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隨機(jī)振動試驗測試方法詳解

實際的場合中,許多真實的振動環(huán)境是隨機(jī)的,如噴氣式發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)引起的振動、車輛在不平路面行駛引起的振動、飛行器附面層紊流引起的振動等等。因此,要真實地模擬外場振動環(huán)境,隨機(jī)振動試驗是不可缺少的。隨機(jī)振動試驗遠(yuǎn)比正弦振動試驗復(fù)雜。

1.隨機(jī)振動試驗和正弦振動試驗的等效問題
當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)許多振動環(huán)境是隨機(jī)的,而用正弦振動試驗不能解決隨機(jī)的工程問題時,就希望進(jìn)行隨機(jī)試驗。正弦振動與隨機(jī)振動不存在一般的等效關(guān)系。只是在振動強度中正弦振動和隨機(jī)振動按疲勞損傷原理存在某種等效,及A 為等效正弦振幅;r 為正態(tài)化系數(shù);f 為頻率;Q 為放大系數(shù)(響應(yīng)/輸入);W 為頻率f上的譜密度值。

這一公式常用于正弦掃描代替隨機(jī)振動,但使用條件是在共振峰附近,且局限于疲勞強度等效,而對于考核產(chǎn)品性能的試驗不適用。許多產(chǎn)品隨機(jī)振動試驗?zāi)芡ㄟ^但正弦振動試驗通不過,而實際環(huán)境又是隨機(jī)的。
正弦振動試驗的優(yōu)點如下:
①是分析共振頻率和阻尼特性(共振時)的有用工具;
②是研究振型的好方法;
③試驗結(jié)果極易被工程技術(shù)人員理解和使用;
④比隨機(jī)振動試驗經(jīng)濟(jì),易于普及。
然而,隨機(jī)振動試驗在大多數(shù)情況下更代表實際環(huán)境,所有頻率成分同時激振而且各個頻率的輸入振幅是隨機(jī)變化的。一般,正弦振動試驗適合于試件的最初分析階段,而隨機(jī)振動試驗適用于最終檢驗

