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什么是振動(dòng)控制試驗(yàn)？

2020-02-12 00:00:54·  來(lái)源：Simcenter TEST  作者：張長(zhǎng)輝  
　
振動(dòng)控制試驗(yàn)，通常也叫環(huán)境試驗(yàn)或者環(huán)境模擬試驗(yàn)，通過(guò)該試驗(yàn)工程師可以驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。這些試驗(yàn)通?？梢岳卯a(chǎn)品的等效振動(dòng)特性來(lái)加速產(chǎn)品疲勞驗(yàn)證過(guò)程，但
振動(dòng)控制試驗(yàn)，通常也叫環(huán)境試驗(yàn)或者環(huán)境模擬試驗(yàn)，通過(guò)該試驗(yàn)工程師可以驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。這些試驗(yàn)通?？梢岳卯a(chǎn)品的等效振動(dòng)特性來(lái)加速產(chǎn)品疲勞驗(yàn)證過(guò)程，但是這個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間較產(chǎn)品的生命周期來(lái)說(shuō)要短得多。通過(guò)振動(dòng)控制試驗(yàn)可以減少保修成本，提高產(chǎn)品可靠性和客戶(hù)滿(mǎn)意度從而獲得高的投資回報(bào)率。
 
振動(dòng)控制試驗(yàn)是在現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)室中對(duì)等效的振動(dòng)或者沖擊環(huán)境進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。振動(dòng)控制試驗(yàn)通常由電動(dòng)激勵(lì)裝置即下圖中的振動(dòng)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)。試驗(yàn)中試件關(guān)鍵位置的振動(dòng)水平通過(guò)振動(dòng)控制系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)。
圖1：背景：安裝有擴(kuò)展臺(tái)的振動(dòng)臺(tái)，前景：基于SCADAS前端的Simcenter Testlab振動(dòng)控制系統(tǒng)
在振動(dòng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)的設(shè)置要實(shí)現(xiàn)試件在試驗(yàn)室中經(jīng)受與現(xiàn)場(chǎng)相當(dāng)?shù)恼駝?dòng)，試驗(yàn)如圖2所示。
圖2在試驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)上（右）復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)（左）
振動(dòng)控制試驗(yàn)通常是確保產(chǎn)品在極端環(huán)境中功能正常的一些列環(huán)境試驗(yàn)的一部分，同時(shí)除振動(dòng)和沖擊測(cè)試外，環(huán)境還包括：濕度、高低溫、海拔、聲學(xué)、輻射、電磁干擾（EMI）、鹽霧等。有時(shí)這些試驗(yàn)也綜合在一起，例如振動(dòng)試驗(yàn)可能和溫控箱綜合在一起，如圖3所示。
圖3振動(dòng)臺(tái)和環(huán)境試驗(yàn)箱綜合為測(cè)試氣囊傳感器
振動(dòng)控制測(cè)試被用于去復(fù)現(xiàn)例如飛機(jī)起飛或降落、火箭發(fā)射、運(yùn)輸環(huán)境等環(huán)境。另外振動(dòng)測(cè)試被用于篩查工藝問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)早期故障和改進(jìn)分析模型。
在試驗(yàn)室做一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有以下優(yōu)勢(shì)：
  • 快速并具有可重復(fù)性。在試驗(yàn)室做振動(dòng)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相比，其可以快速并穩(wěn)定的進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。
  • 可獲取更多信息。試驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相比其容易安裝，其可以為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化產(chǎn)品性能提供獲取更多信息。
為了重復(fù)這個(gè)振動(dòng)，需要一個(gè)振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由特定的部分組成，從而重現(xiàn)振動(dòng)環(huán)境。
振動(dòng)控制系統(tǒng)
典型的振動(dòng)控制系統(tǒng)包含如圖4所示的幾個(gè)部分。
圖4振動(dòng)控制系統(tǒng)的組成
振動(dòng)控制系統(tǒng)各部件的作用如下：
振動(dòng)采集設(shè)備
  • 安裝有Simcenter Testlab振動(dòng)控制軟件的電腦。該部分用于管理振動(dòng)測(cè)試的類(lèi)型并確定振動(dòng)輸出的量級(jí)。友情提示Simcenter Testlab以前叫做LMS Test.lab。
  • 控制前端（SCADAS）。用于模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)化的前端，其將加速度傳感器獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電腦上可以記錄和查看的數(shù)字信號(hào)，并將模擬信號(hào)輸出給功放從而獲得想要的振動(dòng)量級(jí)。
振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)
  • 功放。從前端獲得信號(hào)并輸入給振動(dòng)臺(tái)，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的大小，時(shí)間的大小和目標(biāo)量級(jí)選擇不同的功放，當(dāng)然大量級(jí)的電壓或者電流是需要的。
  • 振動(dòng)臺(tái)。電動(dòng)或者液壓設(shè)備，其可以將試件進(jìn)行振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)擁有不同的特征，例如，為了對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不同軸或者方向的測(cè)試，振動(dòng)臺(tái)有水平或者豎直臺(tái)面，如圖5所示。
  • 圖5水平振動(dòng)臺(tái)（左）和豎直振動(dòng)臺(tái)（右）
  • 多軸振動(dòng)臺(tái)。為了同時(shí)模擬多軸的振動(dòng)需要多軸振動(dòng)臺(tái)。在多軸振動(dòng)臺(tái)上可以對(duì)試件進(jìn)行豎直、縱向和橫向的振動(dòng)，從而替換原先需要三次不同的試驗(yàn)，并且減少測(cè)試時(shí)間，如圖6所示。
  • 圖6，三軸多入多出振動(dòng)臺(tái)
  • 振動(dòng)臺(tái)的額定能力和極限。通常振動(dòng)臺(tái)根據(jù)最大的試件質(zhì)量、動(dòng)圈質(zhì)量和所需加速度可以確定額定能力。振動(dòng)臺(tái)也會(huì)有最大允許位移、速度和頻率，基于測(cè)試部件的尺寸和所期望的振動(dòng)量級(jí)，振動(dòng)臺(tái)如果超出其極限則不能產(chǎn)生所期望的振動(dòng)量級(jí)。
  • 振動(dòng)臺(tái)夾具。振動(dòng)臺(tái)夾具通常將試件剛性的安裝在振動(dòng)臺(tái)上并保持試件的位置。通常會(huì)用擴(kuò)展頭來(lái)擴(kuò)大振動(dòng)臺(tái)的安裝面。理想的情況是，加速的第一階共振頻率應(yīng)該高于最大的測(cè)試頻率，如圖7所示。
圖7振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展頭（左）擴(kuò)展頭的第一階模態(tài)（右）
 
