气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验

文 | 上海市质量监督检验技术研究院 卢兆明

气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验

Combined Climatic(Temperature/Humidity) and Dynamic (Vibration/Shock) Tests

文 | 上海市质量监督检验技术研究院 卢兆明

在汽车、轨道交通和空间领域都存在温度、湿度和振动或冲击的组合环境。通过实验室内受控地在参量范围内模拟环境下暴露样品进行评估。用严酷的环境参量强化试验，通常可在相对较短的时间内获得有效的结果。

Abstract:The combination of temperature, humidity and vibration or shock occurs especially in the domain s of automotive, rail and aerospace environments. This can be assessed by exposure of the specimen to a range of simulated environmental parameters controlled in the laboratory. The severity of the environmental parameters is often increased to obtain meaningful results in a relatively short period of time.

组合；气候；温度；湿度；试验；动态；振动；冲击

Key words:combined；climatic；temperature；humidity；tests；dynamic；vibration；shock

前言

在汽车、轨道交通和空间等领域在力学动态环境中使用和装备电子、电气和数字化产品作为显示、控制和通讯设备已成必需。对产品的环境适应能力也提出了更高的要求。IEC60068-2_GB/T2423系列环境试验方法标准，从面向对储存、运输环境制订试验方法开始，逐步将机械环境（力学动态）试验和气候环境试验结合的方法发展到能够在试验室模拟再现或模拟加速产品的动载使用环境。

针对汽车、轨道交通和空间等应用环境的需求，技术性修订后的IEC60068-2-53 2Ed，发布了气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验的规范。同时替代和废止了试验Z/

注：1表中“X”表示可选组合；2表中GB/T都是IEC标准IDT采标，在参考文献中注明了对应的版本。

表1 IEC标准认可的组合AFc低温/正弦振动试验和Z/BFc高温/正弦振动组合试验2个方法标准。全国环境条件与环境试验标准化技术委员会（环标委）已经着手立项起草相应的国家标准。

同时，试验方法标准随试验控制技术的数字化，机械（力学动态）环境试验设备的性能也大为扩展。动态试验方法从模拟正弦振动和冲击，发展到了数控正弦振动、随机振动、混合模式振动和冲击相应谱试验，并已完成了标准化。

有必要在介绍气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验的同时，描述在试验中必须注意的技术要素和处置原则，以便产品设计工程师和试验工程师在设计和把握试验时参考使用。

1 气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验

表1给出了气候(温度/湿度)和力学动态(振动/冲击)组合试验的组合关系。参与组合的单项试验已由相应的IEC60068-2_GB/T2423标准规定。试验选用的严酷度参数在相应的文本中都有推荐或规定。在这些文本中对试验的要素和细节都作了详尽的规定。

图1至图4给出了气候条件(温度和/或湿度)，力学动态条件(振动或冲击)组合的顺序和电负荷加载的时间节点。

2 设计试验组合时应考虑的问题

用表1示例的许可要素，在设计试验组合时，还必须考虑下列因素：

a)正弦振动扫描循环周期与在温度变化或温度或湿度循环周期的时间匹配。正弦振动扫描循环周期是可计算得，应该在温度变化或温度或湿度循环周期的时间内完成完整的振动扫描循；

b)混合模式振动试验是在宽带随机的背景上叠加正弦振动扫描循或窄带随机扫描循环。也应该在温度变化或温度或湿度循环周期的时间内完成完整的正弦或窄带随机扫描循；

c)在温度变化或温度循环伴随振动试验中，存在热渗透和热干扰因素。在试验设计中应考虑到温度稳定和相对湿度稳定过程的特点，时间上应应留有余量。

ISO16750.3《道路车辆—电气及电子装备环境试验和要求第3部分 机械环境》在3种振动试验的设计上，就做了很妥善的安排。

3 温度相关的信息

由于试验组合的原因，在气候环境试验的计时点应有相应的调整。

a)如果要求进行低温或干热试验，暴露时间从工作空间达到抵近设定温度3K就可以计时，并不是对样品所有部分地要求。

对散热型样品，处在工作空间温度，样品经1h内温度变化不超过1K稳定，开始暴露计时。达到温度浸透的1小时时间应考虑为暴露期间的第1小时。

b)如果要求稳态湿热试验，在试验箱工作空间的温度达到抵近设定温度3K，湿度达到抵近设定相对湿度3%开始计算暴露时间。

对散热型样品，处在工作空间温度，样品经1h内温度变化不超过1K稳定，开始暴露计时。达到温度浸透的1小时时间应考虑为暴露期间的第1小时。

c)如果进行慢速温度变化试验或湿热循环试验，要求试验的暴露时间从温度变化开始时计算。

d)如果受试样品安装在冲击减震器上，试验则应在减震元件温度稳定后开始计时。

e)表1中涉及GB/T2423_IEC60068-2系列有关温度试验和湿热试验的各项方法标准，给出了标准化了的严酷度系列试验量、容差范围。有关规范在设计和规定一个试验时，应尽量选用这些标准的推荐值。

f)表1中涉及GB/T2423_IEC60068-2系列有关温度试验和湿热试验的各项方法标准的当前有效版本中都要求对气候环境条件试验进行不确定度的评估和描述。IEC60068-3-11,2005,1Ed《气候试验箱内部条件不确定度计算》给出了这方面的处置原则、方法和导则。全国环境条件与环境试验标准化技术委员会（环标委）已经着手立项起草相应的国家标准。

