一.  試驗(yàn)?zāi)康呐c意義

振動(dòng)試驗(yàn)的目的在于確定所設(shè)計(jì)、制造的機(jī)器、構(gòu)件在運(yùn)輸和使用過(guò)程中承受外來(lái)振動(dòng)或者自身產(chǎn)生的振動(dòng)而不至破壞，并發(fā)揮其性能、達(dá)到預(yù)定壽命的可靠性。隨著對(duì)產(chǎn)品，尤其是航空航天產(chǎn)品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展顯得越來(lái)越重要。

二.  振動(dòng)破壞機(jī)理分析

關(guān)于振動(dòng)破壞機(jī)理的假設(shè)所謂試驗(yàn)結(jié)果的等效性，必須基于特定的試驗(yàn)理論來(lái)加以評(píng)定。對(duì)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)來(lái)說(shuō)， 在考慮試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方法時(shí)所遇到的主要問(wèn)題都與特定的振動(dòng)破壞機(jī)理有關(guān)。由于對(duì)這一問(wèn)題尚未進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)踐與理論研究，目前只能進(jìn)行初步的綜合推理，以作出若干關(guān)于振動(dòng)破壞類型和機(jī)理的假設(shè)，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，列表說(shuō)明如下：

表1  關(guān)于振動(dòng)破壞機(jī)理的假設(shè)

振動(dòng)試驗(yàn)種類和時(shí)間的決定根據(jù)表中的有關(guān)振動(dòng)破壞類型便可以決定相應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)種類，而基于有關(guān)破壞機(jī)理也就能夠確定其試驗(yàn)時(shí)間。

1.  按照一般材料疲勞曲線的特性，曲線大多在“一次之間存在某種轉(zhuǎn)折，隨后曲線大體上就水平地延伸。因此從工實(shí)用出發(fā)，通常是取轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的應(yīng)力為持久極限應(yīng)力，取了次作為檢驗(yàn)試件是否具有永久疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對(duì)于主要目的是檢驗(yàn)試件振動(dòng)疲勞特性的振動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，如果要求試件能在工作環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，則一般也是取次作為振動(dòng)試驗(yàn)次數(shù)。對(duì)于一次使用或短時(shí)間工作的試件，可按其壽命時(shí)間試驗(yàn)之。

2.  對(duì)于振動(dòng)性能失靈破壞，一般認(rèn)為，振動(dòng)所引起的損壞作用具有不累積的性質(zhì)。即相對(duì)于一定的振動(dòng)條件而言，振動(dòng)開(kāi)始不久性能是否失靈即可表現(xiàn)出來(lái)，一旦振動(dòng)停止，其性能一般又可恢復(fù)正常。所以振動(dòng)性能試的時(shí)間大致可取試件在實(shí)際工作中每次連續(xù)經(jīng)受振動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間例如，最大續(xù)航時(shí)間。但是，一方面由于振動(dòng)性能破壞機(jī)理尚不成熟，另外也鑒于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多取最嚴(yán)重振動(dòng)量值為試驗(yàn)量值，西這種最嚴(yán)重量值又并非在相連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)始終能經(jīng)常出現(xiàn)的，所以上述取法也不盡合理?？傊?，對(duì)于性能試驗(yàn)時(shí)間，目前尚未有一致的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，大致是由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)決定，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定也不統(tǒng)一。

3.  對(duì)于工藝可靠性破壞，大致可分兩類一類是常見(jiàn)的所謂工藝處理錯(cuò)誤，例如假焊、脫膠、螺釘松動(dòng)或過(guò)緊、連接件脫開(kāi)、部件互相撞擊等等。對(duì)此，通常認(rèn)為可以在較大振動(dòng)量值下經(jīng)短時(shí)間試驗(yàn)來(lái)加以發(fā)現(xiàn)，第二類是在振動(dòng)過(guò)程中設(shè)備內(nèi)存在機(jī)械磨損或是在振動(dòng)時(shí)同時(shí)存在化學(xué)腐蝕、氣候腐蝕或是產(chǎn)生蠕變、內(nèi)耗之類的變化，使振動(dòng)強(qiáng)度不斷降低。為了檢驗(yàn)這類試件的耐振動(dòng)特性，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)按整個(gè)工作或壽命時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)然，對(duì)于上列幾類試驗(yàn)可以規(guī)定不同的試驗(yàn)程序和參數(shù)以供分別選擇實(shí)施，也可以結(jié)合起來(lái)，通過(guò)規(guī)定一種試驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)，甚至根據(jù)情況，某些試驗(yàn)也可以不作等等。

