基于冷陰極觸發(fā)管振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)

文 | 中國工程物理研究院電子工程研究所 彭紅 崔松建 陳靜

基于冷陰極觸發(fā)管振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)

The Design of Vibration Experiment Fixture Based on Cold Cathode Trigger

文 | 中國工程物理研究院電子工程研究所 彭紅 崔松建 陳靜

介紹了一種基于冷陰極觸發(fā)管性能檢測及振動(dòng)試驗(yàn)所需的夾具，從夾具材料的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剛度要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了該夾具在制造過程中存在的關(guān)鍵問題及解決方法，并在振動(dòng)試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。

Abstract:A fixture for cold cathode trigger performance test and vibration experiment is introduced. The design is based on the selection of fixture material, structure design and stiffness requirement. The key problem and solution lied in this fixture’s manufacturing process is analyzed, and has been proved in vibration experiment.

冷陰極觸發(fā)管；振動(dòng)試驗(yàn)；夾具設(shè)計(jì)

Key words:cold cathode trigger；vibration experiment；fixture design；material selection

1 前言

冷陰極觸發(fā)管作為一種高壓開關(guān)，由于其導(dǎo)通時(shí)問短，承受脈沖電流大等特點(diǎn)被廣泛用于觸發(fā)源、快脈沖產(chǎn)生器及大電流脈沖發(fā)生器中。

冷陰極觸發(fā)管在生產(chǎn)過程中由于操作不當(dāng)、生產(chǎn)工藝和檢驗(yàn)工序不完善等原因，會(huì)導(dǎo)致部分冷陰極觸發(fā)管的可靠性不能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。

質(zhì)量篩選試驗(yàn)的目的就是迫使存在于器件中的、會(huì)變成早期故障的缺陷提前變成故障，使有缺陷的元器件在裝機(jī)前就被剔除。質(zhì)量篩選試驗(yàn)是通過用檢驗(yàn)或常規(guī)試驗(yàn)的方法在觸發(fā)管裝機(jī)前剔除有缺陷產(chǎn)品的試驗(yàn)(即元器件常態(tài)檢驗(yàn))。冷陰極觸發(fā)管的篩選試驗(yàn)一般分為質(zhì)量和應(yīng)力篩選試驗(yàn)。應(yīng)力篩選試驗(yàn)是通過對(duì)冷陰極觸發(fā)管逐個(gè)施加一種或多種應(yīng)力的方法剔除早期失效的器件并減少冷陰極觸發(fā)管失效率的試驗(yàn)。冷陰極觸發(fā)管的應(yīng)力篩選試驗(yàn)應(yīng)遵循以下原則:

(1)應(yīng)能有效剔除冷陰極觸發(fā)管的有關(guān)失效模式;

(2)應(yīng)能明顯降低冷陰極觸發(fā)管裝機(jī)后的失效率;

(3)超過一般正常篩選應(yīng)力的篩選項(xiàng)目(如振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目等)應(yīng)有充分的分析或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并保證對(duì)正常器件不造成損壞、損傷及明顯縮短其使用壽命。

冷陰極觸發(fā)管的應(yīng)力篩選主要是振動(dòng)試驗(yàn)篩選，一般分2種情況:正弦振動(dòng)試驗(yàn)篩選和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)篩選。振動(dòng)篩選試驗(yàn)的目的是剔除在振動(dòng)狀態(tài)下有缺陷的產(chǎn)品，降低冷陰極觸發(fā)管的自擊穿概率。選擇何種振動(dòng)試驗(yàn)篩選方式及是否高于整機(jī)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)條件應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的具體要求而定(一般情況下，振動(dòng)試驗(yàn)篩選條件與整機(jī)產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)條件一致)。經(jīng)過篩選試驗(yàn)處理后的冷陰極觸發(fā)管，在整機(jī)產(chǎn)品檢驗(yàn)中發(fā)生故障的概率大大降低。