4 振动试验的信息

电动振动台就是用于完成振动试验的，所以振动试验试验的信息就比较清晰，大致包括以下内容的相关细节：

a) 明确采用正弦、随机、混合模式振动中的一种方法进行试验；

b) 包括严酷度等级的各项参数、对试验谱形描述，以及振动试验的持续时间；

c)试验应力施加的轴线和方向，当各轴线方向采用不同严酷度等级时，应描述轴线的定义；

d)受试样品安装，按GB/T2423.43_IEC 60068-2-47的要求。

5 冲击试验的信息

IEC 60068-2-27,2008,4.0Ed技术性修订后，将碰撞（试验Eb）作为多次重复冲击试验并入冲击试验标准。对半正弦、梯形和后峰锯齿波三种经典冲击试验曲线描述没有改变，对试验严酷度等级进行了一些调整。全国环境条件与环境试验标准化技术委员会（环标委）已经着手立项修订相应的国家标准。

配用数字控制系统电动振动台进行经典冲击试验在技术上不存在任何问题。电动振动台生产商一般都配有相应的经典冲击试验控制软件。由于是闭环控制，电动台进行冲击试验的重复性比开环的冲击/碰撞台要好很多。

应该指出，由于电动振动台的有效行程一般为25mm、50mm、75mm，上100mm已经很少见了，限制了产生较高加速度的可能。但在300 m/s2-500m/s2量级上一般还是可能实现的。这可能是对组合试验的一个限制，试验承担方对自有设备的能力范围应有一个预估。

值得介绍的是引入GB/T2423.57_IEC60068-2-81《试验Ei：冲击响应谱合成》试验方法。不仅可以用冲击相应谱合成的方法进行半正弦、梯形和后峰锯齿波三种经典冲击试验；还可以用现场采集的冲击波形，经过冲击响应谱合成，直接在试验室进行模拟再现。而三种经典冲击试验是用规定的波形去模拟现场实际的冲击。

气候组合冲击试验由于试验频率低，不会产生明显的热扰动效应。有关规范还是应该注意并给出信息：

a)由于冲击试验施加的盈利应力不是对称的，在规定轴线定义的同时，有关规范还应规定试验的方向；

b)对多次重复冲击试验，在周期上也应有所估计，应能在气候周期中完成试验的重复次数；

c)对非重复冲击试验的典型描述是：3个互相垂直轴线的每个方向连续冲击3次，共计18次冲击。因此，应该考虑样品换向的问题。

6 力学动态条件试验

样品每个循环的力学动态条件试验更适宜在高温段或低温段的最后1小时进行，例如，在有关规范规定的即将要改变进程设置温度之前，或将要进行另一种组合试验之前。如果受试样品由专用电源供电运行，那么在力学动态试验的过程中应保持连接状态。

7 样品

7.1 加载条件试验

a)用电运行的样品，有关规范应规定在每个温度循环中的供电电源on或off的次数和供电电压。

b)其他功能，如在低温、高温和各种负载条件开关的on或off，都应在有关规范中规定，或由专用的试验设备进行控制。

7.2 样品的材料

讨论的是材料在低温和高温组合振动试验中的效果：

a)低温和高温都可以改变材料的品质。此外，振动则可以加剧损伤。设备由许多材料或粘接、弹性材料组成，在低温和高温中都非常敏感。

b)处于极端温度下，特性频率可能移动，应此引入振动加以放大。在低温振动对用弹性材料构成的减震器有明显的效果。

7.3 对样品要求的表述

a)在初始检查测和最后检测程序中，应对受试样品进行视觉、尺寸、功能和其他检查，有关规范规定应规定具体的检查项目、方法和要求。

b)有关规范应提供受试样品接收或拒收的依据标准。

c)环境条件的组合应被选择满足储存、运输和使用的环境条件，受试样品则应保持电性能和机械性能完好。

8 试验设备和试验过程中应注意的问题

组合试验设备的典型结构模型是在电动振动台的顶端加装一个气候试验箱。组合后的各项独立性能指标都应符合相应标准的要求。

如果采用温度试验箱顶置于电动振动台上，振动台台面应将台体与气候试验箱进行热隔离处理。热隔离部件不允许影响振动台的动态性能指标。不允许在振动台与试验箱间进行机械连接，因为此举可以导致试验箱产生危险。

