（中车永济电机有限公司 山西省永济市 044502）
摘要：主要介绍了随机振动试验的分类、试验等级，随机振动试验中的参数计算分析探讨，研究了振动试验中实用的夹具的设计。
关键词：随机振动；推力；均方根；夹具
1 概述
振动试验是环境试验的重要项目之一。振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏, 并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品, 尤其是航空航天产品可靠性要求的提高, 作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。而振动试验中随机振动控制技术的出现, 使得在试验室内可以近似复现或模拟已知的随机振动环境成为可能, 同时为设备的设计改进, 或者判断它们是否满足规定的技术指标提供了科学的依据。因此, 作为一项重要的检测手段, 随机振动试验技术迅速的普及开来。
2 随机振动试验
2.1 随机振动试验术语
给试件施加随机振动的试验称随机振动试验，分为多宽带随机和窄带随机试验，其目的用于确定产品经受规定严酷等级的随机振动的能力，确定机械弱点和规定性能是否下降，并结合有关规定使用这些信息来决定试件是否接收。试验条件由频率范围,加速度谱密度,加速度谱密度的频谱,总均方根加速度值和试验时间等参数共同确定：a. 频率范围是指随机信号的有效频率成份的带宽；b.加速度谱密度是指单位频率上的能量； c.加速度谱密度的频谱是指随机振动能量在整个频率范围内的分布；d.均方根加速度是施加给产品的总能量。
2.2 随机振动试验类型
随机振动试验按实际环境要求有以下几种类型
1) 宽带随机振动试验, 这是应用最广的随机振动试验；在规定的频率范围内，按规定的普形状和总均方根值作宽带随机振动试验，并达到规定的时间。
2) 窄带随机振动试验, 这种随机振动有一个中心频率, 有一定带宽, 但带宽内PSD( 功率谱密度) 值是不变的, 也称窄带随机扫描试验。
2.3 影响振动试验的几个关键指标
试验推力: 试验推力对试验起着决定性的作用.所需推力超过振动台额定推力则试验不能进行, 但是推力远远小于振动台额定推力, 容易造成资源浪费.
最大位移: 随机振动试验时, 从振动条件上看不出随机振动的最大位移, 而其值也是不确定的. 因此有必要在试验前估算最大位移, 避免因超过行程而损坏振动台.
加速度: 对于随机振动是指均方根加速度. 它是表征随机振动总能量的统计参数.
频率范围: 试验所要求试验频率范围是否在振动台频率范围内.
3 随机振动试验常用技术指标计算
3.1 随机振动均方根值的计算
随机振动试验条件一般给出功率谱密度和频率的关系曲线，首先必须计算出总均方根加速度，这是估计振动台推力所必需的，功率谱密度曲线图如图1所示，图1 中, A1 为升谱, 斜率为6 dB/ oct; A 2 为平直谱; A 3 为降谱, 斜率为- 6 dB/ oct, Wb 和W1 分别为f b、f 1 点对应的功率谱密度, W 为平直谱对应的功率谱密度. 加速度总均方根值由曲线下总面积的和经过开方运算得到, 用以下公式表示：
.png)
4 振动试验夹具设计
4.1振动试验夹具的功能
夹具是为把试件牢固地固定在振动台工作台面上, 并把振动台的振动传给试件,它的质量直接关系着试验品的最大质量。但目前对试验夹具的重要性普遍重视不够, 设计人员仅凭感觉来设计夹具, 设计时缺乏必要的计算分析, 也没有必要的检验测试。这样的夹具传递的振动往往存在着很大的失真, 夹具上各点的振动量值相差很大, 也就是均匀度很差。一个好的夹具应有良好的动力传递特性。应能使试件做振动试验时试验量值被正确的传递; 保证振动台的运动正确地传递给试件。
夹具的功能主要是：
a.联接或固定试件；
b.传达力或振动参数；
c.保持或改变振动方向
根据上述要求在夹具的设计过程中一般注意以下几点:
a. 根据振动台推力和被试设备的重量, 按式(7) 核算夹具的允许重量。
b.根据试件的结构安装形式、台面安装孔位置、试验条件( 加速度幅值、试验方向等) 确定夹具的结构形式, 确保试件和夹具的组合重心与台面重心重合。
c.夹具方案确定后, 最好进行计算分析。可采用估算法, 找出引起低阶频率的薄弱环节, 在加工之前予以改进。
d.能方便的与振动台面和试件联接，避免产生非主振方向的运动。
4.2夹具设计、制作的原则
（1）材料
夹具材料应选用比刚度大、阻尼大的材料。最常用的是铝、镁及其合金。材料的比刚度大，意味着质量轻而刚度大，则夹具对推力影响小，故夹具对振动试验影响小，传递力和参数性能好。
（2）重量
夹具的重量原则上要轻，根据fn= ，刚度k大，质量m轻，夹具的固有频率fn才能大。另外也要考虑夹具的结构强度，防止因结构强度不足，导致夹具被振坏。
（3）对中
在垂直方向上振动时，应使试件和夹具的重心在振动台的中心线上，以免引起振动波形失真，当试件和夹具的重心较高时，则设计有良好的平衡性能的夹具更重要，应设计成对称的、低重心的夹具。
（4）制作
夹具制作的方法有整体机加工、螺钉连接、铸造、焊接、粘接等方式，其中以整体机加工为好。对螺栓连接的夹具要精心设计，配合面要求平整光洁，要注意螺栓的剪切力。铝铝合金或铝镁合金材质软，一般采用粗牙螺栓连接。
5 随机振动试验实例
机车变频器功率模块需要做随机振动试验，因该部件是车体上直接安装在箱体内部的部件，按照标准《GB/T 21563-2008 轨道交通机车车辆设备 冲击和振动试验》1类B级进行，试验参数见表1，目的是通过振动试验来考核功率模块整体及内部各元器件不产生机械损伤，性能能满足要求。
控制点的布置：试验安装两个加速度传感器，分别安装在试品的中心位置和振动台台体上，为了使传感器安装牢固，采用502胶粘接方式。
根据标准要求，计算下列影响关键振动试验的几个关键指标：
试验频率范围为5～150hz，所用设备频率范围为5～2000Hz。
最大位移估算：根据公式（8）计算
X p- p=1067x[1.857/100x53]=13mm，所用设备最大位移为2英寸。
试验推力估算：F=mG=50X7.9=395N，所用设备最大推力26.7kN。
经计算得知，该设备满足实验要求。
试验用夹具采用角钢焊接而成，安装方式采用功率模块在变流器中安装用的定位器联接，避免产生主振方向运动。
试验中监测控制曲线有无异常，每次开始试验前、停止试验后检查试品整体外观质量，螺栓有无松动，元器件有无损坏和异常，并做好记录。试验结束后，出具试验报告。
.png)
6 结束语
随着科学技术的发展，对产品的性能提出了更高更苛刻的要求。因此，研究力学环境试验技术，研究振动目的，就是要防止各种力学环境因素对机器、设备、结构、元件、器件的影响和对人身造成的伤害，确保产品的质量和可靠性，这是我国现代化建设的重要课题之一。对力学环境试验技术的研究，就是要防止力学环境因素对产品造成的危害，通过对力学理论更深的研究，从而对力学环境因素所产生的破坏失效机理进行更深入更全面的分析，找出更好更切实际的解决方法。因此，产品进行振动试验是很有必要的。
参考文献
1、 《电工电子产品环境试验国家标准汇编》（第二版）。中国标准出版社
2、 《随机振动试验应用技术》。中国计量出版社