变激励振动用低压电器可靠性机理研究.docx
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变激励振动用低压电器可靠性机理研究
变激励振动用低压电器可靠性机理研究
-----低压电器振动试验机理
1、概述
电动振动试验系统是环境试验的主要试验手段之一，用它可以完成环境试验标准中的振动试验和冲击试验。
当今国内外在环境试验上有许多标准和方法,但归纳起来为二大体系：
一类是以IEC（国际电工委员会）为主体的国际通用的民用（商用）产品的环境试验体系,它是国际贸易中民用（商用）产品的环境适应性水平要求的共同语言、统一准则，它是以欧洲资本主义国家为主导制订的，可以说它是欧洲资本主义国家环境试验现状和水平的反映。
我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将TC50（环境试验）、TC75（环境条件）制订（转化）成环境试验国标（GB/T2423系列标准）与环境条件国标（GB/T4798系列标准）。
IEC标准的特点是模拟试验方法（程序）经典、试验再现性高。
另一类是军用产品的环境试验体系，最有代表性为美国的MIL标准和英国国防部07-55标准。
我国自80年代开始采用等效或等同的方法先后将相同专业的美国MIL标准转换为我国军标，美国军标的特点是工程应用性好。
在环境试验领域内最常用的美国军标和相应的我国军标示例见下表：
美国军标
相应的我国军标
MIL-STD-883E
微电子器件试验方法标准
GJB548A-96
微电子器件试验方法与程序
MIL-STD-202F
电子及电气元件试验方法
GJB360A-96
电子及电气元件试验方法
MIL-STD-810F
环境工程考虑与实验室试验
GJB150-86
军用设备环境试验方法
（等效MIL-STD-810C/D）
MIL-STD-1504C
运载器、顶级飞行器、航天器试验要求
GJB1027
卫星环境试验要求
在此值得一提的是我国军标GJB4-83舰船电子设备环境试验是我国自行制订的国军标。
从上面的叙述可见，我国的环境试验标准有民（商）用和军用二大标准体系，民用是等效或等同采用的IEC标准体系，军用是等效或等同采用美国军标体系。
就振动类的试验而言，当今环境试验中的典型振动试验有：
正弦振动、随机振动、冲击振动等。
其中随机振动方法又可分为宽带随机和窄带随机，在具体进行宽带随机振动试验时，还可将窄带随机或正弦振动叠加在在宽带随机振动上。
2、正弦振动试验
2.1试验目的
正弦振动试验的目的是在试验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中所可能经受到的正弦振动及其影响。
正弦振动主要是由于飞机、车辆、船舶、空中飞行器和地面机械的旋转、脉动、振荡等诸力所引起的。
振动对产品的影响主要有：
（1）对结构的影响
这种影响主要是指变形、弯曲、产生裂纹、断裂和造成部件之间的相互撞击等。
这种破坏又可分为由于振动所引起的应力超过产品结构强度所能承受的极限而造成的破坏，以及长时间的振动（例如107次以上应力循环的振动）使产品发生疲劳而造成的破坏，这种破坏通常是不可逆的。
（2）对工作性能的影响
这种影响主要是指振动使运动部件动作不正常、接触部件接触不良、继电器产生误动作，电子器件噪声增大、指示灯闪烁等，从而导致工作不正常、不稳定，甚至失灵、不能工作等。
这种影响的严重程度，往往取决于振动量值的大小，而且这种破坏通常不属于永久性的破坏。
因为在许多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常,可见这种破坏往往是可逆的。
（3）对工艺性能的影响
这种影响主要是指螺钉松动、连接件或焊点脱开等。
这种破坏通常在一个不太长的振动时间内（例如半小时）就会出现。
上述的种种影响，特别是当产品的固有频率和激励频率相等引起共振而导致响应幅值急剧增大时，会更迅速和更严重地发生。
