技术概述
振动与温度综合试验是把振动台置于温度试验箱内(或通过穿墙轴与箱体连接),使样品在设定温度条件下同时承受机械振动激励的验证方法。现行依据为 GB/T 2423.35-2019《环境试验 第 2 部分:试验和导则 气候(温度、湿度)和动力学(振动、冲击)综合试验》,该标准等同采用 IEC 60068-2-53:2010,并全部代替 GB/T 2423.35-2005、GB/T 2423.36-2005 与 GB/T 2424.22-1986 三项旧标准。引用时应注意版本,早期报告中的 2005 版标准号已不再适用。
为什么不能分开做?单因素试验各自独立时,材料处于常温力学状态,振动响应与温度无关;而在实际工况中,温度改变材料的弹性模量与阻尼:低温下橡胶与塑料变硬、阻尼下降,共振频率上移、共振放大倍数上升;高温下材料软化,结构刚度下降,共振频率下移。同一结构在两个温度下的共振点可能相差明显,分开试验无法捕捉这种漂移,也就无法暴露"某一温度区间的共振导致失效"这一类问题。
综合试验的另一价值在于失效模式的耦合。温度循环产生的热应力与振动产生的交变应力叠加,会加速焊点裂纹扩展、连接器微动磨损、紧固件松动与线束磨损;凝露条件下叠加振动,还会加速电化学迁移。这些耦合效应在单因素试验中往往不出现,导致"分开都通过、装车即失效"的情况。
检测样品
综合试验的样品准备比单因素试验更强调安装真实性:
- 按实际装车或装机状态装配,含支架、减振垫、紧固件、线束与接插件,减振件的型号与硬度须与量产一致;
- 样品的安装姿态与实际一致,重力方向、悬臂长度、支撑点位置不同会改变模态,用简化支架替代会得出不同结论;
- 需通电监测的样品,按额定电压与负载接线,线束沿实际路径固定并留出振动余量,线束过紧会成为额外约束;
- 试验前完成模态摸底(正弦扫频或敲击法),确认一阶共振频率与放大倍数,作为控制点选择与夹具设计的依据;
- 记录样品质量、质心位置与夹具一阶共振频率,夹具一阶频率应高于试验上限频率的 1.5 倍以上,否则夹具共振会污染响应。
检测项目
温度与振动综合试验的项目按"温度剖面+振动剖面+监测"三部分组织:
- 温度端值:按产品工作温度范围选取,常见 -40℃、-20℃、85℃、105℃;
- 温度驻留:每端驻留至样品温度稳定,通常再保持 0.5 至 2h;
- 温度变化速率:按实况设定,常用 1 至 5K/min,也可采用快速温变;
- 振动类型:正弦定频、正弦扫频或宽带随机,按产品标准选择;
- 振动量级:正弦以加速度幅值与频率范围表征,随机以功率谱密度与总均方根加速度表征;
- 振动轴向:单轴依次或三轴同时,按安装方向确定;
- 施加时机:升温段、高温驻留、降温段、低温驻留分别施加,或全程连续施加;
- 试验时长:按循环数与每循环振动时长累计;
- 过程监测:功能状态、电流、通信、关键点温度与振动响应;
- 响应测点:样品关键部位(PCB、连接器、支架)布置加速度计,记录放大倍数;
- 试验后检查:外观、紧固件扭矩、焊点与线束、功能与电性能;
- 失效分析:断口形貌、裂纹起源、磨损痕迹与松动量测量。
检测方法
- 剖面设计法:先取实际使用中的温度—振动时序,再简化为可执行剖面。常见做法是在高温驻留与低温驻留分别施加规定量级的振动,并在升降温段保持或暂停振动。若实际工况中振动主要发生在设备启动后的升温阶段,剖面应把振动集中在升温段,而不是平均分配到全程。
- 夹具设计法:夹具须同时满足刚度、耐温与对中要求。材料常用不锈钢或铝合金,高温试验时避免使用普通环氧板;夹具一阶共振频率应高于试验上限频率的 1.5 倍;夹具质量不宜远大于样品,否则台面推力被夹具消耗。夹具设计不当造成的"试验失败"在实际项目中占比不低。
- 控制点选择法:控制加速度计应布置在样品与夹具的连接点附近,而非台面中心。多点控制时取各点平均或取包络,具体按标准与产品规范。控制点选在台面会使样品实际承受的量级偏低,因为夹具衰减未被计入。
- 传感器耐温法:高温箱内使用的加速度计须为耐温型,电缆须为耐温屏蔽线,粘贴方式采用高温胶或螺柱安装,避免用蜡、双面胶。温度变化引起的传感器灵敏度漂移应通过对比常温标定值修正,否则响应数据不可信。
- 同步施加法:温度与振动的时间关系须在报告中明确:是"到温后起振"还是"边升温边振动"。两者对样品的应力历史不同。到温后起振便于控制,但忽略了温度过渡段的耦合;边升温边振动更接近实况,但对设备协同控制要求高。
