始终能经常出现的，所以上述取法也不尽合理。总之，对于性能试验时间，目前尚未有一致的规律性认识，大致是由实践经验决定，各国标准中的有关规定也不统一。

3. 对于工艺可靠性破坏，大致可分两类一类是常见的所谓工艺处理错误，例如假焊、脱胶、螺钉松动或过紧、连接件脱开、部件互相撞击等等。对此，通常认为可以在较大振动量值下经短时间试验来加以发现，第二类是在振动过程中设备内存在机械磨损或是在振动时同时存在化学腐蚀、气候腐蚀或是产生蠕变、内耗之类的变化，使振动强度不断降低。为了检验这类试件的耐振动特性，必要时应当按整个工作或寿命时间进行试验。

当然，对于上列几类试验可以规定不同的试验程序和参数以供分别选择实施，也可以结合起来，通过规定一种试验来体现，甚至根据情况，某些试验也可以不作等等。

3. 振动试验台的选择

在振动试验室内使用的激励设备就是振动台。用于振动试验的振动台系统从其功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向（单自由度）和多向（多自由度）振动台系统。从振动台激振方式上可分为三类：机械式、电液式和电动式。

试验中究竟使用哪种振动台，首先要看试验频率范围。电液台适用于中低频范围，电动台适用于中高频范围，机械台频率范围最窄。此外还要从推力大小、波形优劣、控制的方便性等方面综合考虑。实际使用中以电动式振动台应用范围最广，约占60%以上，特别是在宽带随机振动试验领域。但随着使用目的与要求的不同，在选择振动台时还需注意以下几点:

1. 由于电动振动台波形失真度最小，在很宽的范围内可达到1%～3%，甚至更低，且信噪比高，因此作为计量标准用的振动试验台，通常选用电动振动台，而且一般选用永磁式振动台。

2. 电液台具有大推力、超低频、长冲程、重负载等四大优点，因此适合推力超过200kN，频率用到超低频（1Hz以下）的振动试验。

3. 机械台只能用于几赫兹到100Hz，其直接驱动时频率范围更窄。机械式振动台比较容易转垂直、水平振动或倾斜振动等振动方向，而且机械台结构牢固、价格低廉，但它一般只能用于正弦试验。振动控制设备是振动试验室内用来控制振动台的装置，按其功能一般分为正弦控制仪、随机控制仪和多功能控制仪三类。正弦振动控制仪的选取一般应根据试验的要求考虑频率范围、交越点数目、扫描速率范围及扫描方式。

选择随机振动控制仪（或系统）时，首先要根据使用要求，即要进行何种类型的试验，一般只要能满足试验要求的控制仪就可以。在数字式控制仪刚刚出现时，多半都是多用途的控制仪，目前单一功能和多用途的振动控制仪并存。多用途控制仪用于大型振动试验室和研究所试验室，而单一功能的控制仪适用于工厂振动试验室，直接为生产服务。

4. 振动试验台的工作原理

下面介绍机械式振动台和电磁式振动台的工作原理，其他试验台的可参考文献《振动测试技术》。

1. 机械式振动台

机械式振动台有连杆偏心式和惯性离心式两种。它们的工作原理如图1所示。

图1 机械式振动台的工作原理

惯性离心式振动台是基于旋转体偏心质量的惯性力而引起振动平台的振动来工作的。连杆偏心式振动台是基于偏心轮转动时，通过连杆机构而使工作台作交变正弦运动来工作的。振幅大小可用改变偏心距的大小来调节，频率可用改变电动机转速来调节。由于机械摩擦和轴承损耗的影响，这种振动台频率一般不能超过50Hz。连杆偏心式振动台的主要优点是能够得到很低的频率，且振幅与频率的变化无关；主要缺点是不能进高频激振，小振幅时失真度较大。一般来说，连杆偏心式振动台的有效频率范围为0.5Hz～20Hz；惯性离心式振动台的有效频率范围为10Hz～70Hz，且振幅在大于0.1mm以上时效果较好。机械式振动台的优点是结构简单，容易产生比较大的振幅和激振力；缺点是频率范围小，振幅调节比较困难，机械摩擦易影响波形，使波形失真度较大。

2. 电磁式振动台

电磁式振动台的工作原理与电磁式激振器相同，只是振动台有一个安装被激振物体的工作平台，其可动部分的质量较大。控制部分由信号发生器和功率放大器等组成。控制箱与振动台之间由电缆连接。电磁振动台的种类很多，目前，除了正弦波振动台以外，还有随机振动台等。电磁式振动台的频率范围很宽，可从近于零赫兹到几千赫兹，最高可达几十千赫兹。电磁式振动台的优点是，噪音比机械式振动台小，频率范围宽，振动稳定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。缺点是有漏磁场的影响，有些振动台低频特性较差。电磁式振动台的外形如图2所示。

