机械可靠度试验(Vibrationdropshock)

1、機械可靠度試驗簡介一、 振动实验1. 振动实验概要振动实验是评估产品在运输及使用过程中承受振动环境的适应能力，模拟产品可能遭遇的最严酷环境，为产品的设计验证，品质验证提供失效机理分析，失效统计，保证产品具有更高的可靠性水平。振动实验要求越来越多，其背景具体体现如下：1.1 新材料，新工艺的应用。1.2 整机小型化使元器件密集度更高，更容易受到外部振动影响。1.3 便携式、车载、机载、航天、经济全球化的物流环境，产品使用环境已变得更加苛刻和无法估计。2. 振动实验的分类。振动是物体围绕平衡位置，作往复运动的一种运动形式。通常用一些物理量（如位移、速度、加速度、频率等）随时间变化的函数式来表示振动

2、时间历程。2.1 名詞述語：载具 承载产品用的运输工具或平台。振动实验是一种以模拟载具的实验形式，所以不同的载具表现出的振动特性各不相同，各种载具的振动环境如下：註：振动实验不会因为产品之不同而有不同的振动实验规则，而是因为载具不同而有不同的振动实验规则。车载 5-500Hz 汽车运输主要的振动来源于路况，发动机的转速,行驶系统的激振力 ,这几个方面振动频宽在5 500Hz 之间，但由于充气轮胎本身具有较强的减震能力，是一个较好的高频减震器，所以对产品作用能量大多在5 200Hz 之间，而200-500Hz 之间部分频宽存在的能量随着频率增加而衰减。如图一表示。Acceleration Pro

3、file)zH2/g(notiareleccA1.0x10- 11.0x10- 21.0x10- 3Demand1.0x10- 41101001000Frequency(Hz)HP Spectrum 1.vrpLev. 1 Time: 0:00:00Output V RMS: 0.000Hewlett PackardDem and: 2.2682 GTotal Time: 0:00:00Spectrum 1Control: 0.0000 GSep 15, 2003 10:55:03Shipping Unit< 图 一 >船运 4-50Hz 船运振动源来于水面的波浪，水的物理特性决定

4、其振动频宽在 4-50Hz 之间。如图二表示。Acceleration Profile1.0x10 1)z1.0x10 0H/2g(notiareleccA 1.0x10 -1Demand1.0x10 -2101001Frequency (Hz)ASTM D 4169 Truck Level Le3.vrp.1 Time: 0:00:00Output V RMS: 0.000ASTM D 4169Demand: 1.2727 GTotal Time: 0:00:00TruckControl: 0.0000 GSep 15, 2003 11:09:17Assurance Level 3<

5、图 二 >空运 20-2000Hz 空运振动源来自于飞机周围的空气扰流、喷射气体、气流、音爆、次音速，上述振动源通过机身结构或其他传递界质，传递到机载之产品上，频宽通常在 20-2000Hz。 如图三表示。A cceleration Profile)zH/2g(notiareleccA1.0x10-21.0x10-31.0x10-4D emand1.0x10 -510010001000010Frequency (Hz)Lownav.vrpLev. 1 Time: 0:00:00Output V RM S: 0.000Demand: 1.0000 GTotal Time: 0:00:00C

6、ontrol: 0.0000 GSep 15, 2003 11:00:27< 图 三 >共振 一种振动能量放大现象，共振频率跟物体的刚度成正比，跟重量成反比。每种电子产品因为材质，结构等因素之不同。而表现出来的抗振能力也有所不同，但都会有若干个共振点，但并不是所有的共振点都会对产品造成破坏。造成严重破坏的通常为第一阶、第二阶的共振，也就是说低频共振影响最为严重，所以每种系列产品也会根据一些本行业的统计数据、产品特点制订一些行业规范。2.2 振动又以振动规律来分类，振动基本分为以下几形式：正弦振动 .（ sine sweep）正弦扫描是一种有规律、确定性的振动。在任何单一瞬间只有一个

7、频率点的存在。一个完整的正弦规格，有四个基本条件。（1）频率范围 ；如 5-500Hz（2）控制条件 ：A(加速度 )：V(速度 )：D(位移 )2三者关系： A=0.051f Df- 频率 HzD- 位移 mmp-p（3）扫频速率 ；表示扫频速度的快慢程度.扫频方式分二种 :a)线性扫频 (linear)Hz/min- 表 A线性扫频特点在于频宽内每个频率的停留时间都一样,单位一般用 Hz/min 表示。计算公式：n=( f1-f 2)/tf1 -扫频下限f2 -扫频上限t- 扫频时间“ 一般在汽车零件实验中应用线性扫频较多”No.ItemsSpec.1ConditionUn-package

