振动（正弦）试验能力验证计划设计与实施技术探讨

张宗取，张旺威，朱珈，陈宇军，潘文宏，陈晓斌

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

产品振动试验，是模拟产品在运输、安装及使用环境下所遭遇到的各种振动环境影响，用来确定产品是否能承受各种环境振动的能力。任何产品在运输、使用中会产生碰撞、振动，会使产品在某一段时间产生不良，如结构损坏，如结构变形、产品裂纹或断裂；产品功能失效或性能超差，接触不良、继电器误动作等，所以为避免严重影响产品的使用和不必要的经济损失，我们就要对产品进行耐振动测试，验证产品是否能承受运输过程中环境因素的考验，从而可以根据测试结果对产品进行改良。很多产品，如包装、家具、家电、电子、汽车玩具等都需要进行振动试验以评估产品的可靠性。正弦振动试验是振动试验的基础性试验，在行业上应用广泛，产品进行振动试验时往往也会要求先搜索共振频率，然后在共振频率按照规定的时间进行耐久试验。

1 振动（正弦）能力验证设计与实施的关键点

1.1 检测参数的确定

按照GB/T 2423.10《环境试验第2 部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)》的要求，其中很重要的一项内容就是要求产品在进行振动试验时，需要进行“初始振动响应检查”和“附加振动响应检查”[1]。振动试验开始前要先进行初始振动响应检查，寻找产品的危险频率点（或共振频率），检测到共振峰的频率点，可为后续的耐久性振动试验提供依据。在耐久性试验后或者试验进行的中间再进行附加振动响应检查，并要与初始振动响应检查结果进行比较，可以评估产品在经过一段时间的振动试验前后是否有共振频率和其他响应频率的改变（飘移），从而判断产品在试验中是否有结构性损伤或“疲劳”出现[2]。因此，如何正确实施振动响应检查是实验室应该具备的必要技能。基于此，选择“共振频率”作为振动（正弦）试验能力验证计划的检测参数就非常合适。

在检测参数设计的过程中，实施机构应召集相关的技术人员与专家充分研究清楚检测项目所依据的产品及方法标准，经过周密的论证，选定合理的检测参数，这样才能真实地反映参加者的能力，更有助于实验室提高技术水平。

1.2 能力验证样品的开发设计

样品设计需考虑测试的影响因素，满足依据标准测试的要求；样品制备过程需重点关注样品的均匀性及稳定性，确保各个参加者获得相同的测试样品，每个样品的量值不存在显著性差异，以确保出现的任何离群及可以结果不能归咎于测试样品之间或其本身的差异。

1.2.1 振动（正弦）试验能力验证样品设计的关键点

1）振动（正弦）试验样品设计考虑结构振动三要素（质量m、刚度k、阻尼c），三要素决定结构的振动特性，样品的固有频率，从公式可知刚度k 和质量m 影响共振频率的大小。

2）样品在指定方向上的固有振动频率（共振频率）应具有唯一性，具体表现在某个频率上，样品的加速度响应输出最高，同时应避免出现多个加速度尖峰的频率点；

3）样品考虑为金属结构件，组装结构应简单稳定，为防止部件变形和有害应力，所有连接均采用螺钉连接。考虑试验期间确保样品能紧固安装至振动台，设计的样品底座能直接通过螺栓进行固定。

4）样品监测共振频率的平面有足够的空间能紧固安装传感器，且能降低监测传感器粘贴位置和传感器质量的敏感度。

5）一般的电工电子产品共振频率为（10~150）Hz，因此样品的特性值设计在此范围内。

基于上述考虑，设计结构图如图1 所示。

图1 振动（正弦）试验样品设计图

2.2.2 振动（正弦）试验能力验证样品制备的工艺要求

1）样品部件材料选择

能力验证样品为金属结构件，包括铝合金底板、铝合金支撑板、不锈钢支撑杆、不锈钢砝码、不锈钢连接螺钉。依据GB/T 2423.43-2008《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法 振动、冲击和类似动力学试验样品的安装》[3]，考虑加工容易制作和较高的内部阻尼特性，标准样品的底板及支撑板部分采用重量轻、刚度好、不生锈、易于加工的铝合金材料。考虑样品反复使用时不易变形和不生锈的要求，且比重大可以减小样品体积；硬度高可以防止运输和使用过程中的碰撞变形，标准样品的支撑杆和砝码部分采用不锈钢材料。

2）样品加工及组装

样品按照设计要求通过数控机床加工制作标准样品的零部件，零部件的所有连接均采用螺钉连接，在组装过程中应紧固，所有螺栓都应拧紧到最大容许扭矩，避免紧固不足影响总体共振响应。

3）能力验证样品的测试验证

样品制作完成后，依据GB/T 2423.10-2019《环境试验第2 部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)》进行测试，如图2 所示，样品在（10~150）Hz 范围内，监测只出现1 个峰值，表明样品符合设计的要求。

