何毅波 汤华飞 蔡仁宁 高光雷 罗堃
【摘 要】随着汽车行业的发展,汽车零部件的质量越来越受到人们的关注。振动测试技术通过将理论分析与实际测试相互结合用以考察汽车零部件的质量,并为零部件的设计优化提供依据。文章简要地介绍了振动理论,建立了一个简化的振动试验系统模型说明振动测试原理,并依据长期试验经验对振动测试技术的实际应用进行解析,为相关从业者提供汽车零部件振动测试的试验方法。
【关键词】汽车零部件;振动测试;正弦扫频;正弦定频
【中图分类号】U463 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688(2017)03-0083-04
0 引言
自卡尔·奔驰制造出汽车至今,已有130多年,汽车已经不单单是一种交通工具,还是集多种高新技术于一身的艺术品。为了保证汽车兼具艺术性与实用性,对汽车零部件质量的检验越来越受到人们的关注。汽车零部件在运行中由于受发动机输出正弦动力的影响,必然产生振动,这些振动大多具有消极的作用,影响零部件的使用寿命。于是,振动测试技术孕育而生。它通过将理论分析与实际测试相互结合考察汽车零部件质量,并为设计优化提供依据。振动测试技术包含振动理论分析、动态测试技术、信号采集与获取、信号分析处理等科学技术。
振动测试技术是一项用理论指导实际测试,用实际测试检验验证理论的技术。这便要求技术人员拥有振动理论分析能力,通过建立微分方程、矩阵理论计算零部件的危险频率(即固有频率)、主振型等参数,再通过振动理论逆向分析,利用实际测试中所得到的信号求出危险频率、主振型等参数,两相验证(如图1所示)。同时,通过长时间的振动耐久测试,可以检验零部件产品质量。
本文简要地介绍了振动理论,建立了一个简化的振动试验系统模型说明振动测试原理,并依据长期试验经验对振动测试技术的实际应用进行解析,为相关从业者提供汽车零部件振动测试的试验方法。
1 振动的基本理论
1.1 振动的基本概念
从侧面撞击桌子,桌子会左右摆动,这种物体状态改变的过程叫做振动。在振动的过程中,物体的位移、速度、加速度3个物理量会发生往复变化,它们被称作振动量[1]。生产出的产品在运输或使用时,会受到外力作用,产生振动,这些振动大多对产品有害。振动测试的目的是通过外力施加振动,测试产品在寿命周期中,是否能承受运输或使用过程的振动环境,确定产品的结构和功能是否符合相关标准,并通过对不合格产品的失效分析提高产品的可靠性。
在实际生活中,振动是复杂多变的,很难利用函数描述其运动过程。通过简化,我们一般将振动系统分为线性系统及非线性系统。线性系统是指物体的运动微分方程中,只包含位移、速度的一次方项。反之,不符合上述条件的为非线性振动系统。为了使试验接近真实环境,在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的旋转、脉动、振荡形式的振动均为正弦振动;在一般运输环境中,交通工具产生的振动为随机振动。这2种振动形式均为非线性振动。振动通常是由动力传递激发物体产生,称作激励。系统受到激励产生振动,激励消失后的振动称为自由振动。如果系统受到持续的激励,产生的振动称作受迫振动。动态测试技术应用的就是受迫振动。
在振动的过程当中,必然会存在众多的阻尼力,统称阻尼。阻尼会消耗能量,并且也存在线性、非线性之分。阻尼会使自由振动的物体最终处于平衡状态。
1.2 振动测试原理
为了方便研究,我们将动态测试技术中应用的振动台架试验近似地简化为一个受简谐激励作用下的受迫振动(如图2所示)。
不妨设存在一简谐激励Fs作用于图2中的振动系统,该振动系统存在阻尼。
Fs=Hsinωt
上式中:H为激振力的幅值;ω为激振力的频率。
以轻质弹簧的平衡位置O为原点坐标,竖直向下方向为x轴正方向,建立运动微分方程:
m■=-■x-kx+Hsinωt
令
p■■=■, 2n=■,h■
式中:h为单位质量受到激振力的幅值。
得到
■+2n■+p■■x=hsinωt
该式的解可以表示如下:
x(t)=x1(t)+x2(t)
=Ae-ntsin(pd t+α)+Bsin(ωt-φ)
由上式可知,該受迫振动是由频率为pd的衰减振动和频率为ω的受迫振动组成。在一定时间以后,衰减振动部分会因阻尼消失,最终系统将衍变为稳定的受迫振动。这也解释了在振动台架实验中为何前期出现不稳定现象。此时
