機械可靠度試驗(Vibrationdropshock)

1、機械可靠度試驗簡介一、 振動實驗1. 振動實驗概要振動實驗是評估產(chǎn)品在運輸及使用過程中承受振動環(huán)境的適應(yīng)能力，模擬產(chǎn)品可能遭遇的最嚴(yán)酷環(huán)境，為產(chǎn)品的設(shè)計驗證，品質(zhì)驗證提供失效機理分析，失效統(tǒng)計，保證產(chǎn)品具有更高的可靠性水平。振動實驗要求越來越多，其背景具體體現(xiàn)如下：1.1 新材料，新工藝的應(yīng)用。1.2 整機小型化使元器件密集度更高，更容易受到外部振動影響。1.3 便攜式、車載、機載、航天、經(jīng)濟全球化的物流環(huán)境，產(chǎn)品使用環(huán)境已變得更加苛刻和無法估計。2. 振動實驗的分類。振動是物體圍繞平衡位置，作往復(fù)運動的一種運動形式。通常用一些物理量（如位移、速度、加速度、頻率等）隨時間變化的函數(shù)式來表示振動

2、時間歷程。2.1 名詞述語：載具 承載產(chǎn)品用的運輸工具或平臺。振動實驗是一種以模擬載具的實驗形式，所以不同的載具表現(xiàn)出的振動特性各不相同，各種載具的振動環(huán)境如下：註：振動實驗不會因為產(chǎn)品之不同而有不同的振動實驗規(guī)則，而是因為載具不同而有不同的振動實驗規(guī)則。車載 5-500Hz 汽車運輸主要的振動來源于路況，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,行駛系統(tǒng)的激振力 ,這幾個方面振動頻寬在5 500Hz 之間，但由于充氣輪胎本身具有較強的減震能力，是一個較好的高頻減震器，所以對產(chǎn)品作用能量大多在5 200Hz 之間，而200-500Hz 之間部分頻寬存在的能量隨著頻率增加而衰減。如圖一表示。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< 圖 一 >船運 4-50Hz 船運振動源來于水面的波浪，水的物理特性決定

4、其振動頻寬在 4-50Hz 之間。如圖二表示。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、圖 二 >空運 20-2000Hz 空運振動源來自于飛機周圍的空氣擾流、噴射氣體、氣流、音爆、次音速，上述振動源通過機身結(jié)構(gòu)或其他傳遞界質(zhì)，傳遞到機載之產(chǎn)品上，頻寬通常在 20-2000Hz。 如圖三表示。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< 圖 三 >共振 一種振動能量放大現(xiàn)象，共振頻率跟物體的剛度成正比，跟重量成反比。每種電子產(chǎn)品因為材質(zhì)，結(jié)構(gòu)等因素之不同。而表現(xiàn)出來的抗振能力也有所不同，但都會有若干個共振點，但并不是所有的共振點都會對產(chǎn)品造成破壞。造成嚴(yán)重破壞的通常為第一階、第二階的共振，也就是說低頻共振影響最為嚴(yán)重，所以每種系列產(chǎn)品也會根據(jù)一些本行業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、產(chǎn)品特點制訂一些行業(yè)規(guī)范。2.2 振動又以振動規(guī)律來分類，振動基本分為以下幾形式：正弦振動 .（ sine sweep）正弦掃描是一種有規(guī)律、確定性的振動。在任何單一瞬間只有一個

7、頻率點的存在。一個完整的正弦規(guī)格，有四個基本條件。（1）頻率范圍 ；如 5-500Hz（2）控制條件 ：A(加速度 )：V(速度 )：D(位移 )2三者關(guān)系： A=0.051f Df- 頻率 HzD- 位移 mmp-p（3）掃頻速率 ；表示掃頻速度的快慢程度.掃頻方式分二種 :a)線性掃頻 (linear)Hz/min- 表 A線性掃頻特點在于頻寬內(nèi)每個頻率的停留時間都一樣,單位一般用 Hz/min 表示。計算公式：n=( f1-f 2)/tf1 -掃頻下限f2 -掃頻上限t- 掃頻時間“ 一般在汽車零件實驗中應(yīng)用線性掃頻較多”No.ItemsSpec.1ConditionUn-package

8、 , Fix on the table2Force0.25G3Frequency530Hz4DirectionX，Y，Z5Time3 minutes/each direction6Cycle Time1 minute表 Ab)對數(shù)掃頻 (log)1oct/min- 表 B對數(shù)掃頻變化的特點是在指定頻寬內(nèi)掃頻時,有低頻較慢 /高頻較快 ,以對數(shù)方式變化 ,也就是停留在每個倍頻的時間都一樣，如：10-80Hz log swept ,10-20Hz,20-40Hz,40-80Hz 每個倍頻用的時間都為1Min （倍頻是指：終止頻率是起始頻率的兩倍，如：5-10Hz 就是一個倍頻，即 1 octave

