基于人工合成波的电信设备抗震试验方法

朱建华，刘勇志，钟 浩，金 敏

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

引言

电信设备抗震性能的重要性已不言而喻，既是基于我国震害严重这一客观事实，也是工业社会发展对产品性能所提出的必然要求。电信设备抗震性能的提高，有赖于完善的抗震性能检测方法及规范的形成并最终达成广泛的共识，且付诸于工业实践。

与电信设备相关的抗震试验标准或规范已经存在，如YD 5083、GB/T 2424.25、IEC 60068-3-3、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、GR-63-CORE等。YD 5083作为国内主要的电信设备抗震试验检测依据，虽然提及人工合成波的试验方法，但在实践过程中，五周五拍频的试验方法依然是主要的选择。就目前状况来看，多数国际标准或区域性标准规范中要求的波形试验是采用人工合成波，如EN 300019-2-3、EN 300019-2-4和GR-63-CORE。这主要是因为人工合成地震波更接近地震实际发生的情形，且抗震试验的实际效果也更具有参考性和信赖性。

基于人工合成波的抗震试验，其应用已不再局限于电信设备，其他行业设备也有了很好的普及。如电力设施设备的GB 50260、 GB/T 13540等。因此，对其研究具有广泛的现实意义。

1 基于人工合成波的抗震试验方法

人工合成波，就是一组人工合成的时间历程。它由具有模拟动态应力特性的响应谱规定。基于人工合成波的抗震试验方法，由两部分组成，一部分是初始响应检测，另一部分是波形试验。多轴激励方式的抗震试验虽已经出现，但鉴于目前相关设备的发展、普及状况比较缓慢，这里不作过多的阐述。本文主要讨论单轴激励的抗震试验方法。

1.1 初始响应检测

初始响应检测，目的在于了解电信设备自身的振动特性，掌握结构的共振频率、阻尼比等参数。经验丰富的检测技术人员，可通过对被测设备振动特性的了解而预判最终的抗震性能结果。

一般来说，初始响应检测可以采用两种试验方法进行，一种是正弦扫频试验法，也称正弦激励法；另一种是随机振动试验法，也称白噪声法。

由于地震波的低频特性，一般频率在1～35 Hz内振动具有最大能量，频率在1～10 Hz的振动对产品更具破坏性。因此，研究1～35 Hz频率范围内的响应特性具有实用性。实际测试中，常选取1～35 Hz作为初始响应的频率范围，如YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、IEC 60068-3-3（GB/T 2424.25）等。当然，如有必要，可适当地放宽，如GR-63-CORE将初始响应检测的频率范围界定在1～50 Hz范围。

在量级选择方面，应遵循这样一个原则，即不得造成被测设备的任何机械损伤，因此应采用较低的量级水平。

表1中列出了一些标准规定的初始响应检测参数。

1.2 基于人工合成波的抗震试验

基于人工合成波的抗震试验，因更接近实际的地震形式，且抗震试验的实际效果具有良好的参考性和信赖度，必将会是今后抗震试验的主流试验方法。

由人工合成波的定义可知，采用人工合成波的抗震试验，有两个基本要素：一个是要求响应谱，另一个是人工合成波的持续时间。两者共同约束，组成并最终拟合成有效的人工合成波，进而再开展抗震试验。

要求响应谱，体现了电信设备不同的安装使用环境。进行人工合成波抗震试验前，必须依据设备的安装使用环境，约定响应谱或测得实际环境的响应谱。

地震发生时，巨大的能量从震源出发，经地面传递，直接作用于电信设备或通过建（构）筑物、支撑物等间接作用于电信设备。直接作用于电信设备与间接作用于电信设备，两者响应值相差很大，因为建（构）物、支撑物在这过程中既起到滤波作用，也起到了放大的效应。

因此，要求响应谱可分为两种情形，一种是电信设备安装使用于室外的（非特定的支撑物或建筑物上），另一种情形是电信设备安装于室内的（特定的支撑物或建筑物上）。EN 300019-2-3和EN 300019-2-4充分阐述了上述两种情形，前者代表电信设备安装于室内环境，后者代表电信设备安装于室外环境。由于EN 300019-2-3和EN 300019-2-4对地震环境条件响应谱进行了针对性的研究，业内对这两个标准的认可度很高，故按此作为电信设备抗震性能检测的要求响应谱。