測(cè)試對(duì)象和傳感器
 
傳感器
 
控制傳感器，通常是一個(gè)或者多個(gè)加速度計(jì)用于檢測(cè)和定義所需的振動(dòng)量級(jí)是否達(dá)到控制要求。此傳感器的靈敏度根據(jù)最大振動(dòng)量級(jí)進(jìn)行慎重選擇。因?yàn)閷?duì)于低量級(jí)的振動(dòng)測(cè)試可能100mv/g的加速計(jì)就足夠的，但是當(dāng)對(duì)于大量級(jí)的振動(dòng)測(cè)試可能需要mv/g的加速度計(jì)，從傳感器到測(cè)試前端的線(xiàn)纜長(zhǎng)度也應(yīng)該考慮。
 
測(cè)量傳感器，用于試件關(guān)鍵部位的振動(dòng)測(cè)量。
 
測(cè)試對(duì)象
 
安裝，測(cè)試對(duì)象安裝在振動(dòng)臺(tái)上應(yīng)模擬其安裝在現(xiàn)場(chǎng)的情形。
 
方向，多數(shù)情況下，測(cè)試對(duì)象在一次試驗(yàn)中做一個(gè)方向或者多個(gè)方向。
 
測(cè)試對(duì)象定位，測(cè)試對(duì)象的重心應(yīng)位于振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的重心上，從而避免產(chǎn)生額外的力矩。
 
上述部分共同組成如圖8所示的振動(dòng)控制系統(tǒng)。
圖8振動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
在進(jìn)行振動(dòng)控制試驗(yàn)之前通常會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)自檢測(cè)試，從而保證整個(gè)控制系統(tǒng)（包括控制前端、功放、傳感器、振動(dòng)臺(tái)、測(cè)試部件等）功能正常并組裝正確。
在下一節(jié)中我們將介紹正弦、隨機(jī)和沖擊三種常見(jiàn)的振動(dòng)控制試驗(yàn)類(lèi)型及應(yīng)用。 
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