我們檢測的一種小型冷陰極觸發(fā)管，具有體積小，自觸發(fā)電壓和工作電壓較高；在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)加高壓檢測比較困難，且產(chǎn)品一旦進(jìn)入大批量檢測階段，如用傳統(tǒng)的裝夾方式易產(chǎn)生高壓端脫落打火。并且傳統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)方式每次只能裝夾一只觸發(fā)管進(jìn)行試驗(yàn)，每只的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到30min左右，因此不能滿足大批量檢測的需要。

為此需要尋求一種快速、簡便的檢測試驗(yàn)手段，在解決測試可靠性的同時(shí)，達(dá)到提高工作效率的目的。

基于以上原因分析，結(jié)合所測的冷陰極觸發(fā)管的參數(shù)特性，設(shè)計(jì)了一種安全性及可靠性較高的振動(dòng)試驗(yàn)夾具，以提高冷陰極觸發(fā)管振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率。

2 夾具材料的選用

基于冷陰極觸發(fā)管的振動(dòng)夾具應(yīng)具有如下的特點(diǎn)：重量盡量輕,以減少振動(dòng)臺(tái)負(fù)載；在結(jié)構(gòu)上要有很好的剛性；保證夾具在振動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生共振；夾具的材料應(yīng)有很好的絕緣性能；保證夾具具有良好的振動(dòng)傳遞特性,不會(huì)過量衰減振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng),也不過濾各頻率成分的振動(dòng)能量。

冷陰極觸發(fā)管是目前使用非常廣泛的一種高壓開關(guān)器件。它的夾具有別于一般的觸發(fā)管的夾具，由于在振動(dòng)試驗(yàn)過程中要施加一定的直流高壓，因此，夾具的材料要選擇絕緣性能好，密度較小而剛度較大的材料。

根據(jù)高壓產(chǎn)品測試的特殊要求，測試安全是第一位的，因此夾具主體必須具備良好的絕緣性能，我們在酚醛板的材料性能和有機(jī)玻璃的材料性能之間進(jìn)行了比較：

酚醛板具有密度小，機(jī)械強(qiáng)度高，變形傾向小，耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，是高絕緣材料。

有機(jī)玻璃（PMMA）是一種常用的工程材料，具有良好的耐老化性、耐化學(xué)性和電絕緣性、力學(xué)強(qiáng)度較高，且與一般絕緣材料相比質(zhì)量輕、加工性能好，易于成型而得到廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)過材料性能比較，酚醛板相對(duì)于有機(jī)玻璃機(jī)械強(qiáng)度較高，但因其有吸潮的特性，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度較大時(shí)，極易出現(xiàn)打火、爬電等現(xiàn)象，因而會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的判定，而且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的安全性也會(huì)產(chǎn)生不良影響。而有機(jī)玻璃吸潮性較低，絕緣性能較好，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)弱一些，只要不是遭受猛烈的撞擊，機(jī)械強(qiáng)度是可以滿足使用要求的，通過材料性能的比較，有機(jī)玻璃材料性能略優(yōu)于酚醛板的材料性能，因此決定選用有機(jī)玻璃作為試驗(yàn)夾具要求的材料。

3 夾具的設(shè)計(jì)

夾具的制作方法選擇準(zhǔn)則是:既加工、安裝簡單方便，又牢固、可靠，能滿足試驗(yàn)頻率下波形不畸變。

為了提高檢驗(yàn)試驗(yàn)效率，降低夾具生產(chǎn)成本，并同時(shí)兼顧到冷陰極觸發(fā)管的使用，設(shè)計(jì)制作多個(gè)冷陰極觸發(fā)管試驗(yàn)用的工裝夾具，在解決測試可靠性的同時(shí)，達(dá)到降低夾具生產(chǎn)成本、提高工作效率的目的。