1974年日本对121艘船舶所作的调查中发现，在4778起设备事故中，由于振动引起的占17%。
在损坏的656件自动控制设备的元器件中，由于振动损坏的占18.7%。
我国的电子电工产品由于振动引起的结构破坏、性能下降、工作不良和失灵的事例也屡有发生，而且是比较严重的。
所以，正弦振动试验是用来确定产品能否经受住预定的振动条件，能否在预定的振动条件下可靠地工作、不出故事和性能不发生下降的一种行之有效的方法。
实际上产品所遇到的振动在大多数情况下是随机性质的振动，对这些随机振动，本应随机振动试验方法进行试验更切合实际。
但由于历史原因，即最先有的是简单的容易产生的正弦振动，后随着科学技术的发展，复杂的技术含量高的随机振动才一步一步的发展起来。
加上随机振动控制仪刚出来时设备价格昂贵，而且需要较高的技术操作水平，试验成本高，其次至今还有许多标准一直沿用正弦振动试验，所以当今还有相当一部分在使有中实际经受到的是随机振动，而在对产品的摸底、鉴定、例外和验收中用的仍是正弦振动试验来进行。
另外，正弦振动还可用来研究产品的动态特性等。
所以正弦振动试验在力学环境试验中还是一个最重要的振动试验项目，也是一个很经典的试验方法。
。
2.2正弦振动的描述
正弦振动试验是属于“规定一种机械运动”的力学环境试验方法，而这种机械运动就是以正弦曲线为基本运动的轨迹。
所以在正弦振动试验中，若知过去的运动状态就可以确定未来任何时刻运动的各要素。
当用位移来作为时变函数时，正弦振动的基本运动可用下式表示：
（2-1）
式中：
X-某时刻的位移幅值
—位移峰值
—角频率
—初相角
若初相角
=0，则：
（2-2）
对上式进行求导：
便可得出速度和加速度的方程：
（2-3）
（2-4）
从上述各式可以看出，速度和加速度与位移是具有同一频率的运动。
但其相位而言，速度比位移导前900，加速度又比速度导前900，即比位移导前1800，说明加速度正比于位移而指向原点。
当加速度的单位用g表示时，正弦振动的基本运动有又可直接用下列方程表示：
（2-5）
式中：
-某时刻的加速度幅值
–加速度峰值
–角频率
-初相角
当初相角为零时，则：
（2-6）
从上述正弦振动试验的方程式可见，用频率、幅值两个参数就可以完整描述正弦振动试验的基本运动了。
所以正弦振动试验的试验条件（严酷等级）由频率、振幅、试验持续时间三个参数共同确定。
2.3试验条件及其选择
对正弦振动，目前国内外无论是军用标准还是民（商）用标准都被广泛采用着，不同的是采用的目的和施加的对象不一样。
在微电子器件试验方法与程序的美军标和国军标中利用正弦振动对器件进行强度、疲劳和噪声考核，在电子及电气元件试验方法的美军标和国军标中除航天航空上的产品外，其它都用正弦振动进行环境适应性和结构完整性考核，在军用设备环境试验方法的美军标（810）和国军标（150）中用正弦振动进行振动响应检查和舰船设备环境适应性和结构完整性考核，在卫星环境试验要求美军标（1540）和国军标（1027）中也要用正弦振动进行响声检查与共振频率、模态、振型分析。
在IEC和国标中正弦振动用得更广泛。
前面已述，正弦振动试验的试验条件（严酷等级）有频率范围，振幅值，试验等持续三个参数共同确定。
如果有产品安装平台环境条件数据就直接用产品安装平台的数据。
如果没有，或是可用在多种场合使用、或是具有多种用途的货架产品、可以根据下面标准中给出的条件通过工程判断来确振动试验的条件。
2.3.1频率、频率范围及其选择
对频率、频率范围，首先要熟悉标准。
有的标准（特别是军标）是直接给出，即按产品的使用环境直接给出了试验的频率或频率范围；民（商）用标准通常是用两种方式来规定的。
第一种方式是给出一组下限频率（通常为：
0.1、1、2、5、10、55、100HZ）和一组上限频率（通常为：
10、20、35、55、80、100、150、200、300、500、2000、5000HZ），由使用者根据需要进行选择试验频率和频率范围。