2.隨機(jī)振動試驗的準(zhǔn)備
① 試驗夾具的選用和設(shè)計
進(jìn)行隨機(jī)振動試驗和正弦振動試驗一樣,首先應(yīng)將受試設(shè)備牢固剛性地固定在振動臺臺面上。對于各類電子組件、印制電路板、精密的儀器儀表通常情況下需要借助于夾具,將受試設(shè)備固定在夾具上,通過夾具將受試樣品固定在振動試驗臺面上。
在隨機(jī)振動試驗中,如果夾具選擇不好,除會使試件受到失真的振動考核外,還可能使振動控制變得困難,有些地方超差很嚴(yán)重,甚至使試驗難以進(jìn)行。隨機(jī)振動試驗比正弦振動對夾具設(shè)計與制作的要求更高,也更嚴(yán)。
② 試件的安裝
隨機(jī)振動更容易使緊固件振松。因此,在每次試驗前都應(yīng)檢查緊固件是否松動。在試驗過程中如果發(fā)現(xiàn)控制不穩(wěn)定,應(yīng)停機(jī)檢查緊固件和傳感器的連接,這兩種連接有問題時,都會造成控制不穩(wěn)定。
在擰緊安裝螺栓時應(yīng)該使用測力扳手。這樣既可以保證擰緊,又保證緊固件不受損傷。這里推薦對 M8 的螺栓擰緊力矩為3.46kg/m;對M10的螺栓擰緊力矩為7.6kg/m。如果沒有條件使用測力扳手,在擰緊螺栓時要保證彈簧墊圈剛剛壓平,不要用大扳手使勁擰,以防將螺紋擰壞或螺栓擰斷。
③ 控制加速度計和測量加速度計的安裝
試驗前必須按試驗條件的要求安裝好控制和測量的加速度計。安裝方法和注意要點與正弦試驗相同。為了防止靜電干擾,一般在加速度計和夾具或試件之間加絕緣片和絕緣塊,其中絕緣塊可以在三個垂直方向上粘加速度計??捎?02膠黏結(jié),也可以用小螺釘連接絕緣塊,另用小螺釘連接加速度計和絕緣塊。
④ 隨機(jī)振動控制儀設(shè)置
隨機(jī)振動試驗的試驗條件及控制參數(shù)均需要事先(試驗前)輸入控制儀,由于控制儀的種類不同,需要輸入的參數(shù)也不盡相同,這里只選較為通用的參數(shù)進(jìn)行說明。
選擇頻率范圍。大部分控制儀需要選擇頻率范圍。一般有幾檔供選擇,只要將試驗頻率上限值輸入,控制儀就可以自動選到級合適的頻率范圍。個別控制儀則不需要選,頻率范圍是固定的。
譜線數(shù)和自由度數(shù)的選擇。數(shù)控儀的分辨率是由譜線數(shù)決定的,試驗帶寬除以譜線數(shù)就是分辨率。例如,試驗頻率上限為 2000Hz,試驗帶寬也就是 2000Hz,如選 200線,則分辨率為 10Hz。選 400 線,則分辨率為 5Hz。常用的譜線數(shù)為 200、400 和800。譜線數(shù)越多,分辨率越高,但回路時間(即對輸出譜進(jìn)行一次修正的時間)也越長,也就是說要達(dá)到同樣精度時均衡的時間也加長。在選擇譜線數(shù)時,如果試驗規(guī)范譜形簡單,可以先選 200 線,只有當(dāng)它不能滿足要求時,例如,譜的設(shè)置由于分辨率不夠無法設(shè)置,或者某頻段內(nèi)均衡后超差嚴(yán)重等,再增加譜線數(shù)。
譜的設(shè)置。將試驗規(guī)范的譜形輸入控制儀,一般試驗功率譜密度曲線由折線組成,輸入前先要了解有幾個折點,每個折點處的功率譜密度值(PSD 值)和折點的頻率值,起始和最終折線的斜率(單位是 3dB/倍頻程)。如果規(guī)范給出的值與輸入值要求不同,應(yīng)該換算成要求的值,例如,規(guī)范譜一般起始和終點只給出頻率和斜率,而不給出 PSD 值,有些儀器輸入需要這點的 PSD 值,那么就需要計算,并按規(guī)范譜將各折點數(shù)據(jù)依次輸入儀器。
容差的設(shè)置。隨機(jī)振動試驗的容差由兩部分組成,即譜形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制譜形的,后者是控制總能量的。而設(shè)置的容差又分為報警限和終止限,試驗中控制譜或均方根加速度超過報警限,儀器報警但不停止試驗;超過中止限就要切斷輸出,停止試驗。容差的設(shè)置一般應(yīng)按試驗條件的要求設(shè)置,可以全頻段只設(shè)一種,也可以分頻段設(shè)置不同值。如果試驗條件沒給出容差要求,推薦使用譜容差如下:報警極限±3dB,中止極限±6dB。均方根容差報警極限±5dB,中止極限±3dB。
預(yù)試量級的設(shè)置。隨機(jī)振動試驗首先要在低量級下均衡,均衡完成后,逐步將量級升至試驗量級。通常均衡量級要很低,這樣不會對試件造成損傷。但低量級均衡到高量級做試驗會出現(xiàn)非線性問題,均衡好的譜還要修正。因此,在什么量級下進(jìn)行均衡、分幾個量級、用多長時間升到試驗量級都需要設(shè)置。如果試驗條件沒給出特殊要求的話,推薦設(shè)五個預(yù)置量級,即-12dB、-9dB、-6dB、-3dB、0dB,上升時間以 30~60s 為宜。GB/T2423.56規(guī)定,在正式隨機(jī)試驗前,所允許的預(yù)調(diào)激勵時間(即建立時間)如下:
a.小于規(guī)定量級的25%(-12dB),無時間限制。
b.在規(guī)定量級的25%~50%(-12~-6dB),其時間不大于規(guī)定時間的1.5倍。
c.在規(guī)定量級的50%~100%(-6~0dB),其時間不大于規(guī)定時間的10%。
⑤ 試驗系統(tǒng)的導(dǎo)通
試驗前,無論是控制系統(tǒng)還是測量系統(tǒng),都需要導(dǎo)通。所謂導(dǎo)通,就是看系統(tǒng)連接是否有效、是否可靠,一般常用的方法是給試件及振動臺一個段擊,觀察傳感器、電荷放大器及示波器有無反應(yīng)。試驗前的導(dǎo)通工作十分重要,它是進(jìn)行安全試驗,提高測量可靠性的有效方法。
3.隨機(jī)振動的預(yù)試驗
一般大型隨機(jī)振動試驗在試驗準(zhǔn)備工作做完后都要進(jìn)行預(yù)試驗。其目的是通過小 t 級的振動試驗了解系統(tǒng)工作是否正常、試件安裝是否合適,并了解試驗的振動特性,觀察控制曲線和驅(qū)動曲線,估計正式試驗是否會出現(xiàn)什么問題,想辦法解決出現(xiàn)的各種問題。
① 用試驗量級的1/4(-12dB)進(jìn)行隨機(jī)振動的預(yù)試驗,時間為60s。記錄全部測點的影響,畫出控制曲線及驅(qū)動曲線,觀察功放最大的輸出電壓和電流。通過試驗了解各系統(tǒng)工作是否正常,控制曲線是否完全滿足容差要求,驅(qū)動曲線的動態(tài)范圍是否達(dá)到控制儀的極限,功放的最大輸出電壓和電流是否小于額定值的1/4。研究這些問題是為了估計滿t級試驗是否有把握,在預(yù)試驗中出現(xiàn)的問題必須解決,如果要解決的問題較多,預(yù)試驗還可以重復(fù)進(jìn)行,直至滿意為止。
②試驗件的初始檢查
許多試件要求在隨機(jī)振動試驗過程中進(jìn)行測試。因此,在正式試驗前必須對試件進(jìn)行初始檢查及通電測試,并記錄初始靜態(tài)數(shù)據(jù),還可以利用預(yù)試過程觀察試件各參數(shù)在預(yù)試驗中的變化。
4.正式隨機(jī)振動試驗
預(yù)試驗順利后就可以開始正式試驗。正式試驗的注意事項和中斷處理與正弦試驗基本相同。其中要強調(diào)的是試驗由一個人統(tǒng)一指揮,各崗位分工明確,職責(zé)清楚,試驗中出現(xiàn)問題及時報告指揮,由指揮處理。每次試驗結(jié)束,要檢查一下控制曲線及測量信號是否已記錄下來。一般試驗要進(jìn)行三個相互垂直的x,y,z,3 三個方向依次進(jìn)行,但換一個方向后應(yīng)從預(yù)試驗開始。因為更換方向,許多部分都要重新連接,重新安裝。
在每一方向正式試驗做完后,在同樣的狀態(tài)下,按預(yù)試驗中第二項再做一次頻率特性測量,使用的試驗參數(shù)完全相同,記錄下各測點的頻率響應(yīng)曲線。
5.數(shù)據(jù)處理及編寫試驗報告
正式試驗全部結(jié)束后,保存三個方向上的振動試驗曲線,填寫原始記錄,為編寫試驗報告做準(zhǔn)備,另外,試驗現(xiàn)場可以整理,試件、夾具拆卸后擺放在規(guī)定的區(qū)域,各類固定用的螺栓歸類收置放好以備下次試驗使用。


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