振动试验理论基础与方法培训

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申 奥
2.1.3 电动振动台原理 励磁线圈如图示 2-2 在振动台台体内建立磁场,励磁线圈与直流电源相连,在环行气隙里产生一个高磁
通量。动圈部件,包括台面、骨架和驱动线圈,悬挂在振动台的环行气隙里,当交流电流通过驱动线圈时, 电磁力会在驱动线圈的绕组上产生,使得台面产生向上和向下的往复移动,如图示 2-2 中双向箭头处显示。 台面的移动量取决于振动控制器输出的驱动信号的大小和频率以及扩展台面(如果有的话)的质量、所加的 负载质量和台面悬挂系统的刚度。
3.6 振动严酷等级 (1)正弦振动试验的严酷等级由振动频率范围、振动量、试验持续时间(次数)共同确定。 (2)随机振动试验的严酷等级由振动频率范围、加速度谱密度、谱型(Grms)、试验持续时间共同确定。 (3)冲击试验的严酷等级由脉冲类型、幅值、周期、试验持续时间(次数)共同确定。
3.7 共振 共振:振动系统中,当外激振频率与系统固有频率一致或接近时,系统幅值增大的现象,也称为谐振。 固有频率:振动系统自由振动(自振)时的频率,仅与振动系统固有特性(如质量、形状、材质等)有关。
测 检 申 奥
3.5.2 控制/激励谱 输入目标的外激励振源的振动信号,即激励信号,其随时间域或频率域的谱图称为为控制/激励/参考/目标谱。 3.5.3 响应谱 系统在振动台激励下发生振动响应,采集响应振动的输出振幅信号,所形成的时间域或频率域谱图。 频率响应谱,分为加速度-频率、速度-频率、位移-频率响应谱。 时间响应谱,分为加速度-时间、频率-时间、位移-时间响应谱。
加速度密度频域谱图:表示随机信号的各个频率分量所包的加速度方均值在频域上的分布。纵坐标为加速度 谱密度,通常用 ASD 表示,单位:m2/s3 或是(m/s2)2/Hz。
加速度谱密度与功率谱密度的换算:1g2/Hz=(9.8m/s2)2=96.04m2/s3
总均方根加速度 Grms:频谱曲线下总面积开根号计算得到,反映振动严酷度,单位 g 或 m/s2。
1.3 测试原理 通过振动硬件(振动台、夹具、控制器、传感器),按照目标振动条件输入振动参数,对目标施加外部
振动激励,目标产生振动响应,通过采集和分析响应信号,分析目标振动状态和耐振性。
2 测试硬件 2.1 振动试验台 2.1.1 分类
测 振动试验设备分机械振动试验台、电液振动试验台、电动振动试验台、模拟汽车运输试验台。
奥 (2)随机振动:在未来任一给定时刻,其瞬时幅值不能预先确定的无规则振动。在同一时刻,都包含谱带
内的所有频率,每个频率下均有不同的振动幅值,且不同时刻该幅值也不同。一般的运输环境中,交通工具 所产生的振动属于随机振动,如汽车、火车、飞机、航天器等的振动。 (3)冲击:对系统的一个瞬态激励,它包括经典冲击、碰撞、冲击响应谱、地震冲击等。 (4)谐振搜索与驻留:搜索和识别测试试件的固有频率,并通过驻留评估其忍受长期共振环境的能力。 步骤:首先针对共振搜寻时所找出的共振频率及共振模式加以分析,选择相应频率驻留,测试试件是否能忍 受长期在共振环境下的能力。 注:良好的共振驻留系统,可随时追踪飘移的共振频率,以达到最佳的共振效果。通常共振驻留常用 107 次或使用期间可能分布在有效共振频率区间的累计时间,作为测试的试件参考。
3.4 正弦与随机振动的区别
Байду номын сангаас
测 检 申 奥
3.5 振动谱 3.5.1 时域/频域 时域信号:唯一真实存在,横轴(自变量)为时间,纵轴(应变量)为振动幅值的响应谱图,如示波器。 时域谱只能反映信号的幅值随时间的变化情况,除单频率分量的简谐波外,很难明确揭示信号的频率组成 和各频率分量大小。 频域信号:数学理论模型,横轴(自变量)为频率,纵轴(应变量)为振动幅值的响应谱图。 频谱域信号能反映信号在不同频率分量的幅值大小,能提供比时域信号波形更直观、丰富的信息。 相互转换:时域信号通过傅里叶变换得到频域信号,频域信号通过逆傅里叶变换(积分)得到时域信号。