图2 振动(正弦)试验共振频率谱图

振动样品结构设计简单稳定，且可通过更换安装不同的合适质量的砝码，就可以调节样品的特性值（共振频率），能够满足实际验证的需要。

1.3 能力验证测试方法

实施机构应在能力验证计划建立和运作之前就完成方法和程序的选择，一般是国家标准或者国际标准方法。采用同一种方法能使所有参加者的结果更具有可比性，有利于对参加者能力进行评价。振动（正弦）试验依据标准为GB/T 2423.10-2019《环境试验第2 部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)》，且按照文件的要求设计了详细的指导书，主要测试条件见表1。

表1 振动台扫频参数

1.3.1 扫频方向及速率

为避免扫频起始方向的差异，规定了扫频起始方向为（10~150）Hz 的正向扫频。振动响应检查通常以1 oct/min 的扫频速率完成，已能基本保证不遗漏共振频率[4]，因此按照GB/T 2423.10 的要求统一规定扫频速率为1 oct/min。

1.3.2 试验量级

较低的试验量级可能导致检测信号信噪比低（特别当振动设备没有地线或地线不合格时，电源信号会在50 Hz 的整数倍频率点上产生很大干扰），较大的试验量级则会给样品累积疲劳损伤，不利于试验样品多次使用。因此，试验量级的选取原则为：既能提供满足信噪比要求的检测信号，又不过多给样品造成累积损伤。最终规定正弦扫频试验量级为0.2 g。

1.3.3 结果记录

要求参加实验室根据最大幅值比确定对应的共振频率。如图3 所示，从实测图谱可以看出，样品在（10~150）Hz 范围内，只监测出现1 个峰值。参加实验室记录监测传感器测得的共振频率，并将测量结果反馈给实施机构。

图3 实验室振动（正弦）试验扫频图谱

2 技术分析及建议

发现参加者能力上的缺陷，提高参加者的能力是能力验证活动的基本目的之一，因此，在结果报告中体现对参加者的不满意原因分析和建议是非常必要的，而能力验证计划中“调查表”的设计是其中的关键，需要实施机构根据影响测试项目的因素进行设计，将影响实验的关键过程“体现”出来，这样才有利于分析实验室存在问题的原因，给出合适的建议。其中，样品的安装，传感器的布置等是影响振动（正弦）试验的关键因素，调查表就针对性地设计了“样品的装夹方法”、“提供测试整体布置照片（样品与振动台及其传感器整体照片）”、“提供含有试验结果曲线、图表的照片”等问题。

2.1 样品的安装

GB/T 2423.43-2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 振动、冲击和类似动力学试验样品的安装》标准规定“在任何情况下，元件应固定在刚性试验夹具上或直接紧固在试验台的安装表面上”。样品进行振动（正弦）试验之前，应确保样品能紧固的安装在振动台面，确保振动量值准确传递到样品，装夹时要避免一端固定而另一端处于悬空的状态。如图4所示，个别实验室只借助样品基座的2 个螺钉孔固定，没有固紧样品；如图5 所示，部分实验室采用了其他卡夹具，没有固紧样品或固紧力失衡；如图6 所示，这种安装结构，提高了样品安装的重心，这些因素都可能会导致结果的偏离。进行振动试验时样品的安主管应注意以下几点：

图4 样品安装图

图5 样品安装图

图6 样品安装图

1）为保证振动量值的传递，尽量将样品紧固安装在振动台面的中心区域；

2）确保样品安装紧固，对称平衡，且不要过度用力使样品变形；

3）样品应直接通过螺栓装在振动台面上，如样品的安装孔与振动台面不匹配，可选择合适的钢板等过渡连接件进行安装，但应尽量减少过渡环节；

4）避免“悬臂梁”安装。

2.2 传感器的安装

共振频率搜索试验除了安装用于检测闭环反馈控制信号的传感器，还需要在指定位置安装监测响应状态参数的传感器。其中控制点是固定点中具有代表性的点，控制传感器应靠近样品固定点进行布置。如图7 所示，个别实验室样品安装在振动台面边缘，并且控制传感器离样品固定点较远，可能导致响应偏差，从而导致试验结果偏离。如图8 所示，实验室样品安装在振动台面边缘，并且没有安装控制传感器，从而导致试验结果偏离。

图7 传感器布置图

图8 传感器布置图

2.3 共振频率搜索试验

在进行共振频率搜索试验过程中，如果发现曲线异常（如图9、图10 所示，样品监测出现两个峰值），应分析可能出现问题的原因。然后可通过拆卸样品重新安装测试、改变样品安装位置等方式进行验证。

图9 共振频率搜索曲线

图10 共振频率搜索曲线

3 结术语

能力验证的本质就是在于提升实验室的技术能力，可以帮助实验室在样品处理，试验过程结果报告等方面存在的问题，从而发现改进的机会，提升实验室的技术水平。本文结合振动（正弦）试验能力验证计划设计与实施中的“检测参数的确定”、“样品开发与设计”、 “技术分析及建议”等方面进行了分析和探讨，希望能为各相关方提供参考，共同提高行业实验室的技术水平。