Методы испытаний на воздействие вибрации

При испытаниях на воздействие вибрации наибольшее распространение получили следующие методы проведения испытаний:

- метод фиксированной частоты синусоидальной вибрации;

- метод качающейся частоты;

- метод широкополосной случайной вибрации;

- метод узкополосной случайной вибрации.

Иногда в лабораторных условиях проводят испытания на воздействия реальной вибрации.

Испытания методом фиксированных частот синусоидальной вибрации проводят путем установки заданных значений параметров вибрации на фиксированной частоте. Испытания могут осуществляться:

- на одной фиксированной частоте;

- на ряде частот механического резонанса;

- на ряде частот, заданных в рабочем диапазоне.

Испытания на одной фиксированной частоте f(i) в течение заданного времени t_п с определенной амплитудой ускорения (перемещения) малоэффективны. Т.к. вероятность того, что изделие в процессе эксплуатации или транспортировки подвергается воздействию вибрации на одной частоте, очень мала. Данный вид испытаний проводится в процессе производства для выявления некачественных паянных и резьбовых соединений, а также других дефектов производства.

Испытания методом фиксированных частот на частотах механического резонанса. Испытуемые изделия требуют предварительного определения этих частот. Испытуемое изделие последовательно подвергают воздействию вибрации на частотах резонанса, выдерживая его в каждом режиме в течение некоторого времени. Достоинством этого метода является то, что испытания проводятся на частотах, наиболее опасных для испытуемого ЭС. Недостатком является сложность автоматизации процесса испытаний, поскольку в процессе испытаний резонансные частоты могут несколько изменяться.

Испытания на ряде заданных в рабочем диапазоне частот целесообразно проводить для снятия характеристик изделия по точкам диапазона частот эксплуатации. Теоретически интервал между двумя соседними частотами выбирается не больше ширины резонансной характеристики конструктивного элемента. Это делается для того, чтобы не пропустить возможное возникновение резонанса. В случае обнаружения резонансных частот или частот, на которых наблюдается ухудшение контролируемых параметров изделия, рекомендуется дополнительная выдержка на этой частоте для уточнения и выявления причин несоответствия.

Испытания методом качающейся частоты осуществляются непрерывным изменением частоты вибрации в сторону ее увеличения, а затем уменьшения. Основными параметрами, характеризующими метод качающейся частоты, являются:

- время одного цикла качания Т_ц;

- скорость качания n_к;

- продолжительность испытаний Т_п.

Важным показателем метода качающейся частоты является скорость качания частоты. Исходя из того, что диапазон высоких частот вибрации (1000…5000 Гц) значительно шире диапазона низких частот вибрации (20…1000 Гц), следует, что при качании частоты с постоянной скоростью в пределах рабочего диапазона область низких частот будет проходить за меньшее время, чем высокочастотная область. В результате обнаружение резонансов в низких частотах будет затруднено. Поэтому обычно изменение частоты в пределах диапазона рабочих частот осуществляется по экспоненциальному закону.

f_в=f₁×e^kt, (3)

где f_в – частота вибрации в момент времени t, Гц; f₁ – нижняя частота рабочего диапазона, Гц; k– показатель степени, характеризующий скорость качания.

При выборе большой скорости качания оценка свойств испытуемого ЭС будет проводиться с большими погрешностями, т.к. амплитуда резонансных колебаний изделия достигнет меньших значений, чем при малой скорости, а также возможны пропуски (необнаружения) резонансов. При выборе малой скорости качания длительное прохождение диапазона рабочих частот может вызвать повреждение испытуемого изделия на резонансных частотах и увеличение длительности испытаний. Скорость изменения частоты должна быть такой, чтобы время изменения частоты в резонансной полосе частот t_Df было не меньше времени нарастания амплитуды вибрации изделия при резонансе до установившегося значения t_нари времени окончательного установления подвижной части измерительного или регистрирующего прибора t_y. Т.е. скорость изменения частоты будет ограничена следующими условиями:

t_Df> t_нар, (4)

t_Df> t_y.