8、 , Fix on the table2Force0.25G3Frequency530Hz4DirectionX，Y，Z5Time3 minutes/each direction6Cycle Time1 minute表 Ab)对数扫频 (log)1oct/min- 表 B对数扫频变化的特点是在指定频宽内扫频时,有低频较慢 /高频较快 ,以对数方式变化 ,也就是停留在每个倍频的时间都一样，如：10-80Hz log swept ,10-20Hz,20-40Hz,40-80Hz 每个倍频用的时间都为1Min （倍频是指：终止频率是起始频率的两倍，如：5-10Hz 就是一个倍频，即 1 octave

9、, 5-10Hz 需用 1min 去完成扫频 , 就是 1oct/min ）计算公式：n= 3.332*log (f2/f1)/T电子产品都用对数扫频方式进行扫频实验“”99%No.ItemsSpec.1ConditionUn-package , Fix on the table Power: On2Acceleration0.25G(0-to-peak)4Frequency10 to 500 Hz5DirectionX，Y，Z6sweep rate.0.25 octave / minute /each direction(依公式計算：總時間為 42mins)7Cycle10 to 500 t

10、o 10 Hz/ each axis表 B低频共振破坏力最大 ,所以一般的电子产品都采用对数扫频方式 ,使产品在低频时 ,多停留时间 ,以筛选出有潜在缺陷的部品 ,扫频速率选定,尽可能慢 ,以便于试件有足够的时间来响应， IEC 规程中一般要求Swept rate 1 octave/min.(4) 扫描时间 ：即单次扫频的持续时间 :正弦振动一般应用在研发过程中搜寻共振频率上,通过共振频率的搜寻 ,来改善产品的结构和减振措施 ,反过来改变产品的共振频率 .其目的是掌握产品的可靠性水平评估，为产品的标准化探讨实验及可靠性保证实验作前期的数据收集 ,以便于更好监控工艺流程。随机振动 (RANDOM

11、 ）随机振动是一个不确定性的振动模式,它在振动频宽内的所有频率点都具有能量。也就是说在同一时间 ,频宽内的所有频率都在振动 ,随机振动和正弦振动有本质的不同 ,是不能用时间的确定性函数来描述的振动现象 ,根据傅里叶级数 (Ftt) 的基本理论 ,任何一个时间函数都可以用一组时间函数叠加起来 ,即可以将该振动信号分解成许多不同频率的谐波分量即；随机振动有三个重要的参数:(1) 频宽是指试件随机振动的频率范围 .(2) 功率频谱密度 (PSD)。也叫 加速度谱密度 (ASD) : 表示实验中输给试件的能量随着频率分布 , 常用单位 :G2/Hz. 即单位频率所拥有的平均能量。随机振动实验主要通过控

12、制能量来控制振动的量级, 而“能量”这抽象化概念，在振动实验中也可以通过较为容易理解的物理量，如:速度 (V） . 侧面来了解振动，运动的物品具有动能（ 1/2MV2）与运动速度有着明显的关系，而加速度跟速度成正比，加速度与速度具有同样的物理属性，所以振动控制就采用相应的物理量（示能量。G2）来表(3) 持续时间 ：连续振动的总时间长度。随机振动中已知频宽 . 功率频谱密度这两个条件，就可以根据相关运算公式，得到均方根加速度值 ( 振动量级 )例： 0.731 Grms如图四表示 :Acceleration Profile1.0x10 -11.0x10 -2)zH/2g(no-3i1.0x10

13、tareleccA1.0x10 -4Demand1.0x10 -51010010001Frequency (Hz)ASTM D 4169 Truck Level 1.vrpLev. 1 Time: 0:00:00Output V RMS: 0.000ASTM D 4169Demand: 0.7310 GTotal Time: 0:00:00TruckControl: 0.0000 GSep 15, 2003 12:32:13Assurance Level 1< 图 四 >註：总均方根加速度（ Grms），只作为估算推力 F 的参数，在振动实验中没有任何物理意义 , 只是一个演算的结

14、果，即曲线包围的面积。振动的严酷度，要看能量在随频率的分布的谱域图；如图表示 :Acceleration Profile1.0x10 -1)1.0x10-2zH?g(notiareleccA 1.0x10 -3Demand1.0x10 -4100100010Frequency(Hz)ASTM D 4169 Truck Level 3.vrpLev. 1 Time: 0:00:00Output V RMS: 0.000Demand: 2.9990 GTotal Time: 0:00:00Control: 0.0000 GSep 15, 2003 12:21:22< 图 五>Accel