9、, 5-10Hz 需用 1min 去完成掃頻 , 就是 1oct/min ）計算公式：n= 3.332*log (f2/f1)/T電子產(chǎn)品都用對數(shù)掃頻方式進行掃頻實驗“”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低頻共振破壞力最大 ,所以一般的電子產(chǎn)品都采用對數(shù)掃頻方式 ,使產(chǎn)品在低頻時 ,多停留時間 ,以篩選出有潛在缺陷的部品 ,掃頻速率選定,盡可能慢 ,以便于試件有足夠的時間來響應(yīng)， IEC 規(guī)程中一般要求Swept rate 1 octave/min.(4) 掃描時間 ：即單次掃頻的持續(xù)時間 :正弦振動一般應(yīng)用在研發(fā)過程中搜尋共振頻率上,通過共振頻率的搜尋 ,來改善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和減振措施 ,反過來改變產(chǎn)品的共振頻率 .其目的是掌握產(chǎn)品的可靠性水平評估，為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化探討實驗及可靠性保證實驗作前期的數(shù)據(jù)收集 ,以便于更好監(jiān)控工藝流程。隨機振動 (RANDOM

11、 ）隨機振動是一個不確定性的振動模式,它在振動頻寬內(nèi)的所有頻率點都具有能量。也就是說在同一時間 ,頻寬內(nèi)的所有頻率都在振動 ,隨機振動和正弦振動有本質(zhì)的不同 ,是不能用時間的確定性函數(shù)來描述的振動現(xiàn)象 ,根據(jù)傅里葉級數(shù) (Ftt) 的基本理論 ,任何一個時間函數(shù)都可以用一組時間函數(shù)疊加起來 ,即可以將該振動信號分解成許多不同頻率的諧波分量即；隨機振動有三個重要的參數(shù):(1) 頻寬是指試件隨機振動的頻率范圍 .(2) 功率頻譜密度 (PSD)。也叫 加速度譜密度 (ASD) : 表示實驗中輸給試件的能量隨著頻率分布 , 常用單位 :G2/Hz. 即單位頻率所擁有的平均能量。隨機振動實驗主要通過控

12、制能量來控制振動的量級, 而“能量”這抽象化概念，在振動實驗中也可以通過較為容易理解的物理量，如:速度 (V） . 側(cè)面來了解振動，運動的物品具有動能（ 1/2MV2）與運動速度有著明顯的關(guān)系，而加速度跟速度成正比，加速度與速度具有同樣的物理屬性，所以振動控制就采用相應(yīng)的物理量（示能量。G2）來表(3) 持續(xù)時間 ：連續(xù)振動的總時間長度。隨機振動中已知頻寬 . 功率頻譜密度這兩個條件，就可以根據(jù)相關(guān)運算公式，得到均方根加速度值 ( 振動量級 )例： 0.731 Grms如圖四表示 :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< 圖 四 >註：總均方根加速度（ Grms），只作為估算推力 F 的參數(shù)，在振動實驗中沒有任何物理意義 , 只是一個演算的結(jié)

14、果，即曲線包圍的面積。振動的嚴(yán)酷度，要看能量在隨頻率的分布的譜域圖；如圖表示 :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< 圖 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< 圖 六 >比較兩個振動譜域圖 , 振動能量 Grms一樣，但在下圖比上圖更具破壞力，因為下圖振動能量集中在

16、低頻部分，往往第一、二階低頻共振才對產(chǎn)品造成破壞，上圖的振動能量全在高頻部分，則可避開低頻共振部分，實驗的效果也可想而知 .隨機振動和正弦掃描有著很大差異，如一個繼電器，有二組不同通道的彈簧片，正弦掃頻時，各個共振頻率依次發(fā)生共振而不會相碰。而當(dāng)隨機實驗中同時共振則可能相碰，造成故障，所以隨機振動更接近于實際振動環(huán)境，通常在實驗室一小時之隨機振動實驗等效于一千六百公里運輸過程之效果。二、 跌落實驗 ：主要用于實驗室中模擬包裝件在實際運輸、裝卸過程中受到跌落沖擊的影響程度。評定包裝件在搬運過程中耐沖擊強度和包裝設(shè)計的合理性。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 沖擊 ：沖擊是對產(chǎn)品施加突發(fā)性的力, 其加速度很大 , 致使試件在瞬間受到強烈的機械沖擊 , 可造成電路的機械結(jié)構(gòu)損壞, 也可造成內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)折斷開路。(1) 沖擊產(chǎn)

19、生場合 ：a) 火車連接或剎車時，最大沖擊加速度： （ 30-45g ）b) 卡車碰接時沖擊加速度： 50g。c) 裝甲車碰撞時最大沖擊加速度； 200g。d) 戰(zhàn)機發(fā)射武器最大沖擊加速度： 50-75g .e) 導(dǎo)彈與發(fā)射架分離時可產(chǎn)生 200g. (1-2ms) 沖擊加速度 .f) 炮彈爆炸中心半徑內(nèi)有 1000g(0.1-0.2ms) 沖擊加速度。g) 炸彈、魚雷、火箭等爆炸造成的沖擊波 1000g-5000g( 持續(xù) 1ms以下 )h) 炮彈發(fā)射的沖擊加速度可達(dá) 15000g, 臨近引信處達(dá) 20000g.(2) 沖擊性式 主要分為：a) 半正弦波 （彈性碰撞） 圖七表示 :峰值加速度

20、 (G)-(g or m/s2)脈沖持續(xù)時間 (Duration)-ms( 作用時間 ).毫秒 .(定值 )速度（ v） -Inch/s(m/s) （變量）三者之間的關(guān)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< 圖 七 >b) 矩形波（塑性變形） 圖八、九表示 :峰值加速度 (G)-(g or m/s 2)脈沖持續(xù)時間 (Duration)-ms( 作用時間 ).毫秒 .(變量 )速度（ v） -Inch/s(m/s)（定值）三者之間的關(guān)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