另一种方式是直接给出一系列的频率范围（通常为：
1-35、1-100、2-80、10-55、10-100、10-150、10-200、10-500、10-2000、10-5000、55-500、55-2000、55-5000HZ），使用者根据需要进行选择。
产品在运输、贮存和使用过程中，有时会遇到很低的振动频率，例如车辆上用的设备，
其车辆主要基波频率可能低到在1.5~4Hz之间，而振动试验设备，要达到1.5Hz，其加速度波型失真就会超差很大，达不到试验的要求。
因此在确定试验频率范围时就要权衡，如果一个产品试验频率范围不宽，低频端在1Hz或1Hz以下，高频端在100（或~500Hz），则可用液压振动台来实现；如果一个产品试验频率范围很宽，其高频段在500~2000Hz或以上，而低频端又要到1Hz或1Hz以下，则只能适当的提高低频段的起点频率，例如低频端从5~10Hz开始，因为要达到500~2000Hz的频率，必需用电动振动台来进行试验，而当今的电动振动台随着科学技术的发展，其低频端已可达到5~10Hz（一些21世纪研制出的性能优良的电动振动台已可达到2Hz，但加速度失真仍偏大）。
下面再以船用产品为例来说明这个问题。
船舶的振动主要由船舶的动力机械产生的，因此下限频率应根据最低螺旋桨的轴速度来确定。
目前国际和国内沿海和远洋船舶大部分都使用中.低速柴油机，它们的最低稳定转速在40-80转/分之间，因此下限频率应选择在5-10HZ。
船舶的上限频率主要螺旋桨轴的转速×浆页数×60来确定。
目前几个发达的资本主义国家的军用舰艇设备的振动标准中，其上限频率都是这样规定的。
例如装有海神1250型柴油机的舰船，因其轴转速为11400转/分，经减速后为5150转/分，螺旋浆叶为三片，这样可取300Hz的频率为上限频率。
对陆用和空用产品，也可视振源的特点，采用计算的方法或现场实测的方法来确定其试验的频率及频率范围。
2.3.2振幅及其选择
在正弦振动试验中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二种，在实际试验时，有的试验仅给出位移幅值，有的试验同时给出位移幅值和加速度幅值。
仅给出一个位移幅值：
对IEC标准和国标，其上限频率不超过10Hz的试验，只给出一个位移幅值；对美军标和国军标，例如电子及电气元件试验方法，在10~55Hz的频率范围内也仅给出一个位移幅值，其值为0.75mm（单振幅）。
同时给出位移幅值和加速度幅值：
产品安装（放）平台实际振动的特点是频率愈高加速度愈大，频率愈低位移幅值愈大，而且是随着振动频率的变化而不断改变的。
就对产品的影响而言，低频主要是位移破坏，高频主要是加速度破坏，而当今的正弦振动试验是建立在以往科学技术基础上的，当时（形成正弦振动试验时）的试验室模拟技术还不可能实现像现场振动一样随着振动频率的变化而其振幅有位移幅值不断改变，只能采用尽量逼近现场振动的方法，因此采用低频段位移幅值不变（称定位移），高频率段加速度幅值不变（称定加速度），从定位移变到定加速度之间的频率称交越频率（振动特性一种关系变到另一种关系的频率）。
在IEC标准和国标中有二种交越频率，即8~9Hz的低交越频率和57~62Hz高交越频率，前者主要用于舰船产品的试验，后者主要用于陆用和空用产品的试验。
就位移幅值和加速度幅值而言，对元器件类标准，由于其通用性，通常给出一系列可供不同用途整机进行选择的的严酷等级，例如在微电子器件试验方法与程序的美军标和国军标中试验的频率范围为20~2000Hz，其振级有：
0.75mm/20g、0.75mm/50g、0.75mm/70g三个等级；在电子及电气元件试验方法中，高频振动的试验频率范围为10~2000Hz，其振级有：
0.75mm/10g、0.75mm/15g、0.75mm/20g、0.75mm/30g、0.75mm/55g、0.75mm/80g六个等级；