由整塊材料加工成一個(gè)完整的夾具效果最好，這樣沒有連接松動(dòng)，可長期使用，這種設(shè)計(jì)可以使在同一振動(dòng)試驗(yàn)頻率下，不會(huì)產(chǎn)生膜片式振動(dòng)，這對(duì)小型試件夾具尤為理想。這種整體結(jié)構(gòu)，消除了許多連接上的問題，適當(dāng)?shù)挠寐葆斶B接一些中間構(gòu)件，可提高使用上的靈活性。

采用立方體結(jié)構(gòu)的夾具設(shè)計(jì)，主要用于小型被測件的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)；夾具主體采用將有機(jī)玻璃材料加工成立方體：即在有機(jī)玻璃上銑出凹槽的立方體實(shí)體結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)冷陰極觸發(fā)管進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)（如圖1所示），這種結(jié)構(gòu)是振動(dòng)試驗(yàn)中常用結(jié)構(gòu)形式，可以有效解決絕緣和力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)傳遞需求。

3.1 產(chǎn)品的安裝采用套筒加壓板固定的方式，高壓引入方式通過高壓導(dǎo)線和彈簧引入，保證可靠接觸。根據(jù)產(chǎn)品幾何外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了各個(gè)安裝部件，設(shè)計(jì)效果圖如圖2和圖3。

3.2 針對(duì)檢驗(yàn)試驗(yàn)條件要求，設(shè)計(jì)制作了檢驗(yàn)試驗(yàn)工裝夾具，具體設(shè)計(jì)如圖3。

直流高壓通過高壓導(dǎo)線焊接在冷陰極觸發(fā)管接線片上，保證可靠接觸。被測件的安裝采用螺釘固定的方式，安裝在主夾具的實(shí)體上。（試品與夾具；夾具與振動(dòng)臺(tái)）拆裝方便，簡單適用、重量輕、成本低、滿足了振動(dòng)試驗(yàn)的要求（見圖4）。

表1

4 夾具的測試

夾具設(shè)計(jì)制作完成后，必需放在振動(dòng)臺(tái)上予以評(píng)定， 先對(duì)夾具進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，主要是驗(yàn)證夾具振動(dòng)的傳遞特性和振動(dòng)量級(jí)的一致性,可以暴露夾具設(shè)計(jì)的不足之處，可以為夾具的改進(jìn)提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。因此我們先做夾具與振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的評(píng)定性試驗(yàn)，在空載試驗(yàn)之后，又做了帶試件的負(fù)載試驗(yàn)，在充分測試的基礎(chǔ)上，經(jīng)預(yù)振測試，從測試結(jié)果分析，沒有出現(xiàn)共振及過振動(dòng)和欠振動(dòng)現(xiàn)象；也沒有出現(xiàn)飛弧及打火等現(xiàn)象；完全滿足了夾具的設(shè)計(jì)規(guī)范指標(biāo)要求。測試頻譜圖（見圖5）。夾具測試項(xiàng)目及結(jié)果見表1。

結(jié)論

通過應(yīng)用的結(jié)果分析，采用有機(jī)玻璃材料設(shè)計(jì)的振動(dòng)試驗(yàn)夾具，滿足了夾具的設(shè)計(jì)規(guī)范指標(biāo)要求，解決了該冷陰極觸發(fā)管檢驗(yàn)試驗(yàn)沒有工裝夾具的問題，而且比傳統(tǒng)試驗(yàn)方法提高檢驗(yàn)生產(chǎn)效率一倍以上。保證了冷陰極觸發(fā)管振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可靠性，達(dá)到了預(yù)期目的。

[1] 胡志強(qiáng)等編著. 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù). 中國計(jì)量出版社出版,199612[2] 清華大學(xué)西安交通大學(xué)合編 高電壓絕緣 北京電力工業(yè)出版社 1980[3] 王冬 振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)制作技術(shù) 《現(xiàn)代防御技術(shù)》1997年第3期

彭紅（1966年 ），女，工程師，重慶，中物院五所。