三.  振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的選擇

在振動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)使用的激勵(lì)設(shè)備就是振動(dòng)臺(tái)。用于振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)從其功能來(lái)分，可分為單一的正弦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和可完成正弦、隨機(jī)、正弦加隨機(jī)等振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。從振動(dòng)臺(tái)的激振方向，即工作臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分，可分為單向（單自由度）和多向（多自由度）振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。從振動(dòng)臺(tái)激振方式上可分為三類：機(jī)械式、電液式和電動(dòng)式。

試驗(yàn)中究竟使用哪種振動(dòng)臺(tái)，首先要看試驗(yàn)頻率范圍。電液臺(tái)適用于中低頻范圍，電動(dòng)臺(tái)適用于中高頻范圍，機(jī)械臺(tái)頻率范圍最窄。此外還要從推力大小、波形優(yōu)劣、控制的方便性等方面綜合考慮。實(shí)際使用中以電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)應(yīng)用范圍最廣，約占60%以上，特別是在寬帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)領(lǐng)域。但隨著使用目的與要求的不同，在選擇振動(dòng)臺(tái)時(shí)還需注意以下幾點(diǎn):

1.  由于電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)波形失真度最小，在很寬的范圍內(nèi)可達(dá)到1%～3%，甚至更低，且信噪比高，因此作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)用的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，通常選用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，而且一般選用永磁式振動(dòng)臺(tái)。

2.  電液臺(tái)具有大推力、超低頻、長(zhǎng)沖程、重負(fù)載等四大優(yōu)點(diǎn)，因此適合推力超過(guò)200kN，頻率用到超低頻（1Hz以下）的振動(dòng)試驗(yàn)。

3.  機(jī)械臺(tái)只能用于幾赫茲到100Hz，其直接驅(qū)動(dòng)時(shí)頻率范圍更窄。機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)比較容易轉(zhuǎn)垂直、水平振動(dòng)或傾斜振動(dòng)等振動(dòng)方向，而且機(jī)械臺(tái)結(jié)構(gòu)牢固、價(jià)格低廉，但它一般只能用于正弦試驗(yàn)。振動(dòng)控制設(shè)備是振動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)用來(lái)控制振動(dòng)臺(tái)的裝置，按其功能一般分為正弦控制儀、隨機(jī)控制儀和多功能控制儀三類。正弦振動(dòng)控制儀的選取一般應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的要求考慮頻率范圍、交越點(diǎn)數(shù)目、掃描速率范圍及掃描方式。

選擇隨機(jī)振動(dòng)控制儀（或系統(tǒng)）時(shí)，首先要根據(jù)使用要求，即要進(jìn)行何種類型的試驗(yàn)，一般只要能滿足試驗(yàn)要求的控制儀就可以。在數(shù)字式控制儀剛剛出現(xiàn)時(shí)，多半都是多用途的控制儀，目前單一功能和多用途的振動(dòng)控制儀并存。多用途控制儀用于大型振動(dòng)試驗(yàn)室和研究所試驗(yàn)室，而單一功能的控制儀適用于工廠振動(dòng)試驗(yàn)室，直接為生產(chǎn)服務(wù)。

四.  振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理

下面介紹機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)和電磁式振動(dòng)臺(tái)的工作原理，其他試驗(yàn)臺(tái)的可參考文獻(xiàn)《振動(dòng)測(cè)試技術(shù)》。

1.  機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)

機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)有連桿偏心式和慣性離心式兩種。它們的工作原理如圖1所示。

