薛峰,IMV株式会社上海代表处技术经理,从事振动试验行业近20年,独立运营原创微信公众号“振动试验学习笔记”。
通过前文介绍,相信初入者对振动试验系统应该有一定了解。特别是电动式振动台推力有1~60tonf,针对试验条件和试验体,如何选择合适且经济的振动台进行试验?下面进行阐述。
试验前,必须明确试验条件和要求。需要考虑的要素如下:
※有没有试验规格
※振动台式样规格
※试验种类:正弦试验、随机试验、冲击试验、etc.
※频率范围
※加速度、速度大小
※振幅(位移)大小
※试验体的尺寸、质量、形状等
※夹具的尺寸、质量、形状、共振点等
※振动方向(垂直、水平、二轴同时振动、三轴同时振动)
※是否和温度、湿度、高度(气压)、光照等条件复合试验
※试验的控制点、检测点、控制误差范围等
※其他特殊要求等
试验规格介绍
1.ISO(International Organization for Standard,国际标准化机构)
2.CCC(China Compulsory Certificate System),GJB(国军标),GB(国标)
3.MIL(Military Specifications and Standard,美军标)
4.IEC(International Electro-technical Commission,国际电气标准会议)
5.EN(European Norm)
6.JIS(Japanese Industrial Standard,日本工业规格)
7.各个公司内部规格BMW,TOYOTA, HONDA, SONY, SHARP, Panasonic。
要读懂试验规格是一件很困难的事情,只能在实践中慢慢去理解,多请教,多学习。
振动试验机的式样规格
各个厂家的设备目录中记载有很多参数和规格,一般标准振动台以下几个参数比较重要,
加振力:10kN、20kN、30kN、、、、、600kN
最大正弦加速度:1000m/s2
最大正弦速度:2m/s、2.5m/s
最大位移:51mm、76mm、100mm
使用频率范围:5Hz~3000Hz
动圈质量:加振力不同,质量不同。
这些规格参数代入前面的A、V、D、f四者之间的计算公式,即
可以得到设备的交越频率和最大正弦能力特性曲线图(无负载)。再结合牛顿第二定律计算出各种负载下的最大加速度,继续使用上面的式子,可得到各种负载下的交越频率和能力特性曲线图。
最大正弦能力特性曲线图(无负载情况):
图中可以看出,电动振动台有三个工作区域,低频段对应位移区域,低中频段对应速度区域,中高频段对应加速度区域。或者说低频段受最大位移限制,低中频段受最大速度限制,中高频段受最大加速度限制。每个物理量对应频率变换点就是交越频率。因此,如果说5Hz的时候需要满足加速度500m/s2,或者1000Hz的时候满足位移50mmp-p,那就是外行话了。
例题:某电动振动台使用频率范围5~2000Hz,最大位移51mmp-p,最大速度2m/s,最大加速度1000m/s2,请计算位移到速度,速度到加速度的两个交越频率,并试着画出该设备无负载最大能力特性曲线图。
图中可以看出,25kg负载情况下,蓝线以下(含蓝线)的试验条件该设备都可以对应。超出蓝线对应的话,导致设备故障损坏。个人经验,振动台的损坏,一半以上都是过负载原因造成的,切记。
试验条件的确认
试验的种类:正弦试验、随机试验、冲击试验、etc。
试验频率范围f
加速度大小A、加振力F=∑mA(下节重点叙述)
振幅(位移大小)D
速度大小V
1. 正弦定频试验的场合
试验条件:频率10Hz 加速度10G
半位移峰值D0-p = A0-p/(2πf)2 = 10×9.8/62.82 = 24.85mm
全位移峰峰值49.70mm (注意半位移和全位移的倍数)
一般振动台的全位移峰峰值有51mm、76mm、100mm,为了安全起见可以选76mm的设备。(请再计算一下速度的峰值。)
注意:
①控制仪输入f、A、D、V中的两个参数,会自动得出另外两个参数。4个量都不可以超过振动台式样规格。
②扫频试验的时候取最大值。
③正弦试验一般各个参数小于试验机的规格值即可,一般安全系数1.2~1.3。
④以上计算都假定没有夹具和试验体的共振影响。
2. 随机试验的场合
加振力
试验加振力rms≦随机额定rms
(必要时需要试验PSD的等价频幅修正)
速度
3✖试验rms≦正弦波额定速度峰值
位移
3.5✖试验rms≦正弦波额定位移峰值
☆☆☆加速度rms、速度rms、位移rms值的计算比较复杂,可以通过振动控制仪输入PSD值之后,自动得出数据。
3. 冲击试验的场合
加振力
F= ∑mA
∑m:总质量(动圈质量+夹具质量+ 试验体质量)
速度≦正弦波额定速度峰值
位移≦正弦波额定位移峰值
☆☆☆速度、位移峰值的计算比较复杂,可以通过振动控制仪输入冲击脉宽和加速度之后,自动得出数据。规格标准不同,数值结果不同。
IEC标准:
MIL标准:
试验体的尺寸、质量、形状、固定方式
① 试验体直接固定动圈或垂直扩张台(垂直方向),水平滑台(水平方向),还是先固定在夹具上再固定在台面上?
② 试验体尺寸有没有超出台面,有没有碰到其他地方(三综合恒温恒湿箱内壁等)?
③ 各重心是否都在一直线上,重心是不是偏高?振动台台面的抗倾覆力矩是否在允许条件下?
④ 固定螺栓全部固定好了?固定后是否会在振动时候倒下来?
⑤ 夹具是不是要提前准备?
⑥ 夹具共振点是多少?是不是在试验频率范围内?
⑦ etc.。
各种夹具的确认
试验体固定在夹具上的位置和尺寸、夹具的共振点、
夹具固定在振动台面上的间隔( □100mm,φ50mm,φ100mm ),螺钉大小( M6,M8,M10,M12等),公制(mm)还是英制(in.)?
下面介绍一些常见的试验夹具。
垂直扩张台面(Vertical Table):
水平滑台(Slip Table):
其他夹具:
总结
一次振动试验的顺利完成需要考虑的要素很多,以上只是列举了一些基本要素。此外还涉及到振动控制仪的设置、控制点的位置、避免夹具的共振点、加速度传感器的固定方式、试验体的m(质量)k(弹性系数)c(阻尼)、振动台的能力(动圈特性、功放性能等)等等要素。总之,记住一句话“振动的水很深!”。只能在不断地工作和学习中慢慢积累。
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