正弦振动试验：基础理论与工程实践

导言：模拟确定性振动的关键手段

在众多环境可靠性试验方法中，正弦振动试验扮演着至关重要的角色。它是一种通过对产品施加特定频率、幅值的确定性振动激励，以评估其在周期性机械振动环境下结构完整性、功能稳定性和潜在薄弱环节的试验技术。相较于随机振动，正弦振动具有激励信号明确、响应易于分析的特点，尤其适用于识别产品固有频率（共振点）、评估共振放大效应以及进行特定频率下的耐振能力考核。

一、正弦振动的核心概念与试验目的

  1. 核心原理：

    • 试验台（电动台或液压台）依据预设的频率（f） 和加速度幅值（A）或位移幅值（D） 产生单一频率的正弦波形运动。
    • 该往复运动通过刚性连接（夹具）传递给被试产品。
    • 产品在该确定性激励下产生受迫振动响应。

  2. 核心试验目的：

    • 识别共振频率： 通过“扫频”激励，找出产品或其部件在特定方向上的固有频率（共振点）。
    • 评估共振响应耐受能力： 在识别出的共振频率下进行“定频”激励，考核产品在最大应力点（共振时响应幅值最大）的结构强度、疲劳寿命和功能稳定性。
    • 结构强度与动态特性验证： 验证产品在预定振动量级（如上文所述A或D）下的机械结构完整性及动态性能是否满足设计要求。
    • 筛选潜在缺陷： 暴露因设计、材料或制造工艺问题引起的潜在薄弱环节或早期故障（如虚焊、连接松动、结构裂纹）。
    • 验证设计模型： 将试验结果与理论仿真（如有限元分析）进行对比，验证并修正数学模型。
 

二、正弦振动试验的关键参数

  1. 频率范围： 试验施加振动的频率区间（单位：Hz）。需覆盖产品预期环境频率及潜在共振频带，如5Hz-500Hz或更宽。
  2. 振动幅值：
    • 加速度（a）： 最常用，单位通常为g（重力加速度的倍数）或m/s²。表征振动的强度。
    • 位移（D）： 单位通常为mm或inch。表征振动的幅度（尤其在低频时）。
    • 速度（V）： 单位通常为mm/s或inch/s。加速度、速度、位移三者可通过微分/积分关系相互转换。
  3. 扫频速率： 频率随时间变化的快慢（单位如oct/min或Hz/min）。较慢的扫速有助于更精确地捕捉尖锐的共振峰。
  4. 持续时间： 在特定频率点（定频）或在整个频率范围（扫频）上施加振动的总时长。
  5. 试验轴向： 产品在试验台上进行振动的方向（通常是相互正交的三个轴向：X, Y, Z），需按规范顺序进行。
  6. 控制方式： 开环控制（按设定谱驱动）或闭环控制（基于安装在夹具或产品上的控制传感器的反馈来精确维持目标振动量级）。
 

三、正弦振动试验的典型流程

  1. 前期准备：

    • 明确规范： 依据产品规格、行业标准（如IEC 60068-2-6, MIL-STD-810, GB/T 2423.10）、客户要求或特定环境剖面，确定试验条件（频率范围、幅值、扫频速率、持续时间、轴向等）。
    • 样品状态： 产品应处于功能完好状态，按要求配置（如带包装或不带包装）。
    • 夹具设计： 设计制造刚性足够、传递特性良好、质量轻便且适配振动台和产品的专用夹具，确保振动输入不失真。
    • 安装固定： 牢固且正确地（模拟实际安装状态）将产品安装在夹具上，再整体安装到振动台台面上。
    • 传感器布置： 在夹具关键位置安装控制传感器（确保输入符合预设谱）；根据需要，在产品关键部位安装监测传感器（了解产品实际响应，探测共振点）。
    • 功能监测连接： 连接产品电源及必要的功能监测设备（如数据采集器、PC），确保试验中能实时或定期监测产品功能状态。