- 监测与中止法:试验中持续监测功能与响应,出现功能中断、响应异常增大(放大倍数突增)或结构异响时记录时刻与温度相位。多数失效伴随共振频率下移,表现为响应幅值上升,这一征兆比功能失效出现得早。
- 判定法:以外观无影响功能的损伤、紧固件无松动(扭矩衰减在规定比例内)、功能与电性能正常、响应特性无显著漂移为判据。对安全件,还应做试验后拆解检查焊点与线束磨损,仅凭功能正常不足以判定。
检测仪器
核心设备为温度振动综合试验箱,由电磁振动台(或液压台)、温控箱体、穿墙轴、冷却与隔振系统组成,要求台面推力满足样品与夹具总质量乘以规定加速度并留裕量,箱体工作空间满足样品尺寸与气流循环要求。配套仪器包括多通道数据采集系统、耐温加速度计、电荷放大器、功率放大器、程控电源与电子负载、扭矩扳手、内窥镜与模态测试设备。振动台与箱体的计量须分别进行,综合状态下的量级校验应用标准加速度计在样品安装面实测。
应用领域
该试验覆盖汽车电子与动力总成部件、动力电池包与箱体、轨道交通车载设备、航空航天机载与箭上设备、工程机械与农机电气件、光伏支架与跟踪系统、通信基站与天线、军用电子设备。典型场景:发动机舱内控制器在高温与发动机振动下的可靠性;电池包在温度循环与路面振动耦合下的结构完整性;车载显示屏在低温与振动下的焊点与连接器可靠性;机载设备在低温低气压与振动下的功能保持。
常见问题(FAQ)
问题一:振动和温度分开做,和综合做,结果会差很多吗?
可能差很多。分开做时材料处于常温力学状态,共振频率与阻尼不随温度变化,无法暴露温度引起的模态漂移;综合试验中低温使橡胶硬化、共振点上移、放大倍数上升,高温使刚度下降、共振点下移,样品可能在某个温度窗口进入共振而失效。若产品在现场的失效与特定温度相关,综合试验的必要性就很高。
问题二:GB/T 2423.35-2019 与旧版 2423.35-2005 是什么关系?
2019 版全部代替了 2005 版的 2423.35 与 2423.36,以及 1986 版的 2424.22。新版名称由"低温/振动""高温/振动"两本合并为"气候(温度、湿度)和动力学(振动、冲击)综合试验",覆盖范围更宽,包含湿度与冲击的组合。引用旧版标准号的报告在评审时可能被要求说明版本有效性,新项目应直接引用 2019 版。
问题三:试验时振动量级要不要按温度分段调整?
取决于产品规范。多数规范在规定温度下施加固定量级,不随温度调整;但若产品在现场不同温度下的振动输入本身不同(如冷启动时发动机转速高、振动大),可按温度分段设定量级。无论哪种方式,都应在报告中写明各温度段的量级与施加时长,仅写"全程随机振动"无法复核。
问题四:夹具共振怎么判断,会影响结论吗?
用标准加速度计在样品安装面与台面同时测量,比较两者响应:若样品安装面在某频率出现远高于台面的放大峰,且该峰不在样品自身模态范围内,即为夹具共振。夹具共振会使样品承受远超设定量级的激励,造成"过度试验"导致的失效,结论会被误判为产品不合格。发现后应改进夹具结构或降低上限频率。
问题五:样品在试验中功能中断,是否立即判不合格?
按产品标准判定。部分标准允许在试验中出现可自恢复的功能中断(如显示闪烁、通信重连),只要试验后功能正常;安全相关功能(如刹车、转向、电池保护)出现中断通常直接判不合格。报告中应记录中断发生的时刻、温度相位与振动量级,并说明是否自恢复,这些信息对失效分析比结论本身更有价值。
问题六:综合试验比单因素试验贵多少,值不值得做?
综合试验的费用通常是单因素试验的数倍,原因是设备稀缺、夹具需定制、试验周期长。是否值得取决于产品的失效历史与安全等级:若现场反馈集中在"特定温度下振动导致失效",或产品属安全件、召回成本高,综合试验的投入产出比明显;若产品结构简单、失效模式单一,单因素试验加温度循环已能覆盖,不必强行上综合。
问题七:试验后紧固件松动多少算不合格?
按产品标准或装配规范确定,常用判据为扭矩衰减不超过初始值的某一比例(如 20%),或残余扭矩不低于规定下限。测量应在同一测点、同一扳手条件下进行,并记录初始扭矩。对自攻螺钉与塑料件连接,扭矩衰减本身较大,判据应结合结构形式设定;对安全件,还要求做防松措施(螺纹胶、弹垫、卡扣)的有效性确认。