在试验设备数量许可的条件下，温度和振动、湿度和振动的组合试验可以用不同的试验设备进行。

尚未具备组合试验专用试验设备时，将较小的电动振动台放在较大的气候试验箱（室）内进行试验也是被允许的。但必须对热干扰和高温条件下振动台激振器自身的散热问题采取有效措施。

8.1 热干扰

在气候-力学动态组合试验中存在热扰动主要有3个来源：

a)来自激振器通过振动台台面传导到气候试验箱内和通过受试样品安装夹具传导的热。虽然采用了热隔离部件，但由于刚度设计的要求，还是会有大量的热导入试验箱内。激振器发热量是与其发出推力所做的动成正相关，发热量并不是稳定的；

b)受试样品加载时的热耗散；

c)无论是哪种类型的振动，振动台台面及与其连接安装的夹具样品都在气候试验箱内做往复的平行移动。这种运动会形成局部空气的回旋和驻留，也可能在受试样品周围形成气晕。因此会影响试验箱内由流动空气进行有效的热传递，改变暴露效果，进而也会影响湿度暴露的效果。

上述原因产生的影响是无法确定的。但通过现场实时测量定量分析其对试验箱内温度、相对湿度、不确定度的影响是可能的。IEC60068-3-11给出了这方面的信息和指南。解决的方法通常采取提高气候试验箱内循环空气的流动速度来解决。即使改善了空气流速，对不确定度评估需做的测量仍是时不可忽视的。

8.2 温度测量

a)较高的振动加速度，振动台的激振器会发出较大的热量。因此，对试验设备的温度测量可着重于高加速度振动状态。

b)因为有高加速度振动，温度传感器应安装牢固。同时也应注意，不能改变受试样品的动态特性。

8.3 加速度计

加速度计和电缆应能经受要求的温度和湿度；

由于加速度计其对温度极其敏感。因此，加速度计应该在所有温度上进行校准并确定。

a)如果这种敏感没有一致性，应考虑按照适用的振动或冲击试验标准在振动的计算中加大容差；

b)如果加速度计的敏感性随温度变化，可以配置补偿机制；

c)加速度在振动试验中超出规定的容差也是被允许的。但必须如实记录在试验报告中。

d)固定加速度计的材料应在整个温度和湿度过程中保持其物理特性。

[1] GB/T2421,2008环境试验 第1部分 总则和导则（IDT IEC 60068-1,1998，1.1Ed）

[2] GB/T2423.1, 2008试验A：低温（IDT IEC 60068-2-1,2007，6.0Ed）

[3] GB/T2423.2, 2008试验B：高温（IDT IEC 60068-2-2,2007，5.0Ed）

[4] GB/T2423.3,2006试验Cab：稳态湿热（IDT IEC 60068-2-78,2007，1.0Ed）

[5] GB/T2423.4,2008试验Db：湿热循环（IDT IEC 60068-2-30,2005，3.0Ed）

[6] GB/T2423.5,1995试验Ea：冲击（IDT IEC 60068-2-27,2008，4.0Ed，国标版本已在修订中）

[7] GB/T2423.10,2008试验Fc: 振动(正弦)（IDT IEC 60068-2-6, 2007，7.0Ed，国标版本已在修订中）

[8] GB/T2423.22,2002试验N:温度变化（IDT IEC 60068-2-14,2009，6.0Ed，国标版本已在修订中）

[9] GB/T 2423.43,2008振动、冲击和类似动力学试验样品的安装（IDT IEC 60068-2-47,2005，3.0Ed）

[10] GB/T2423.56,2006试验Fh：宽带随机振动（IDT IEC 60068-2-64，

2008，4.0 Ed，国标版本已在修订中）

[11] GB/T2423.57, 2008试验Ei：冲击 冲击响应谱合成（IDT IEC 60068-2-81,2005，1.0Ed）

[12] GB/T2423.58, 2008试验Fi：振动 混合模式（IDT IEC 60068-2-80,2003，1.0Ed）

[13] IEC60068-2-53:2010,2Ed气候(温度/湿度)和动力学(振动/冲击)组合试验（对应的国标版本已在制订中）

[14] IEC60068-3-11:2007,1Ed气候试验箱内部条件不确定度计算（对应的国标版本已在制订中）

[15] ISO 16750 (所有部分),道路车辆 – 电气及电子装备环境试验和要求（对应的国标版本已报批）

ISO 16750 (所有部分)译文，《环境试验》双月刊 2007年1-6期 连载刊登

卢兆明，全国环境试验标准化技术委员会机械分技会（SAC/TC8/SC1_IEC/TC104）委员、全国汽车标准化技术委员会电子与电磁兼容分技委(SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3)委员；高级工程师；GB/T 2424第17、26部分、GB/T2423 系列标准第 5、7、10、15、22、34、39、43、48、55、56、57、58、60、101 等部分制修订和 IEC60068-2-53、IEC60068-3-11、ISO16750系列、ISO 20653等标准的国标转化制订项目主要起草人。