在IEC标准和国标中，对8~9Hz的低交越频率，有0.35mm/0.1g、0.75mm/0.2g、1.5mm/0.5g、3.5mm/1g、7.5mm/2g、10mm/3g、15㎜／5g七个等级，对57~62Hz的高交越频率，有0.35mm/5g，0.75mm/10g，1mm/15g，1.5mm/20g，2mm/30g，3.5㎜／50g六个等级，对上限频率只到10HZ的位移幅值，有10㎜，35㎜，100㎜三种位移幅值。
在这里还需指出的是，对IEC标准和国标，它是不分元器件和整机的。
对诸如美军标810和国军标150等军用装备（整机）标准，通常是按其安装平台的振动给出的。
这种按其安装平台给出的振动是加严的，因为数据处理时它可能取的是实测振动的极值包络，有时还加上一定的安全系数。
2.3.3试验的持续时间及其选择
试验的持续时间是描述产品的耐受振动能力的重要参数。
对试验持续时间的选择相对于上述二个参数的选择要困难得多。
因为目前一般很难给出多长的试验时间相当于实际使用的多少时间。
对扫频试验，通常以扫频循环数给出试验时间。
对定频试验，则直接以分钟和小时给出试验时间。
IEC和国标对扫频试验给出了1，2，5，15，20，50，100等七个扫频循环数等级，对定频试验给出了10分，30分，1小时，1.5小时，2小时，10小时等六个试验时间等级；对微电子器件试验方法与程序和电子及电气元件试验方法的美军标和国军标，给出了12个（三方向）和36个（三方向）二种扫频循环数等级。
在这里还需指出的是进行扫频试验时，其扫频速率通常为1倍频程/min。
如何具体地选择试验的持续时间，通常是根据振动对产品的破坏机理来确定的。
振动对产品的破坏，一般可以分为三种，即对产品工作性能的破坏，对产品结构完好性的破坏，对产品寿命的破坏。
如果主要考虑振动对产品工作性能的影响，如工作不正常、不稳定、失灵、甚至不能工作等，通常是振动一旦停止，工作性能就能恢复正常，所以其试验时间可按设备所需的最长连续工作时间结合实践经验来确定。
结构破坏主要是指脱焊、螺钉松动、连接件脱开、部件的相互撞击。
对这种破坏一般在30分钟到一小时就能发现。
对其中的螺钉松动和连接件脱开、部件的撞击也可按最长的连续工作时间来考虑。
在某些情况下，也可按全部寿命时间来考虑。
如果是为了确定产品承受累积应力的能力（疲劳），其时间应根据产品的使用要求，按使用时可能出现的应力循环数来确定，或按无限寿命，即107次应力循环来确定试验时间。
2.4安装和控制
在正弦振动试验中，被试样品是否能真正受到所规定的试验条件（严酷等级）的考核，对于不同的人、不同的地点（设备）或不同的时间所做的试验，其结果是否都相一致，即试验是否具有高的再现性，在很大的程度上取决于试验时对样品的安装、固定以及试验中的控制和检测。
正弦振动试验标准中的试验条件，是以产品实际所遇到的环境振动为依据制定的，而且考虑的是振动输入点上的情况。
所以对样品的安装固定以及试验中的控制与检测，必须根据这一原则来进行。
然而，由于产品的品种繁多，大小形状不一，在具体处理时会碰到许多问题。
如何解决？
首先应选择好固定点。
所谓固定点就是固定样品的点。
它是指样品与夹具、或样品与振动台台面点接触的部分。
在实际使用时，此处通常是固定样品的地方。
如果产品的实际安装结构的一部分作夹具使用，则应取安装结构和振动台台面点接触的部分作固定点，可见固定点一定要选取在产品在实际使用时振动输入的地方。
有时振动试验的目的不是为了考核产品经受环境应力的能力，而是要考核产品的内部结构强度，例如晶体管、集成电路的内强度试验，此时固定点就要选择在样品的本体上，使激振力通过壳体传到内部结构上。
固定点确定以后，紧接着就是确定检测点。
因为试验的要求需要通过检测点来保证，即检测点是用来保证样品在试验时，实际所受到的试验条件（严酷等级）能在所规定的容差范围内。
检测点可位于夹具上、振动台或样品上，但要尽量接近固定点，并且在任何情况下，检测点上的传感器都要和固定点刚性连接。
如果样品的固定点等于或少于4个，则每一个都作为检测点使用。