图1～图2是EN 300019-2-3、EN 300019-2-4的要求响应谱。由图可知，标准的要求响应谱的频率范围在1～35 Hz内，符合地震试验的频率特性，同时也从另一个侧面反应出初始响应检测频率范围选择的合理性。

表1 初始响应检测试验参数

明显地，室内安装设备的严酷等级高于室外设备，这也从另一角度说明了建筑物、支撑物在地震过程中具有响应放大作用。

当基于人工合成地震波的要求响应谱已经明确，接下来就应确定其持续时间。IEC 60721-2-6对地震的振动特性进行了描述：“中等的地震可以持续15～30 s，强烈的可以持续60～120 s。一般来说，具有最大地面加速度的强部可达10 s。”

人工合成波的持续时间，通常也据此进行规定。如YD 5083规定人工合成地震波的持续时间不少于30 s，强震部分不少于20 s；EN 300019-2-3和EN 300019-2-4则规定人工合成地震波的持续时间为30 s，强震部分不少于15 s。

图1 EN 300019-2-3 要求响应谱（室内）

图2 EN 300019-2-4 要求响应谱（室外）

2 案例分析

抗震试验的过程中，极可能发生门、螺栓、部件等脱落、抛离设备主体或主体倾倒的现象。因此，试验过程中应采取充分的人身、设备安全防护措施。

本试验依据EN 300019-2-4进行。案例从抗震试验的主要试验设备要求、被测样品的安装与工况调试、波形试验与响应监测三个方面进行讲述。

2.1 试验设备的要求

基于人工合成波的抗震试验，具有实际地震情形的特点，如频率低、动态行程大等。因此，试验的开展，必须依赖于此类特性的液压模拟地震振动台。

本案例所采用的液压地震振动台特性如下：

1）频率范围：0.1～500 Hz；

2）动态行程：270 mm；

3）抗倾覆力矩：7.0×106in-lb；

4）扭矩：7.0×106in-lb；

5）动态推力：7636 kgf等。

然而，液压模拟地震振动台仅仅是进行抗震试验的基础，由单轴向（或三轴向）加速度传感器、位移传感器及控制器等组成多功能多通道数据采集和分析系统，则丰富并满足了抗震检测试验的全部需求。

2.2 被测样品的安装与工况调试

被测设备的安装应遵循这样的原则，即按照实际使用时的安装的方式，将被测设备安装到液压模拟地震振动试验台上。在所有情况下，应使用实际工程安装推荐的紧固件数量、尺寸、垫片、加载的力矩值等，并应形成记录文档。

案例中，被测设备的安装方式是属于挂杆式的，如图3所示。因此，在进行抗震试验的过程中，按照其实际的安装方式进行安装。例如：安装高度为1 m（从地面至被测设备的下端计算安装高度）、使用喉扣将被测设备固定在挂杆上等。

为更好地表征抗震试验的有效性，应在抗震试验前，监测挂杆的振动特性，确保其固有频率应避开地震的振动频率特性范围。这既是对安全检测作业进行有效控制的需要，也是为了避免不合理的夹（制）具发生放大作用导致试验结果误判。

另外，抗震试验的考察点不仅体现在被测设备的物理性能方面，对被测设备在抗震试验过程中和抗震试验后的功能及电性参数也应做出要求。为此，被测设备安装完毕后，必须将其工作模式、工作状态调试到预定的情形下并进行实时监测。

在试验的过程中，如能对被测设备重要的核心参数进行实时监测，那是最好不过的了。不过，这有赖于有关标准、规范的明确约定或在抗震试验项目开展之前，生产制造商和需方已经达成对被测设备某些参量的共同要求。

2.3 抗震试验与响应监测

被测样品进行抗震试验，运作过程与常规的机械振动试验大体相同。在确保被测样品已经稳固安装，且安装、调试工作人员已撤离到安全区域后，运行地震试验台即可，这里不作过多阐述。响应监测伴随着抗震试验的整个过程，如果说抗震试验的最终目的是检验被测样品的物理性能和电参数，那么抗震试验过程中的响应监测数据一方面是佐证被测样品的抗震试验的有效性，另一方面又为结构的优化提供原始的数据。因此，响应监测的重要性不言而喻。响应监测参数主要体现为关键部位的加速度响应值、形变量、力矩值等。