x=Bsin(ωt-φ)
这是一个简谐运动,振幅为B,受迫振动与激振力的相位差为φ,并且
B=■
tanφ=■
通过对上式的分析不难发现,振幅B与相位差φ取决于系统的固有频率、阻尼、激振力频率及幅值[2]。
2 振动测试方法
在振动测试中,有多种测试方法,如果按照测试过程中涉及的物理性质来划分,大致可以分成3类:机械式测量法、光学式测量法、电测法。
2.1 机械测量法
机械测量法是通过机械结构将需检测的物理量转变为机械信号,然后对机械信号进行测量。由于机械结构的能量损失相对较大,所以这种方法测试的结果的精度不高,并且能够测量的频率范围较小。
2.2 光学测量法
光学测量法是通过光学传感器将需检测的物理量转变为光学信号,经过放大后再利用光检测器转变为电信号,最后通过对电信号的测量与转换得到所需物理量值[1]。
2.3 電测法
电测法是目前应用最广泛的测量方法。电测法是将需检测的物理量转变为电信号(例如电流、电压等),再对电信号进行测量,利用需检测物理量值与电信号值的函数进行数值转换,从而得到物理量的值。一般情况下,利用此方法的得到的电信号值十分微小,需要经过放大器放大后才能被测量。
电测法具有精度高、灵敏度高、响应速度快等优点。电测法直接得到电信号,便于采集、处理、分析,简单处理便可在显示屏上显示。利用一条电线便可将电信号传送至远方,实现远距离控制,结合编程知识便可实现自动控制。电测法得到的电信号是动态值,既可以测量瞬时值又可以测量变化过程。并且,电测法便于与计算机通信。在计算机为科研事业做出卓越贡献的今天,电测法凭借这一优势成为应用最广泛的测量方法。
3 振动测试系统的组成
振动测试系统是由软件及硬件组成的,一般包括激振器、传感器、放大器、信号采集器、信号处理软件。振动测试系统的结构示意图如图3所示。
3.1 激振器
激振器是产生激励的设备,它将按照人为设定的条件,持续而稳定地向其连接的样件产生激励。样件发生振动,产生振动频率、振动加速度、振动位移等物理量。激振器与样件连接的紧固程度直接影响激励传送过程中的损失程度。
3.2 传感器
传感器是检测工件振動量的仪器,它可以把振动量转变为电信号,再通过检测与转换得到振动的频率、加速度、位移等物理量。记录这些参数以便后期分析,进一步优化产品。同时,通过监视这些参数是否出现急剧变化,可以用来判断样件是否损坏;设定合适的中断限值可以保护仪器设备及样件。除此之外,有些参数还会反过来控制激振器。如图3所示,振动测试系统是一个闭环控制系统。激振器得到开始命令后产生激励,传感器便可以检测到振动量并转变为相应参数。通过传感器得到的参数判断整个振动系统是否达到设定值。如果传感器回馈的参数低于设定值,激振器便会增加激励的输出。反之,如果传感器回馈的参数高于设定值,激振器便会减小激励的输出。如此反复,直至得到所需要的参数并保持稳定。
3.3 放大器
一般情况下,利用电测传感器得到的电信号值十分微小,很难被测量。即使可以被测量,不同信号间的区分度也不大。因此,采用放大器将电信号放大一定的倍数,使电信号容易被信号采集器捕获。值得注意的是,传感器的类型不同,得到的电信号也不同,有些传感器将振动量转变为电压信号,有些转变为电流信号。因此,放大器要根据传感器的类型,选择电压放大器、电流放大器等。如果选择了不适宜的放大器,不仅会导致试验失败,还有可能导致一些不良的后果。
3.4 信号采集器
信号采集器的作用是捕获信号,并将它们进行转变得到所需参数。如果利用压电式传感器,信号采集器捕获的信号为模拟信号,而计算机采用数字信号进行运算。为了方便与计算机通信,信号采集器还需要将模拟信号转变为数字信号。
3.5 信号处理软件
信号处理软件承担着人机交互的主要责任,设置试验条件、监视试验参数、控制试验进程、记录数据、处理数据、分析数据都是通过信号处理软件完成[3]。在闭环控制系统中,正是信号处理软件将传感器得到的参数与设定值进行对比,然后指示激振器进行下一步操作。
4 振动测试流程