  2. 预测试（共振扫描 / 搜索）：

    • 在远低于试验量级的低量级（如0.5g - 2g，避免损伤样品）下进行。
    • 从低频到高频（或反之）以较慢速率对数扫频（如1 oct/min或2 oct/min）。
    • 目的：精确识别产品在试验轴向的共振频率点（通过监测点响应幅值显著高于控制点输入幅值的频率区域）。

  3. 正式试验：

    • 扫频耐久（Sweep Endurance）：
      • 在规定的频率范围内（通常涵盖预测试识别的共振区），按设定扫频速率（如1或2 oct/min）和规定振动幅值（如5g），进行多次来回扫频（如1个循环指从fmin到fmax再回到fmin）。
      • 循环次数或总持续时间根据规范确定。
      • 主要用于一般耐振能力考核。
    • 定频耐久（Dwell Endurance）：
      • 在预测试识别出的主要共振频率点上，使用规定的振动幅值（通常与扫频耐久相同或更高），进行固定频率下的持续振动。
      • 持续时间根据规范或针对该共振点的风险评估确定（如10分钟/频率点）。
      • 主要用于严苛考核产品在共振放大效应下的极限能力。
    • 试验谱型： 通常是恒定加速度谱（Flat Acceleration Spectrum），即在规定的频率范围内施加恒定的加速度幅值（如5Hz-100Hz @ 5g）。也可能使用其他谱型如恒定位移谱（低频）、恒定速度谱或梯形谱。
    • 轴向顺序： 依次完成X、Y、Z三个轴向的试验（或按规范要求的轴向）。

  4. 实时监测与中断条件：

    • 持续监控控制点信号确保符合预设谱。
    • 实时监控产品功能状态（如通电运行、信号输出）。
    • 密切观察监测点响应（尤其定频试验时避免过度响应损坏产品）。
    • 设定明确的中断条件（如产品功能失效、结构开裂、异响、监测点响应超安全阈值、控制不稳定）。一旦触发，立即停机检查。

  5. 试验后检查与测试：

    • 目视检查： 仔细检查产品外观、结构件、连接器、紧固件等是否有松动、变形、裂纹或其他物理损伤。
    • 功能测试： 按产品规范进行全面功能性能测试，确保所有功能正常，性能指标在允许范围内。
    • 对比分析： 将试验后结果与试验前基线数据对比，评估性能衰减情况。
    • 记录与报告： 详细记录试验条件、过程数据（控制谱图、监测点响应谱图、功能状态记录）、中断情况（如有）、检查结果、功能测试结果及结论。
 

四、试验中的关键注意事项

  1. 夹具设计至关重要： 劣质夹具会引入自身共振，扭曲振动输入，导致试验无效甚至误导结果。设计需遵循力流路径最短、刚度最大、质量最小化等原则。
  2. 正确安装与接地： 确保安装牢固，连接可靠（电气接地良好），避免“虚假”振动响应（松动）或电气干扰。
  3. 传感器选择与安装： 选择合适的传感器（类型、量程、频响范围）并正确安装（如胶粘、螺丝固定），确保其自身共振远超试验频率范围。
  4. 扫频速率的选择： 过快的扫速可能跳过尖锐的共振峰；过慢则效率低下。需平衡精度与效率。
  5. 安全第一： 严格遵守安全规程。试验过程中人员保持安全距离。设置紧急停止按钮和可靠的振动台安全限位。
  6. 功能监测的必要性： 单纯的结构完好不代表功能正常。必须在振动中和振动后进行功能监测。
  7. 中断判断： 工程师需具备判断何时必须中断试验的能力，避免不必要的产品损坏。
 

五、总结：工程价值与意义

正弦振动试验是环境可靠性工程中不可或缺的验证手段。它通过可控、可重复的确定性振动激励，有效揭示了产品在周期性振动环境下的动力学特性（特别是共振行为）和结构薄弱环节。其结果对产品设计改进（如结构优化、阻尼应用、避免共振）、制造工艺提升（如焊接、紧固）以及最终的质量与可靠性保证具有直接的指导意义。无论是新品研发、设计定型还是批量产品的质量控制，正弦振动试验都是确保产品在预期生命周期内可靠运行的重要保障。

（全文完）