慣性離心式振動(dòng)臺(tái)是基于旋轉(zhuǎn)體偏心質(zhì)量的慣性力而引起振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)來(lái)工作的。連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)是基于偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)而使工作臺(tái)作交變正弦運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的。振幅大小可用改變偏心距的大小來(lái)調(diào)節(jié)，頻率可用改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。由于機(jī)械摩擦和軸承損耗的影響，這種振動(dòng)臺(tái)頻率一般不能超過(guò)50Hz。連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠得到很低的頻率，且振幅與頻率的變化無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是不能進(jìn)高頻激振，小振幅時(shí)失真度較大。一般來(lái)說(shuō)，連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為0.5Hz～20Hz；慣性離心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為10Hz～70Hz，且振幅在大于0.1mm以上時(shí)效果較好。機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)生比較大的振幅和激振力；缺點(diǎn)是頻率范圍小，振幅調(diào)節(jié)比較困難，機(jī)械摩擦易影響波形，使波形失真度較大。

2.  電磁式振動(dòng)臺(tái)

電磁式振動(dòng)臺(tái)的工作原理與電磁式激振器相同，只是振動(dòng)臺(tái)有一個(gè)安裝被激振物體的工作平臺(tái)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量較大?？刂撇糠钟尚盘?hào)發(fā)生器和功率放大器等組成?？刂葡渑c振動(dòng)臺(tái)之間由電纜連接。電磁振動(dòng)臺(tái)的種類很多，目前，除了正弦波振動(dòng)臺(tái)以外，還有隨機(jī)振動(dòng)臺(tái)等。電磁式振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍很寬，可從近于零赫茲到幾千赫茲，最高可達(dá)幾十千赫茲。電磁式振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是，噪音比機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)小，頻率范圍寬，振動(dòng)穩(wěn)定，波形失真度小，振幅和頻率的調(diào)節(jié)都比較方便。缺點(diǎn)是有漏磁場(chǎng)的影響，有些振動(dòng)臺(tái)低頻特性較差。

電磁式振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理與電磁式激振器極為相似，如圖3示。它的驅(qū)動(dòng)線圈繞在線圈骨架上，通過(guò)連桿與臺(tái)面剛性連接，并由上下支撐彈簧懸桂在振動(dòng)臺(tái)的外殼上。振動(dòng)臺(tái)的固定部分是由高導(dǎo)磁材料制成的，上面繞有勵(lì)磁線圈，當(dāng)勵(lì)磁線圈通以直流電流時(shí)，磁缸的氣隙間就形成強(qiáng)大的恒定磁場(chǎng)，而驅(qū)動(dòng)線圈就懸掛在恒定磁場(chǎng)中。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)交流電流i= Imsinωt時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，在驅(qū)動(dòng)線圈上就產(chǎn)生電磁感應(yīng)力F，從而使驅(qū)動(dòng)線圈帶動(dòng)工作臺(tái)面上下運(yùn)動(dòng)。電磁感應(yīng)力F的大小

F= BL Imsinωt

式中：

B為空氣氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L為驅(qū)動(dòng)線圈導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度；

Im為驅(qū)動(dòng)線圈中的電流幅值；

ω驅(qū)動(dòng)交流電流的圓頻率。

因此，改變驅(qū)動(dòng)交流電流的大小和頻率，就能改變工作臺(tái)面的振動(dòng)幅值的大小及振動(dòng)的頻率。

控制系統(tǒng)分為三路，一路是勵(lì)磁部分，它主要給勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電流而產(chǎn)生

恒定的磁場(chǎng)；另一路是激勵(lì)部分，它主要由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器等組成，其輸出信號(hào)接到振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈上，以使其產(chǎn)生頻率和幅值均為可調(diào)的振動(dòng)信號(hào)；第三路是測(cè)量部分，其傳感器裝在臺(tái)體內(nèi)，測(cè)量放大器的輸出可接各種顯示和記錄設(shè)備。該部分用來(lái)測(cè)量臺(tái)面的位移、速度和加速度值。整個(gè)控制系統(tǒng)組裝在控制柜中。目前一些先進(jìn)的振動(dòng)臺(tái)還裝有微處理器。