如果超过4个，则规定4个具有代表性的固定点作检测点用。
在特殊情况下，例如对大型和复杂的样品，检测点可以规定在其它地方（即不紧靠固定点）。
当大量的小样品安装在一个夹具上时，或当一个小样品有许多固定的情况下，则选择一个检测点就可以了，但该点应选择在夹具上，其条件是夹具装上样品后的最低共振频率应超过试验的上限频率。
当固定点、检测点确定以后，就是确定控制点。
因为检测点上的试验容差要求主要是通过控制点来保证的。
所谓控制点就是振动试验中用来取得控制所需反馈信号的点，可见试验的准确性和再现性将取决于控制点控制试验的精度。
控制点是从检测点中选出来的。
而且为了使整个试验达到所规定的容差要求，控制点上的要求要高于检测点上的要求。
控制点一般有二种：
一种是单点控制的控制点；另一种是多点控制的控制点。
综上所述，为了使试验结果准确和达到高的再现性，在实际试验时，除要将控制点在规定的容差范围内，还应同时检查和监测各检测点上的试验量值是否在规定的容差范围内。
2.5试验程序
正弦振动试验的程序通常有预处理，初始检测，初始振动响应检查，功能试验，强度（耐久）试验，最后振动响应检查，恢复，最后检测各步组成。
下列各步是正弦振动试验的核心。
2.5.1初始振动响应检查
初始振动响应检查的目的是寻找和确定样品的危险频率（指样品本身的共振频率，以及由于振动而使样品出现功能故障、性能指标超差等的频率），为如何做好功能试验，强度（耐久）试验提供资料。
在早期的振动试验标准中，这一步称为共振检查。
后来在实践中发现，产品在这方面的薄弱环节不仅仅是共振点，要提高产品的抗振性能，还必须知道影响产品结构强度和性能的所有频率点。
事实上，振动响应检查还可以用来研究产品的动态特性及评价结构强度和疲劳特性，因为共振频率或其它有关响应频率的变化往往标志着刚度的变化（例如连接松动）,或疲劳的出现。
特别是当有了样品使用环境条件方面的数据后，响应检查就更为有用，因为可以根据响应检查的结果来改进设计，使产品的主要危险频率尽量避开实际使用环境条件中出现的频率。
或采取相应措施。
初始振动响应检查一般可按功能试验或耐久试验相同的条件进行，即用功能试验或耐久试验相同的振幅值，也可用低于功能试验或耐久试验相同的条件进行，主要看能否检查出危险频率，和用功能试验或耐久试验相同的条件进行是否会对功能试验或耐久试验的结果有影响。
振动响应检查通常以1倍频程／分的速率在一个扫频循环上完成。
但在具体进行响应检查时，应注意下列问题：
（1）注意扫频速率是否合理
振动台的激励频率通过产品的共振频率而造成的共振状态，除与该共振的动态放大因子（Q）和激励频率本身的幅值有关外，还与扫频的速率有关。
若扫频的速率选择得不合适，则被试系统的动态响应幅值可能会达不到稳定振动理论所预计的那样大。
例如，如果扫频速率太快，则共振可能只能部分被激励，或在极端情况下甚至完全被漏掉。
通常要保证达到静态谐振曲线（扫频速度为零）幅值的95%，从f=0扫到f=fn（谐振频率）的总振动次数，在衰减比值较小的情况下，应达到N大于或等于300个振动周期。
此时的扫频速率可用V＝fn2/300来进行计算。
图2-1表示出不同的振动周数对Ｑ＝20（图2-1a）、Ｑ＝10（图2-1b）二个单自由度系统所激起的共振状态。
（a）（b）
图2-1扫频速率对共振频率的影响
图中的横座标为理论共振频率与实际共振频率之比,由图中可见，Nn值愈小（相当于高的扫频速率），不仅系统被激起的共振响应幅值愈小，而且显示出来的共振频率也愈高于系统的固有频率。
可见当用1倍频程／分的扫频速率寻找共振频率时，若发现共振未被激起，则应检查扫频速率是否太快。
但也应避免不适当的放慢，因为振动响应检查的时间通常是不从试验或耐久试验的时间中扣除的。
（2）注意响应的差异
响应的差异主要是指共振时幅值的大小不同和共振频率的不同，表现如下：
振动试验通常是在三条互相垂直的轴线上进行，而三条轴线上的共振频率和共振时的幅值大小往往是不相同的。
