振动试验操作细节分析

孙玉玉，王大兵，熊伟华

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 222006）

引言

振动试验被广泛在应用在各个领域的产品试验检测中，扮演着越来越重要的角色。在试验过程中，如果忽视试验操作技术等细节，可能会造成实际施加的力学环境条件超出或低于标准试验曲线，产生过考核或欠考核，造成试验结果的偏差；更为严重的是，因为一些操作细节的忽视，可能造成试验过程中失控现象的发生，不仅会对受试产品和试验设备产生破坏，甚至发生安全事故。为了确保振动试验安全顺利的开展，保证试验检测结果真实、有效，因此有必要对振动试验的各个操作技术环节及相关细节进行全面的梳理和分析。

1 振动台的选择

振动试验开始之前，应当根据受试产品的试验要求和产品特性等参数选择振动台，选择的原则为：保证所选振动台的额定载荷、台面尺寸、工作频率范围、最大推力等参数满足试验要求。对于一些非常规的受试产品或试验要求则需要进行估算，以判断所选设备是否满足要求。

1.1 正弦振动试验设备的选择

1.1.1 试验所需推力的估算

对于正弦振动试验，首先要估算试验需要多大的推力。根据估算的推力选择合适的振动台。估算正弦试验推力（FS）必须了解动圈质量M动、受试产品质量M产、夹具质量M夹、连接件（滑台部件）质量M连、试验中最高的加速度值峰值a。则所需推力为：

根据公式（1）计算出的是一个刚体产品试验中所需的峰值推力。由于试验产品一般是非刚体，因此，试验所需推力为试验推力FS加30%的余量，即：

估算后会出现两种情况：

第一种是所需推力远小于振动台的额定推力，这种情况可以做试验，但属于大材小用，不经济。

第二种是所需推力超过了额定推力，这种情况就要考虑更换振动台。如果超得不多，例如所需推力为31KN，但额定推力只有30KN，这种情况可以采用试振的方法进行试验。即先用试验量级的一半进行试验，记录最大输出电压和电流，然后线性放大一半计算是否超过额定的电压和电流，如果不超过，可以进行试验[1]。

1.1.2 位移、速度、加速度等试验参数的计算

正弦振动试验的参数一般有两类：频率和幅值，依据频率是否变化分为定频和扫频两种试验，对于选择振动台而言，这两种试验的选择方法是一致的。

首先，验证试验条件的速度幅值、位移幅值、加速度幅值是否满足振动台的指标要求。根据正弦振动位移、速度、加速度相关数学模型公式（2）、公式（3）和公式（4）可以导出扫频试验平滑交越点频率的计算公式。

式中：fA-V—加速度与速度平滑交越点频率（Hz）；

fV-D—速度与位移平滑交越点频率（Hz）；

fA-D—加速度与位移平滑交越点频率（Hz）。

依据公式（5）、公式（6）和公式（7）确定加速度区域、速度区域和位移区域参数，当计算值小于振动台相应区域技术指标时，试验可行；反之，则应重新选择振动台。

1.2 随机振动试验设备的选择

1.2.1 试验所需推力的估算

随机振动试验中均方根加速度是随机振动总能量的统计参数，其峰值加速度不具备正弦振动那种表征意义，因此，随机振动所需的推力称为随机均方根推力。推力的估算原则同正弦振动，利用公式（1）可以计算出试验所需的随机均方根推力。要注意的是，有些振动台，其随机均方根推力要小于其正弦振动推力。

1.2.2 最大位移的估算

随机振动试验前必须对可能达到的最大位移做出估计，不能超过振动台允许的最大位移。要计算出随机振动试验的最大位移，首先应找出位移谱密度曲线，计算出均方根位移值，再将均方根位移值乘以三倍得出最大峰值位移；如果位移谱密度是曲线，则必须积分才能计算[2]。在工程应用中，往往只要估计一个大概的值即可，下面给出一个简单的估算公式：