图2 电磁式振动台

电磁式振动台的结构原理与电磁式激振器极为相似，如图3示。它的驱动线圈绕在线圈骨架上，通过连杆与台面刚性连接，并由上下支撑弹簧悬桂在振动台的外壳上。振动台的固定部分是由高导磁材料制成的，上面绕有励磁线圈，当励磁线圈通以直流电流时，磁缸的气隙间就形成强大的恒定磁场，而驱动线圈就悬挂在恒定磁场中。

图3 电磁式振动台结构原理图

当驱动线圈通过交流电流i= Imsinωt时，由于磁场的作用，在驱动线圈上就产生电磁感应力F，从而使驱动线圈带动工作台面上下运动。电磁感应力F的大小

F= BL Imsinωt

式中：

B为空气气隙中的磁感应强度；

L为驱动线圈导线的有效长度；

Im为驱动线圈中的电流幅值；

ω驱动交流电流的圆频率。

因此，改变驱动交流电流的大小和频率，就能改变工作台面的振动幅值的大小及振动的频率。电磁式振动台的控制系统如图4示。

图4 电磁式振动台控制系统

控制系统分为三路，一路是励磁部分，它主要给励磁线圈提供励磁电流而产生

恒定的磁场；另一路是激励部分，它主要由信号发生器和功率放大器等组成，其输出信号接到振动台的驱动线圈上，以使其产生频率和幅值均为可调的振动信号；第三路是测量部分，其传感器装在台体内，测量放大器的输出可接各种显示和记录设备。该部分用来测量台面的位移、速度和加速度值。整个控制系统组装在控制柜中。目前一些先进的振动台还装有微处理器。下图5是UDC生产的振动台。

图5 Unholtz-Dickie Corporation生产的T2000系列振动台

5. 振动试验夹具

电工电子产品品种繁多，形状大小不一，所以通常都会设计配套夹具进行测试。夹具是为把试验件牢固地固定在振动台工作台面上，并把振动台的振动传给试验件，它的质量直接关系着试验的质量。但目前对试验夹具的重要性普遍重视不够，尤其是在国内，一些试验人员仅凭感觉来设计夹具，设计时缺乏必要的计算分析，也没有必要的检验测试。这样的夹具传递的振动往往存在着很大的失真，夹具上各点的振动量值相差很大，也就是均匀度很差。在测试频段内存在多阶共振，振动控制非常困难。有些夹具材料选用不当，质量过大，消耗能量多。

夹具设计的原则是在满足试件安装的前提下，夹具尽可能有低的质量，高的刚度，在试验频段内尽可能不出现和少出现共振。夹具的材料多采用镁和铝，因为这两种金属比钢的质量小，阻尼特性比钢好，加工成本低。小型夹具通常用整块材料加工而成，大的夹具有用焊接和铸造的方法制作。设计时应首先明确试验条件，如正弦和随机振动能级和允差，正弦扫描的频率范围，随机振动功率谱密度曲线，安装条件，允许的加速度不均匀度及横向振动等。然后计算夹具的共振频率及质量，使之满足试验要求。对于小试件，夹具的共振频率不允许低于1000Hz，同时应达到试件最低频率的3～4倍。夹具加工完成后应进行必要的检验，对于重要和常用的夹具，如转接板、扩展台等，要进行全面的性能测试，以保证试验的正确性。

6. 振动信号

对于振动信号的分析包括快速富里叶变换（FFT），频谱分析，凝聚分析，相关分析等。而对于应力信号主要是分析应力循环，为室内模拟试验提供载荷谱编制一般使用的方法是雨流法，用雨流法提取信号中的应力循环次数和幅值，再根据概率统计分析出应力循环幅值的概率分布曲线，由此就可以得到各种分级的载荷谱。而记录仪和分析仪可以直接使用专门的记录分析设备，也可以采用计算机系统。专用频谱分析仪以美国HP公司的产品为代表。专用分析仪具有速度快，操作简单等优点。除了可以做频谱分析外，许多设备还可以做模态分析，是振动系统动力分析的强有力助手。随着计算机技术的发展，采用计算机来做频谱分析的越来越多，现在有许多计算机软件都带有FFT程序，特别是Matlab软件具有许多的频谱分析函数。由于计算机的运算速度不断加快，磁盘的存储容量不断加大，现在越来越多的试验室里都是直接利用计算机来记录信号、实时分析，以及发生信号，控制试验。

7. 总结

随着产品使用环境的日益复杂化，振动试验作为环境可靠性试验的一个重要项目，正向着更可靠、高效率、低成本的方向发展。

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