随着振动方向的不同，即从f1扫到f2和从f2回扫到f1，两者所得出的共振频率也是有差异的，这点在比较耐久试验前后的共振频率是否发生变化时应充分注意到。
样品的局部共振频率及其幅值往往不同于样品整体的共振频率及其幅值。
因此常需要探测样品内部的这种局部共振响应。
在探测局部共振时，通常采用在被探测单元上安装传感器的方法来进行。
例如将传感器安装在印刷电路板上、大型组件上、微型组件上，以测量局部共振的频率和放大因子。
但这种安装不得改变被安装单元本身的动态特性，否则测出来的共振频率和响应幅值就不准确。
（3）注意做好观测和记录
在进行初始振动响应检查时，应注意观测和记录各危险频率（特别是共振频率）上的响应幅值和激励幅值。
如果响应幅值太大，可用降低激励幅值的方法进行。
还应观测和记录在各危险频率上的样品的性能变化。
以便与最后振动响应检查所得的结果相比较。
2.5.2功能试验与强度（耐久）试验
功能试验的目的是考核产品在振动条件下的功能特性；强度（耐久）试验的目的是考核产品强度、疲劳和寿命。
对于这两步，有些标准将其分开来进行，有些标准将其合在一起进行。
分开进行时，其顺序是先进行功能试验，后进行耐久试验，而且功能试验的幅值通常小于强度（耐久）试验的幅值（例如为强度（耐久）试验的一半）。
合在一起进行时，先将功能试验的时间分成二个1/2时间，其顺序是在强度（耐久）试验前完成1/2时间功能试验，然后进行强度（耐久）试验，强度（耐久），强度（耐久）试验结束后再完成余下的1/2时间功能试验。
无论采用何种方法，在功能试验期间要进行功能检查和电性能检测。
功能试验和强度（耐久）试验可用下列二种方法来完成：
（1）定频试验
定频试验主要用在：
仅需进行预定频率试验的产品。
因为某些在特定场合使用的产品（例如安装处受到某动力机械振动影响的产品），它所受到的主要振动频率是已知的，或可以测出来的。
为了研究产品在某些频率点上可能出现的疲劳影响，或研究样品经受振动的总能力，需要对产品进行长时间的（例如107次应力循环的）试验。
对危险频率点不超过4个样品，用定频试验方法进行试验较为合适。
（2）扫频试验
扫频试验主要用在：
安装在各种运输工具上使用的产品。
因为这类产品在实际使用中经受到的是一个很宽频率范围的振动。
危险频率点不十分明显，或危险频率点太多（多于4个）的样品。
装有减震器的样品。
因为要防止在固定频率上试验时，由于动态放大系数过大而产生不符合实际的过度发热和损坏。
对上述
（1）与
（2）两种方式在实际运用时，通常只选用其中的一种（定频或扫频）就可以了，没有必要二者都选用（例如先用定频方式进行一段时间，然后再用扫频方式进行）。
因为进行了危险频率点上的定频试验，就没有必要在整个试验频率范围内再进行扫频试验。
其理由是危险频率的确定原则就是根据他们对产品的影响来决定的。
同样用扫频方式进行试验后，也没有必要用定频方式再进行试验了。
定频方式与扫频方式相比，扫频方式的应用更广泛，它特别适用于那些结构复杂和封闭式的产品，而且对试验人员的技术水平的依赖性也低，所以通常都优先选用扫频方式进行。
2.5.3最后振动响应检查
最后振动响应检查的目的主要是为了进一步得到样品在试验前后的性能变化情况,它对确定样品试验后的疲劳特性和潜在损伤特别有用。
最后响应检查应该用与初始响应检查完全相同的方式、条件（如振动量值）和要求（如扫频速率）进行,例如扫频的方向不同，扫出的危险频率也有所不同，即向上得出的危险频率值与向下扫得出的危险频率值会有所不同，所以具体比较时只能将相同扫频方向上的危险频率值进行比较，看其是否发生了变化没有，否则就很难判断共振频率是否真的发生了变化。
以及确定产品是否适用于预定的环境。
2.6对试验设备的要求
任何一个试验室，要使正弦振动试验符合要求，首先应使振动试验系统符合要求，而且这种要求与下面介绍的振动试验一样，不是指振动试验系统技术条件中的技术指标，而是指试验台装上样品（包
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