检 峰峰位移 P-P,相邻振动峰的位置距离。
注意:以上三个物理量按不同使用目的有幅值(振幅)、平均值、均方根值(有效值)之分,正弦振动多采 用幅值,但位移注意是单峰位移还是峰峰位移(P-P),而随机振动多采用均方根值。
申 3.2 振动类型
3.2.1 分类 (1)正弦振动:用正弦时间函数(时间-位移、时间-速度或时间-加速度)描述其运动规律的周期振动。例 如旋转、脉动、振荡(在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的)所产生的振动均是正弦振动。
根据输出信号不同,分为常规电荷压电和 ICP 压电传感器。
奥 b 压阻式加速度传感器,自发式传感器,其电阻的变化与所承受的机械应力成正比。
c 变电容式加速度传感器,其电容的变化与所承受的机械应力成正比。 (3)按功能分:控制传感器、监测传感器。
测 2.2.3 结构 加速度传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件(弹簧)、敏感元件和适调电路等部分组成,在加速过 程中,通过测量质量块所受的惯性力,利用牛顿第二定律获得加速度。
检 2.2.4 传感器参数 描述加速度传感器动态特性的参数是:灵敏度、幅频响应、相频响应、共振频率、横向灵敏度、加速度 线性、温度灵敏度等。
申 (1)灵敏度:传感器输出电信号与输入激励信号的比值。 电压和 ICP 输出时,单位为 mv/输入加速度工程单位,如 mv/G;电荷输出时,单位为 pc /输入加速度 工程单位,如 pc/G。
3.8 响应监测与分析 3.8.1 频率响应分析 系统在外激振作用下发生振动响应,通过采集反馈的振动输出信号,分析各振动参量在频率域的响应信号, 包括加速度频响、速度频响、位移频响。
3.8.2 共振分析 (1)目的:分析在测试振动频率范围,夹具或试样是否发生共振,及固有频率。
测 (2)判断方式:
传递率 T:输出/响应的振动幅值 与 输入/激励的振动幅值 比值。 质量因子 Q 值:反映振动系统的共振尖锐性,频响谱共振频率除以半功率共振带宽。
奥 传感器灵敏度越大,信噪比和抗干扰能力越好,但在其他条件相同的前提下,灵敏度越大,传感器要用
更大的质量块,使得谐振频率降低。 (2)频响特性:在固定加速度下,输出信号与频率的相关性。理论上频响谱为水平直线,实际上传感器在 某一频率范围内保持稳定的灵敏度。 (3)加速度线性:在固定频率下,输入不同加速度的激励,其输出信号强度与加速度保持线性关系。 (4)线性范围:传感器灵敏度保持稳定的频率范围,即工作频率范围或量程。 (5)谐振频率:传感器是弹簧-质量-阻尼系统,存在谐振频率,要求其一阶谐振频率为工作频率的 3-5 倍。 (6)质量:传感器固定在被测物表面时,应考虑传感器质量对被测物运动状态的影响,避免造成信号失真。 通常尽量选择质量较小的传感器,质量越小的传感器谐振频率更高。 (7)温度灵敏度:传感器输出信号随温度变化的相关性。一般温度越高,测量误差越大。不同类型的传感 器,对温度的灵敏度不同,尽量选择温度灵敏度较低的传感器,特别用于高低温环境下的振动试验。
振动试验理论基础与方法培训
主讲人:洪城明 上海奥申检测科技有限公司
培训目的: (1) 基本了解振动试验相关的基础理论 (2) 掌握理解振动试验相关的核心理论 (3) 了解振动试验设备结构、功能,掌握其主要参数范围 (4) 了解振动试验传感器关键参数、掌握核查方法与使用注意点 (5) 理解并掌握正弦振动、随机振动的试验方法 (6) 理解并掌握冲击试验方法 (7) 了解夹具要求、开发验证过程,掌握共振搜寻确认方法 (8) 掌握 GMW17010 对零件振动试验的要求、流程和方法
2.2 传感器 2.2.1 原理:接收外部激励信号的输入,转换为电信号(电压、电流、电阻、电容等)输出,再经信号放大 或调解,从而反映激励信号。