15、eration Profile1.0x10 -1)1.0x10-2zH/2g(notiareleccA 1.0x10 -3Demand1.0x10 -4100100010Frequency(Hz)ASTM D 4169 Truck Level 3.vrpLev. 1 Time: 0:00:00Output V RMS: 0.000Demand: 2.9999 GTotal Time: 0:00:00Control: 0.0000 GSep 15, 2003 12:27:53< 图 六 >比较两个振动谱域图 , 振动能量 Grms一样，但在下图比上图更具破坏力，因为下图振动能量集中在

16、低频部分，往往第一、二阶低频共振才对产品造成破坏，上图的振动能量全在高频部分，则可避开低频共振部分，实验的效果也可想而知 .随机振动和正弦扫描有着很大差异，如一个继电器，有二组不同通道的弹簧片，正弦扫频时，各个共振频率依次发生共振而不会相碰。而当随机实验中同时共振则可能相碰，造成故障，所以随机振动更接近于实际振动环境，通常在实验室一小时之随机振动实验等效于一千六百公里运输过程之效果。二、 跌落实验 ：主要用于实验室中模拟包装件在实际运输、装卸过程中受到跌落冲击的影响程度。评定包装件在搬运过程中耐冲击强度和包装设计的合理性。一般測試條件：(1) Weight of product (kg): T

17、BD Kg(2) Drop height (cm): TBD cm。(3) Filter frequency: TBD Hz。(4) Drop Sequence:SEQUENCEBox Orientation1Flat Bottom2Flat Top3Flat Left4Flat Right5Flat Rear6Flat Front7*Corner ( Front-Top-Right)8Edgeshortest edge radiating from corner9Edgemedium edge radiating from corner10Edge longest edge radiatin

18、g from corner(5) Drop Height:Package Product Weight PoundsKgHeight0 0.0 < W < 10 4.542” (106 cm)10 4.5 < W < 24 11.036” (91 cm)24 11.0 < W < 45 20.530” (76 cm)45 20.5 < W < 80 34.030” (76 cm)三 冲击 ：冲击是对产品施加突发性的力, 其加速度很大 , 致使试件在瞬间受到强烈的机械冲击 , 可造成电路的机械结构损坏, 也可造成內部电路结构折断开路。(1) 冲击产

19、生场合 ：a) 火车连接或刹车时，最大冲击加速度： （ 30-45g ）b) 卡车碰接时冲击加速度： 50g。c) 装甲车碰撞时最大冲击加速度； 200g。d) 战机发射武器最大冲击加速度： 50-75g .e) 导弹与发射架分离时可产生 200g. (1-2ms) 冲击加速度 .f) 炮弹爆炸中心半径内有 1000g(0.1-0.2ms) 冲击加速度。g) 炸弹、鱼雷、火箭等爆炸造成的冲击波 1000g-5000g( 持续 1ms以下 )h) 炮弹发射的冲击加速度可达 15000g, 临近引信处达 20000g.(2) 冲击性式 主要分为：a) 半正弦波 （弹性碰撞） 图七表示 :峰值加速度

20、 (G)-(g or m/s2)脉冲持续时间 (Duration)-ms( 作用时间 ).毫秒 .(定值 )速度（ v） -Inch/s(m/s) （變量）三者之間的關系：V=2AD × 10-3 /實例：Acceleration7.006.005.004.00)3.00G(n2.00oitare1.00leccA0-1.00-2.00-3.00Demand-4.00-50-40-30-20-100102030405060Time (mS)Trapezoid 5g 11ms.vkpOutput Vpk: 0.000Shock TestDemand: 5.0000Pulse: 0 of

21、 5000Control: 0.0000Sep 15, 2003 12:45:39< 图 七 >b) 矩形波（塑性变形） 图八、九表示 :峰值加速度 (G)-(g or m/s 2)脉冲持续时间 (Duration)-ms( 作用时间 ).毫秒 .(變量 )速度（ v） -Inch/s(m/s)（定值）三者之間的關系：V=0.9AD × 10-3實例：Acceleration7.006.005.004.00)3.00G(not2.00iarel1.00eccA0-1.00-2.00-3.00Demand-4.00-50-40-30-20-100102030405060Time (m S)Trapezoid 5g 11ms.vkpOutput Vpk: 0.000