Waarom random triltesten beter zijn dan sinus triltesten

Door het trilniveau van een sinus sweep triltest omhoog of omlaag te brengen, wordt geprobeerd aansluiting te vinden bij in de praktijk voorkomende situaties. Sommige trilnormen waarin een sinus sweep triltest wordt geëist, laten de gebruiker/ontwerper de vrije keuze in het trilniveau (wel met suggesties op basis van de mogelijke toepassing).

Echter, in de praktijk is de aanstoting in de meeste gevallen niet een sinus, maar een veel complexer signaal. Sommige frequenties hebben een veel hoger niveau dan andere; dit in tegenstelling tot een sinus sweep. Aanstoting van die verschillende frequenties vindt veelal parallel plaats en niet achter elkaar zoals bij een sinus sweep test. Een random trilproef sluit daarom veel beter aan bij de praktijk, omdat daarin de specifieke frequenties die kunnen voorkomen bij treinen, auto's, vliegtuigen en langs spoorlijnen terug te vinden zijn en men deze ook gelijktijdig aanstoot. Die interactie tussen gevarieerde, complexe aanstoting en de eigenfrequenties en trilvormen in een apparaat of systeem kunnen tot een heel ander schadepatroon leiden. Overigens betekent dit niet dat een sinus sweep test onbruikbaar is. Het is goed bruikbaar wanneer men let op zijn beperkingen en het mogelijke over- en ondertesten in sommige frequentiegebieden.

Een veel toegepaste (militaire) norm, de MIL STD 810, schrijft vrijwel alleen random trilspectra voor (zoals de ASTM-normen voor transportsimulaties, zie bijv. ASTM D 4728). Die spectra zijn gebaseerd op metingen. Wanneer er geen praktijkmetingen beschikbaar zijn, dan wordt een standaard PSD-spectrum voor een random trilproef als afnametest geëist.

Sinus sweep triltesten (en gerelateerde normen) zijn voor een deel ook ontstaan omdat in de beginfase van het stellen van trileisen de sturing van een triltafel (vrijwel) alleen een sinus (sweep) triltest aankon. Voor complexe random triltesten is de moderne elektronica met software veel geschikter, zeker wanneer sprake is van random-on-random of sinus-on-random. Er is daarom ook een beweging gaande om steeds meer over te stappen op random afname trilproeven.

Tijdsduur en trilniveau

Bij een trilproef speelt de tijdsduur een belangrijke rol voor het vermoeiingsaspect. Vrijwel alle normen eisen minimaal een duurproef van een uur, met vaak een maximum van drie uur. Bij duurtesten bij twee of meer frequenties in een apparaat wordt meestal een limiet gesteld aan de totale tijdsduur van de proeven, bijvoorbeeld vier uur per richting.

Voor een random trilproef, waarbij het hele spectrum tegelijk wordt aangestoten, worden tijdsduren gehanteerd van minimaal een uur tot maximaal drie of vier uur. Soms wordt gekeken naar de totale levensduur waarover een apparaat operationeel moet zijn. Om geen buitengewoon lange triltijden te krijgen, kan het trilniveau worden verhoogd.

Als een gemeten trilspectrum tijdens de operationele levensduur van een apparaat 1000 uur zou voorkomen, dan wordt het een kostbare zaak om zo’n trilproef uit te voeren. Voor drie richtingen zou men dan 3000 uur moeten trillen. Onder andere de MilStd 810 geeft een methode aan om door verhoging van het trilniveau de triltijd te verkorten.

Door het PSD-spectrum met een bepaalde factor te verhogen, kan men of de triltijd verkorten of een equivalent langere triltijd simuleren. Die equivalente triltijd is het product van de “normâ€[1]  triltijd en de vierde macht van de verhouding tussen het verhoogde PSD-niveau en die van de norm. Of in formulevorm uitgedrukt:

Equivalent = (geselecteerd PSD-niveau: normtrilniveau) vier x testtijd

Voorbeeld:

Bij een twee keer zo hoog gekozen PSD-niveau is de gesimuleerde tijdsduur vierentwintig keer de oorspronkelijke triltijd tijdens de test. Theoretisch kan men het trilniveau zo hoog maken dat een triltijd van een uur bijvoorbeeld een minuut wordt. In de praktijk geldt als regel meestal minimaal een uur en maximaal drie uur trillen per richting. Verlaagt men het trilniveau met een factor twee, dan moet men de triltijd verlengen met een factor zestien (=vierentwintig).

Noot: De vierde macht (als omrekeningsfactor) is een gemiddelde waarde, die varieert tussen circa twee en zes, al naar gelang van de te testen materialen of producten.

Veroudering/vermoeiing

Voor apparatuur, behuizingen of componenten zou men theoretisch de hele levensduur op bovengenoemde manier tijdens een trilproef kunnen simuleren. Een vereiste is dan ook dat er een betrouwbaar trilspectrum beschikbaar is. Het is tevens de vraag of dit nodig is en zo ja, welke omrekeningsfactor dan zou moet worden gehanteerd.

Bij vermoeiing wordt meestal uitgegaan van 106 tot 107 wisselingen als maximum, omdat boven deze grens de delta-piekspanning voor vermoeiing niet meer andes wordt. Wanneer men dit betrekt op de sinus trileisen en dit met deze waarden vergelijkt, dan wordt dit aantal wisselingen nooit gehaald.

Voorbeeld:

Bij een sinus sweep triltest met een snelheid van een octaaf per minuut trilt men bijvoorbeeld bij 16 Hz (als eigenfrequentie van een component in het apparaat) ongeveer zes tot zeven seconden. Dit komt overeen met 7x16 ≈ [2] 110 wisselingen per sweep. Bij tien sweeps up en down (ongeveer een uur trillen) heeft het apparaat in het totaal dus slechts 2x10x110 = 2.200 wisselingen bij die frequentie gehad. Dat is maar een fractie van de verwachte levensduur of van de 106 aantal wisselingen bij vermoeiingsproeven. Bij hogere frequenties neemt de tijdsduur per frequentie (logaritmisch) af, waardoor het aantal wisselingen slechts beperkt toeneemt. Door een lagere sweepsnelheid, bijvoorbeeld 0,5 oct/min, kan het aantal wisselingen wel verdubbelen, maar dan nog wijkt dit sterk af van een echte vermoeiingsproef.

Bij een sinus sweep triltest speelt de factor tijd dus een heel beperkte rol op het punt van veroudering. Een sinus sweep triltest wordt daarom vaak gebruikt voor het vaststellen van belangrijke eigenfrequenties van of in het apparaat, gevolgd door een duurproef bij de gevonden frequenties in het interessegebied. Een duurproef van een uur bij een frequentie van 16 Hz leidt dan tot 3600x16 = 57.600 wisselingen, wat beduidend meer is dan bij de sinus sweep test.

Vertaling van een sinus sweep test naar een random trilproef

De veel toegepaste norm MilStd 810 geeft aan dat een een-op-een omzetting van een sinus sweep test naar een random trilproef niet mogelijk is en dat een gemeten trilniveau de beste basis is voor het formuleren van trileisen.