2.2.2 类型

申 (1)按测量物理量分:加速度、速度、位移传感器。振动试验主要采用加速度传感器。
(2)按原理分: a 压电式加速度传感器,自发式传感器,其输出电荷/电压与所承受的机械应力成正比。




1.1 振动试验目的 在实验室内模拟一连串实际的振动现象,测试产品在寿命周期中,是否能承受运输、储存或使用过程的
振动环境的考验。
1.2 应用 (1)耐久测试——获得临界使用条件,确定产品设计和功能的使用边界、制定要求标准。 (2)质控测试——考核产品耐振动性能是否达标、提前筛检出不良品,确认质量和提升产品的可靠性。 (3)失效分析——模拟失效环境,分析失效模式,助力改进。
3.3 正弦与随机振动响应谱的表达方式 (1)正弦振动的表达方式 幅值频域谱图:幅值(加速度/速度/位移)随频率的信号曲线。横坐标为频率 f,纵坐标为振幅 A。 (2)随机振动的表达方式 功率密度频域谱图:表示随机信号的各个频率分量所包的功率(重力加速度方均值)在频域上的分布。纵坐 标为功率谱密度,通常用 PSD 表示,单位:g2/Hz。
2.1.3 参数(ES-30-370 电动振动台) (1)激振力:振动系统的出力,以 KN 为单位。
额定振动激振力:30kN 冲击激振力:60kN (脉宽 4ms) (2)工作频率范围:5-2800 Hz (3)最大空载加速度:1000 m/s2(100G) (4)最大速度:2m/s (5)最大位移(P-P):51 mm (6)垂直台最大负载:500 kg (7)动圈部件有效重量: 30kg (8)一阶共振频率:2400Hz±5%
(4)通道连接:控制传感器连接控制通道,监测传感器连接监测通道。 (5)通道设置:正确设置单通道控制权重为 100%,多通道总控制权重为 100%;传感器类型(电压、电 荷、ICP),以及灵敏度。
申 注:传感器含精密电子元件,拆装应避免剧烈冲击、碰撞和跌落。
2.3 夹具 (1)概念:用于将试件装夹在振动台上的装置,如简单的转换器金属板到特殊形状的支撑件。
2.2.4 选择与安装 (1)选择考量:测试振动幅值、频率范围、现场环境。 (2)安装方式:包括胶粘剂粘结、粘结螺栓、磁吸、探针等方式。
优选螺接、也可选择粘结,保持刚性连接。一般不选磁吸,大振幅和高频下不稳定,且会影响传感器正 常工作。
(2)安装位置:后续介绍。

检 (3)安装方向:与测量轴向基本保持一致。
奥 (2)要求:夹具应具备良好的振动传递特性,且固有频率高于测试频率范围。不符合设计要求的夹具会限
制振动试验系统的性能。
考察夹具在一定频率范围的响应特性,是否能稳定地传递振动。所传递的也许是一个力、位移、速度,或者
加速度。一个好的夹具其最低固有频率必须高于试验所需的频率。
3 理论基础 3.1 振动及其要素 概念:振动是随平衡位置的往复运动,或者关于特定参考点的往复移动。 振动是机械系统中运动量(位移,速度和加速度)的振荡现象。
(1) 机械式振动试验台:适宜于低频定振试验或低频定位移扫频试验。 (2) 电液式振动试验台:适宜于低频定振试验或中低频扫频试验及随机试验和冲击实验。 (3) 电动式振动试验台:适宜于任何形式的给定信号的振动及冲击试验。
检 (4) 模拟汽车运输试验台:可代替实际跑车试验
2.1.2 电动振动台结构(振动台-振动发生器、控制器、功放、冷却器)
3.1.1 基本要素
(1)频率与周期 频率 f:单位时间振动的次数,单位:Hz。 圆频率 = 2 f:每秒钟转过的角度,单位:rad/s。 周期 T:单次振动所需时间,单位:s。 频率与周期的关系 T=1/f
(2)幅值
测 加速度 a:速度变化的时间比率。单位:g 或 m/s2
速度 v:速度是位移变化的时间比率。单位:m/s 位移 d:位移是台体或者物体的位置改变,物体相对于某参考系位置变化的矢量。单位:mm 单峰位移 P,从平衡位置到非平衡位置的距离。
检 申 奥
3.9 扫频振动 3.9.1 扫频方式 (1)线性扫描:频率在时间函数上是线性的(ft=f0+s×t),即单位时间扫过多少赫兹,单位是 Hz/min,常 用于细找共振频率的试验。 频率-时间函数可表达为 ft=f0+s×t,ft 为时刻 t 的振动频率,f0 为初始频率,s 为扫频速度,t 为扫频时间。 (2)对数扫描:频率在时间函数上按对数变化(ft=[2x]t×f0),即单位时间扫过的频率倍频程数,单位是 oct/min。 频率-时间函数可表达为 ft=[2x]t×f0,ft 为时刻 t 的振动频率,f0 为初始频率,x 为扫频速度,t 为扫频时间。
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