五.  振動(dòng)試驗(yàn)夾具

電工電子產(chǎn)品品種繁多，形狀大小不一，所以通常都會(huì)設(shè)計(jì)配套夾具進(jìn)行測(cè)試。夾具是為把試驗(yàn)件牢固地固定在振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面上，并把振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)傳給試驗(yàn)件，它的質(zhì)量直接關(guān)系著試驗(yàn)的質(zhì)量。但目前對(duì)試驗(yàn)夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國(guó)內(nèi)，一些試驗(yàn)人員僅憑感覺(jué)來(lái)設(shè)計(jì)夾具，設(shè)計(jì)時(shí)缺乏必要的計(jì)算分析，也沒(méi)有必要的檢驗(yàn)測(cè)試。這樣的夾具傳遞的振動(dòng)往往存在著很大的失真，夾具上各點(diǎn)的振動(dòng)量值相差很大，也就是均勻度很差。在測(cè)試頻段內(nèi)存在多階共振，振動(dòng)控制非常困難。有些夾具材料選用不當(dāng)，質(zhì)量過(guò)大，消耗能量多。

夾具設(shè)計(jì)的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的質(zhì)量，高的剛度，在試驗(yàn)頻段內(nèi)盡可能不出現(xiàn)和少出現(xiàn)共振。夾具的材料多采用鎂和鋁，因?yàn)檫@兩種金屬比鋼的質(zhì)量小，阻尼特性比鋼好，加工成本低。小型夾具通常用整塊材料加工而成，大的夾具有用焊接和鑄造的方法制作。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先明確試驗(yàn)條件，如正弦和隨機(jī)振動(dòng)能級(jí)和允差，正弦掃描的頻率范圍，隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動(dòng)等。然后計(jì)算夾具的共振頻率及質(zhì)量，使之滿足試驗(yàn)要求。對(duì)于小試件，夾具的共振頻率不允許低于1000Hz，同時(shí)應(yīng)達(dá)到試件最低頻率的3～4倍。夾具加工完成后應(yīng)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，對(duì)于重要和常用的夾具，如轉(zhuǎn)接板、擴(kuò)展臺(tái)等，要進(jìn)行全面的性能測(cè)試，以保證試驗(yàn)的正確性。

六.  振動(dòng)信號(hào)

對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的分析包括快速富里葉變換（FFT），頻譜分析，凝聚分析，相關(guān)分析等。而對(duì)于應(yīng)力信號(hào)主要是分析應(yīng)力循環(huán)，為室內(nèi)模擬試驗(yàn)提供載荷譜編制一般使用的方法是雨流法，用雨流法提取信號(hào)中的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和幅值，再根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)分析出應(yīng)力循環(huán)幅值的概率分布曲線，由此就可以得到各種分級(jí)的載荷譜。而記錄儀和分析儀可以直接使用專門的記錄分析設(shè)備，也可以采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。專用頻譜分析儀以美國(guó)HP公司的產(chǎn)品為代表。專用分析儀具有速度快，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。除了可以做頻譜分析外，許多設(shè)備還可以做模態(tài)分析，是振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力分析的強(qiáng)有力助手。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)來(lái)做頻譜分析的越來(lái)越多，現(xiàn)在有許多計(jì)算機(jī)軟件都帶有FFT程序，特別是Matlab軟件具有許多的頻譜分析函數(shù)。由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不斷加快，磁盤的存儲(chǔ)容量不斷加大，現(xiàn)在越來(lái)越多的試驗(yàn)室里都是直接利用計(jì)算機(jī)來(lái)記錄信號(hào)、實(shí)時(shí)分析，以及發(fā)生信號(hào)，控制試驗(yàn)。

七.  總結(jié)

隨著產(chǎn)品使用環(huán)境的日益復(fù)雜化，振動(dòng)試驗(yàn)作為環(huán)境可靠性試驗(yàn)的一個(gè)重要項(xiàng)目，正向著更可靠、高效率、低成本的方向發(fā)展。