式中：Xpp为最大的峰峰位移（mm）；

W0为F0处的PSD值 (g2/Hz)；

F0为下限频率（Hz)。

公式（8）是一个用于平直谱的宽带随机振动的估算公式，对于非平直谱，上式可用F0频域上的PSD值W0来近似计算最大位移，和精确计算相比，估算值稍大了一点。如果计算结果超过振动台的限值，则试验不可行，否则会损坏设备；反之，则试验可行。

2 受试产品的安装

受试产品安装在很大程度上影响着试验效果。一个好的安装能够真实的反映出受试产品在模拟平台环境下的响应情况，而一个不注重细节的安装不仅不能够反映产品真实情况，而且有可能会发生损坏产品、试验设备甚至造成人员伤害的安全事故。

2.1 夹具的选择

一般而言，受试产品很难直接安装在振动台台面上，必须使用工装夹具进行过渡。表面上看起来，工装夹具仅是个起连接或转接的过渡件，似乎很简单。但实际上工装夹具是个很复杂的问题，它不仅要将受试产品与设备连成一体，而且还要保证将力不失真地传给受试产品。一个好的试验夹具应具备方便连接或固定受试产品、传递力或其它振动参数和保持或改变振动方向的功能，鉴定所选择的夹具是否满足要求，至少应达到[2]：

1）受试产品一阶谐振和夹具一阶谐振之比应限制在0.5-1.4之间，超出时应采取相应控制；

2）夹具振动加速度传递特性应在+20dB和-3dB之间，比-3dB还小时，应能通过自动增益控制系统提高振动的量级；

3）夹具的非振动试验方向振动值尽量小，不得大于30%，对个别的点，也不应超过50%。

2.2 受试产品的安装

试验开始之前，首先要将受试产品牢固地固定在振动台上，一些小的产品或是外壳受力的产品可以利用杠杆原理的形式固定。较复杂的产品或是尺寸较大的产品必须使用夹具进行固定。

受试产品与夹具或夹具与振动台面连接时固定点多一些好，同一平面至少应均布四个固定点，连接时，螺栓固定最好使用测力扳手，扭转力矩要根据振动台指标确定，力矩过大会损坏台面螺纹孔，太小会固定不紧。如果没有相关数据，可以使用弹簧垫圈，以弹簧垫圈压平为标准。

在固定受试产品包括试验夹具时，应保持试件整体重心尽可能的与台面中心一致，对于一些重心较高或是无法在台面中心安装的试件，应确认低于振动台给出的安全技术指标，确认安全后再进行试验。偏心力矩计算公式为：

其中：A 为容许偏心力矩（N*M）；

W 为试件质量（Kg）；

L 为偏心距离（m）；

a 为试验加速度（m/s2）。

2.3 传感器的安装

控制传感器的安装直接影响试验的结果，所以必须选择质量好、准确性有保障的传感器作为控制传感器。控制传感器的安装方式有主要有二种。一种是可以用螺钉固定，为了防止干扰，在传感器下面加绝缘块，用两个螺钉分别固定绝缘块和传感器；另一种是用胶水粘接，但要保证粘接不破坏夹具或台面。粘接的强度不如螺接，因此，使用时应根据试验条件选择合适的安装方式。

控制传感器应安装在固定点或尽可能靠近固定点并与固定点刚性连接的地方。采用夹具安装的试验一般有两种安装位置:一是选择在受试产品与夹具分离面上，排除夹具对振动传递造成的影响，这种方法有时控制比较困难；二是安装在夹具与台面之间比较好控制，但夹具的影响会传递到产品上。具体选择在哪里，应视产品、夹具和试验频率等条件来决定。

传感器安装好之后，将导线连接好，并将导线用胶布固定，固定的原则是振动过程中导线接口和传感器产生的相动运动越小越好。

测量传感器的安装与控制传感器类似，但测量点必须选择在产品刚性较大的地方，否则测出的数据可能是产品局部振动特性不能反映测点总体的振动情况。

3 控制方式

3.1 单点控制方式

单点控制方式指只安装一个控制传器，振动控制仪根据该传感器反馈信号与参考信号比较，调整输出达到控制振动台的目的。严格而言，振动台面上各点的振动响应不会完全一致，因此从保证试验有效性的角度而言，单点控制只适用于振动台面较小，受试产品刚性较好、体积较小，且试验量级较低的情况。同时，由于其在试验中只存在一条反馈回路，存在较大的安全隐患，目前已较少采用单点反馈控制方式。