当被测设备需要安装于特定的夹具或工装上进行抗震试验时，对夹具的量值传递效果应进行监测。如果监测得到的响应值表明夹具的放大作用过大，那么试验的有效性就值得商榷。因此，约束夹具的响应值，对如挂杆设备、挂墙设备、子架级设备等尤为重要。

响应监测为结构优化提供原始数据，主要体现在通过对某一位置的应力监测，掌握材料的特性或结构薄弱点。如螺栓的动态特性，掌握选材是否合理；结构的动态特性，了解当前结构的稳定性。

本案例中，对被测样品激励轴向上的加速度值进行了监测，并且只选择了一个部位进行监测。当然，如试验需要，可对多个部位进行监测。

初始响应检测，通过对设备的激励方向安装加速度传感器，实现对被测设备响应的监测。图4～图6是初始响应检测的谱图，从图中可知，X轴向的固有频率为9.7 052 Hz，Y轴向的固有频率为34.2 070 Hz，Z轴向的固有频率为27.0 515 Hz。

图3 挂杆式被测设备及加速度传感器的安装

图4 初始响应检测谱图（X 轴向）

图5 初始响应检测谱图（Y 轴向）

从固有频率分布来看，在X轴向的固有频率较低，处于地震振动的频率特性的危险频率段内。因此，在试验的过程中应特别关注。Y轴向的固有频率接近地震振动的频率特性的上限，因此认为地震试验在该轴向对电信设备的影响较小。对于Z轴向，YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4均有明确规定，如该轴向固有频率大于20 Hz，抗震试验可不进行。本案例中，Z轴向的抗震试验也是忽略的。

图6 初始响应检测谱图（Z 轴向）

图7 抗震试验谱图（时程）

图8 抗震试验谱图（频程）

抗震试验的时程谱图描述了抗震试验的持续时间及量值分布，根据EN 300019-2-4的要求，人工合成地震波的持续时间为30 s，强震部分不少于15 s，从图7可知，该要求是满足的。

抗震试验频程谱图（图8）应大于要求响应谱图，对离散频率点进行采集和分析，同样也是满足要求的。

因此，此次抗震试验是合理且有效的。

抗震试验过程中，监测结果表明被测样品能正确传输数据，功能及性能均正常。抗震试验后，对被测样品的物理结构和功能及性能进行检查，均无异常；对连接部件的紧固件进行扭矩测量，测得值处于初始加载的扭矩的误差范围内。因此，可认为被测样品满足预期的抗震能力要求。

3 总结

基于人工合成波的抗震试验方法，因其优势而逐渐被推广并成为主流的抗震试验方式。通过对电信设备的初始响应检测，了解其振动特性；根据其不同的安装、工作条件，选择不同的要求响应谱，拟合成规定持续时间的人工合成波时间历程，进而可以开展电信设备的抗震试验，其结果具有较高的信赖度和参考性。

[1]YD 5083, 电信设备抗地震性能检测规范[S].

[2]GR-63-CORE, NEBSTM Requirements: Physical Protection[S].

[3]ETSI EN 30019-2-3, Environmental Engineering (EE);Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-3: Specification of environmental tests; Stationary use at weatherprotected locations[S].

[4]ETSI EN 300019-2-4, Environmental Engineering (EE);Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-4: Specification of environmental tests; Stationary use at non-weatherprotected locations[S].

[5]IEC 60721-2-6, Classifi cation of environmental conditions; part 2: environmental conditions appearing in nature; earthquake vibration and shock[S].

[6]IEC 60068-3-3, Environmental testing; Part 3: Guidance Seismic test methods for equipments[S].

[7]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2006.

[8]黄浩华.地震模拟振动台的设计与应用技术 [M].北京:地震出版社,2008.

[9]汲书强.国外通信设备抗震性能鉴定对振动台设备的要求 [J].世界地震工程, 2012,12[4]:105-110.