对于汽车零部件,应用最多的是正弦定频振动测试试验。通过激振器发出频率恒定的正弦激励引起样件振动,模拟样件在实际使用过程中受迫振动。正弦定频振动测试的试验参数有振动加速度、振动频率、振动位移、试验时间,其参数值的选择有一定要求。以四缸四冲程柴油机为例,假设正常使用时其转速控制在2 000 r/min,则每秒钟曲轴转动33.33圈。四冲程柴油机曲轴每转动一圈便有2个做功冲程,产生振动。因此,该柴油机产生的振动激励为66.67 Hz。行业上通常选用33 Hz或67 Hz作为控制参数进行定频测试。其余控制参数可参考GB/T 2324.10选取。一般情况下,在定频测试前会进行扫频测试。通过上面的分析,我们得到的频率实际上是33.33 Hz,其一次倍频程应为66.66 Hz,行业上通常选用 67 Hz。因此,扫频测试应包含33 Hz及67 Hz。有时,为了模拟交通工具产生的振动,会进行随机测试,可参考GB/T 4857.23,本文不做探讨。应当指出,本文所述的振动测试试验属台架试验,其严苛程度高于路面振动测试。通过调研,台架振动测试试验合格的样件少有路面振动测试不合格的情况。
4.1 扫频测试
扫频是通过激振器向样件输出连续的、频率随时间以指数形式变化的激励,同时检测样件的振动量,以反映样件在该环境下受迫振动的情况。扫频测试应当注意传感器的安装位置及试验条件的选择[4]。
4.1.1 传感器的安装位置
传感器的安装位置对于试验是否成功、是否能够更好地模拟样件真实环境都起到了决定性的作用。如果传感器的安装位置选择得不合理,还有可能出现台架振动测试严苛程度不及路面振动测试的情况。更有甚者,会直接造成试验仪器的损坏。在我国现行的国家标准中,要求传感器尽量接近于一个固定点。所谓的固定点是指在实际使用环境下用于固定样件的地方,一般是样件与夹具固定的地方[5]。由于实际试验中样件安装形式的多样性,试验人员需根据这一指导方针,综合现场情形,灵活地选取传感器的安装位置。这就要求试验人员具有一定的振动测试经验,才能快速、准确地安装传感器。
传感器的安装位置一般分为检验点和参考点。检验点是用于采集信号进行处理,反映样件受迫振动的情况;参考点是用于控制试验,将信号传回闭环控制回路,判断激励器的下一步操作。建议将参考点设置在振动台台面或与振动台相连的水平滑台上,比较接近振动源,可以更好地起参考作用。
4.1.2 试验条件的选择
试验条件的选择直接关系到试验的严苛程度。通常,应根据样件的实际安装环境,经分析计算选择扫频测试的频率范围、振动幅值、持续时间。通过调研,目前部分企业已有自己的企业标准,对试验条件的选择已做出明确要求。国家标准给出了频率范围的推荐值,见表1[5]。为包含33 Hz及67 Hz,建议选取下限频率1 Hz、上限频率100 Hz作为频率范围。
4.2 定频测试
定频测试是通过激振器向样件输出持续、稳定的激励,同时检测样件的振动量,以反映样件在该环境下受迫振动的情况。在定频测试中,建议汽车行业以33 Hz或67 Hz作为试验条件。
传感器的安装位置分为单点控制和多点控制。单点控制即使用一个传感器的信号作为控制试验的依据;多点控制即使用多个传感器的信号通过连续平均计算或比较技术,得到一个信号作为控制试验的依据。采用连续平均计算的多点控制是将多个传感器得到的信号进行连续平均计算,得到的信号能够较好地反映样件整体水平;采用比较技术是对比多个传感器信号,选出极大值或极小值,能够较好地反映样件不同位置的振动差异。
5 小结
振动测试是一门理论与实践相互结合的科學技术,需要试验人员具有一定的实际经验才能保证试验的科学性、准确性。本文简要概述了振动理论,通过建立简易的台架振动试验系统模型探讨其原理,并简要地总结了试验经验。然而,本文尚属振动测试的基础知识,难免肤浅。欲得振动测试的精髓要义,还请各位读者继续深入研究。
参 考 文 献
[1]李方泽.工程振动测试与分析[M].北京:高等教育出版社,1992.
[2]袁宏杰,李传日,殷雪岩,等.正弦振动控制技术的研究[J].电气自动化,2001,23(2).
[3]周浩敏,王睿.测试信号处理技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[4]沈凤霞.正弦振动试验及结构响应数据处理方法[J].航天器环境工程,2004,21(4).
[5]GB/T 2423.10—2008,电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Fc:振动(正弦)[S].
[责任编辑:陈泽琦]