3.2 多点控制方式

当振动台面尺寸较大或者受试产品体积较大使振动台面各点加速度差别较大时，一般采用多点控制。多点控制可以采用平均控制、最大控制和最小控制的方式，即振动控制仪从多个控制点取得反馈信号，然后对这些信号进行选择（最大或最小）或平均作为最终反馈信号，对振动台进行控制。

多点控制采用最大、最小和平均方式对试验的效果是不同的。在同一试验条件下，取最小控制时，振动量级最大；取平均控制时，振动量级次之；取最大控制时振动量级最小。试验中采用哪种形式，要由试验目的、各部分响应等因素决定。

多点控制不仅有利于提高试验效果，改善振动响应特性等优点，而且存在多条反馈回路，有较好的安全保障，是目前主流的控制方式之一。

3.3 响应控制

响应控制一般装在产品重要部件附近，防止试验中这些重要部件因振动量级过大造成损坏，当控制点量级超过给定值时，原来的控制值自动下降，保证控制点的量值不超过给定值，当控制点的量级小于给定值时，控制值恢复正常，目前主要用于大型产品的试验控制中。

4 试验过程及试验善后

4.1 试验系统的检查

为确保试验的正常进行，必须在试验前，对各系统进行检查，保证控制回路、测量通道等都是通畅的。可以从外观检测，如接头是否拧紧，电源插头是否插好；对于控制及测量系统可以在传感器附近进行敲击，看控制器是否有响应信号。确认系统连接无误，各回路工作正常之后，依据试验要求设置试验参数。对于振动控制系统一些重要参数，如振动系统循环检测方式、最大输出电压等系统参数设置，在确认有必要修改之前不要修改。

4.2 预试验

在正式试验开始之前要进行预试验，预试验的目的有两个，一是了解振动试验本身各系统的配合情况，知道受试产品初始的振动响应值；二是对产品在试验中的性能进行测试，观察有无相互干扰的问题。

预试验的量级一般采用正式试验的1/4，试验时记录测量结果。产品工作并测试。预试验发现的问题应当在正式试验前排除，排除之后再次预试验进行确认。

4.3 正式试验

正式试验必须有负责人统一安排，严格按照试验条件进行试验。试验工作人员和参试人员应分开，试验过程中参试人员应在指定地点，不得随意走动、喧哗。试验中应有专人负责观察受试产品，了解产品在整个试验中的变化并记录。出现问题或异常现象应立即报告负责人。由负责人根据情况进行处理，其它人员不得发令。

4.4 试验结束后工作

正式试验结束后，可以再进行一次附加的试验响应检查，以对比试验前后的振动特性，判断受试产品在试验后是否有损伤。

当全部的试验完成后，首先应关闭振动输出，检查试验数据及试验结果是否满足试验要求。检查完毕后，取下测试导线并收好，取下传感器并清洗装盒，取下受试产品，清洁现场，恢复试验前状态。

5 结论

在振动试验中，受试产品通过适当的试验夹具安装在振动台上，试验夹具与振动台的组合用于模拟产品预期使用过程中产生的力学平台环境。在试验过程中，涉及到控制学、结构动力学等多学科的知识，影响因素较多。这就要求进一步加强对振动试验技术人员的知识培训，提高试验室质量、安全管理水平，细化操作规程及试验实施细则，提高试验室试验的准确性，保证试验结果真实有效。

[1]钟琼华,邱景湖.振动与振动试验设备[M].苏州:苏州试验仪器总厂,2004.

[2]胡志强等. 随饥振动试验应用技术[M]. 北京:中国计量出版社,1996.