Время нарастания амплитуды вибрации при резонансе до установившегося значения может быть приближенно рассчитано по формуле:

t_нар=k₁×Q/f₀, (5)

где f₀ – резонансная частота, Гц; Q - добротность изделия; k₁ – коэффициент, учитывающий увеличение времени нарастания амплитуды до установившегося значения в результате отклонения изменений амплитуды от линейного закона.

Значение k₁ рекомендуется применять равным 2-3, а значения f₀, Q определяют либо прямыми измерениями, либо используют данные их конструктивных аналогов.

С учетом всего вышесказанного скорость изменения частоты считают по формуле:

n_к=2000×lg(2×Q+1/2×Q)/t_Df, (6)

где t_Df - выбирают в соответствии с условиями (4). Если найденная по формуле скорость изменения частоты превышает 2 октавы/с, то ее принимают все равно 2 октавы/с – это предельно максимальная скорость изменения частоты.

Испытания методом широкополосной случайной вибрации.В этом случае реализуется одновременное возбуждение всех резонансов испытуемого изделия, что позволяет выявить их совместное влияние. Ужесточение условий испытаний за счет одновременного возбуждения резонансных частот сокращает время проведения испытаний, по сравнению с методом качающейся частоты.

Степень жесткости испытаний методом широкополосной случайной вибрации определяется сочетанием следующих параметров:

- диапазоном частот;

- спектральной плотностью ускорения;

- продолжительностью испытания.

Степени жестокости приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Степень жесткости	Среднее квадратичное значение ускорения, Гц-1	Спектральная плотность ускорения, g2
		0,05
		0,05
		0,1
		0,2
Примечание: Продолжительность воздействия вибрации 34 с; Диапазон частот 20-2000 Гц.

К достоинствам этого метода можно отнести:

- близость к механическим воздействиям при реальной эксплуатации;

- возможность выявления всех эффектов механического воздействия различных элементов конструкции;

- наименьшую продолжительность проведения испытаний.

К недостаткам относится высокая стоимость и сложность испытуемого оборудования.

Испытания методом узкополосной случайной вибрации.Этот метод еще называется методом случайной вибрации со сканированием полосы частот. Случайная вибрация в этом случае возбуждается в узкой полосе частот, центральная частота которой по экспоненциальному закону медленно сканирует по диапазону частот в процессе испытания.

В этом методе реализовано компромиссное решение методов испытаний широкополосным сигналом и синусоидальным сигналом с качающейся частотой.

Для обеспечения эквивалентности испытания методом воздействия случайной вибрации со сканированием полосы частот и испытанием на воздействие широкополосной случайной вибрации необходимо выполнение следующего условия:

g=s/(2×pi×f)^1/2 =const, (7)

где g – градиент ускорений, g×с^1/2; s – среднеквадратичное ускорение вибрации в узкой полосе частот, измеренное в контрольной точке, g; f – центральная частота полосы.

Степень жесткости испытаний в этом случае определяется сочетанием следующих параметров:

- диапазона частот;

- ширины сканирующей полосы частот;

- градиента ускорений;

- длительности испытаний.

Значение градиента ускорений находят по формуле:

g=0.22×S(f)^1/2, (8)

где S(f) – спектральная плотность ускорения вибрации при испытании методом широкополосной случайной вибрации.

Длительность испытания

t_и=2×t_ш×ln(f₁/f₂), (9)

где t_и – длительность испытания на случайную вибрацию со сканированием полосы частот; t_ш – длительность испытаний на широкополосную случайную вибрацию; f₁ и f₂ – нижняя и верхняя границы диапазона частот испытаний.

Ширина сканирующей полосы частот определяется узкополосным фильтром и выбирается из следующих интервалов: 2…5, 7…15.

К недостаткам метода можно отнести то, что, по сравнению с методом широкополосной случайной вибрации, в этом методе исключается взаимодействие механических резонансов и увеличивается время испытаний.