楔形鎖緊裝置振動(dòng)傳遞作用的實(shí)驗(yàn)分析*

任建峰，孫學(xué)富

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

楔形鎖緊裝置振動(dòng)傳遞作用的實(shí)驗(yàn)分析*

任建峰，孫學(xué)富

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

為研究楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)載荷的傳遞作用，構(gòu)建了用于研究其振動(dòng)傳遞作用的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了該裝置在X、Y和Z3個(gè)方向上的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并引入2個(gè)量化指標(biāo)對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，在不同方向上楔形鎖緊裝置表現(xiàn)出不同的振動(dòng)傳遞作用，主要結(jié)論有：楔形鎖緊裝置在不同實(shí)驗(yàn)方向上具有不同的振動(dòng)傳遞作用，在X方向上有衰減作用，在Y方向上幾乎等值傳遞，在Z方向上具有放大作用；楔形鎖緊裝置的擰緊力矩大小僅對(duì)高頻段的傳遞曲線產(chǎn)生影響，不同方向上所影響的頻段范圍稍有不同；在自由擰緊狀態(tài)下楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用與采用0.010 N·m的力矩?cái)Q緊時(shí)最為接近。

楔形鎖緊裝置；載荷傳遞；在線可更換模塊；綜合模塊化航空電子設(shè)備；隨機(jī)振動(dòng)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子和軟件等技術(shù)領(lǐng)域的長(zhǎng)足進(jìn)步，航空電子設(shè)備也由分立式獨(dú)立電子設(shè)備迅速向高度綜合模塊化方向發(fā)展[1]。而楔形鎖緊裝置作為綜合模塊化航空電子設(shè)備(IMA)機(jī)箱與在線可更換模塊(LRM)的連接媒介，其可以快速鎖緊和放松的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是整個(gè)綜合模塊化航空電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速維護(hù)的基礎(chǔ)。

作為綜合模塊化電子設(shè)備中的典型連接結(jié)構(gòu)，楔形鎖緊裝置引起了眾多研究者的關(guān)注，并且取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[2]通過(guò)分析大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)楔形鎖緊裝置對(duì)PCB插件的約束作用與PCB組件的剛度有關(guān)；文獻(xiàn)[3]利用優(yōu)化方法識(shí)別了楔形鎖緊裝置對(duì)PCB插件產(chǎn)生的約束邊界；文獻(xiàn)[4]對(duì)不同擰緊力矩時(shí)楔形鎖緊裝置產(chǎn)生的鎖緊力進(jìn)行了計(jì)算;文獻(xiàn)[5]對(duì)振動(dòng)載荷下楔形鎖緊機(jī)構(gòu)的振動(dòng)非線性進(jìn)行了初步的研究。但這些研究成果主要集中在楔形鎖緊機(jī)構(gòu)提供的約束作用，而對(duì)它的振動(dòng)載荷傳遞作用研究得較少。

這里針對(duì)一種具體的楔形鎖緊裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)際使用時(shí)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件為激勵(lì)，分別研究了楔形鎖緊裝置在不同擰緊力矩、不同實(shí)驗(yàn)方向上的隨機(jī)振動(dòng)載荷傳遞作用。

1 楔形鎖緊裝置及其連接

楔形鎖緊裝置一般由滑塊、滑座、螺釘、螺母、墊圈和簧片組成[6]?；善瑸橐粋€(gè)可選構(gòu)件，其主要作用是使滑塊主動(dòng)復(fù)位。實(shí)際上，楔形鎖緊裝置成對(duì)使用，并通過(guò)滑座固定在PCB插件或LRM的兩側(cè)，當(dāng)PCB插件或LRM位于機(jī)箱內(nèi)時(shí)，擰緊楔形鎖緊裝置的螺釘，使滑塊與滑座之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并逐漸壓緊機(jī)箱安裝槽的壁面，在楔形鎖緊裝置與機(jī)箱安裝槽位之間形成力鎖合連接[7]。松開楔形鎖緊裝置的螺釘，滑塊在自身彈性變形力或簧片的作用下復(fù)位，楔形鎖緊裝置與機(jī)箱安裝槽位之間形成的力鎖合連接消除，PCB插件或LRM可以從機(jī)箱內(nèi)取出。

如圖1所示，本文研究的楔形鎖緊裝置由螺釘、彈簧墊圈、平墊圈、滑塊和滑座5個(gè)零件構(gòu)成。該楔形鎖緊裝置的自由尺寸約為8 mm × 7 mm × 187 mm，螺釘完全擰緊后的尺寸約為8 mm × 8.5 mm × 180 mm。其組成零件中除螺釘和墊圈的材料為不銹鋼外，其余零件的材料均為鋁合金。

圖1 研究對(duì)象

2 楔形鎖緊裝置的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

楔形鎖緊裝置構(gòu)成的系統(tǒng)具有高度的復(fù)雜性和較強(qiáng)的非線性[5]，難以利用有限元仿真和理論計(jì)算方法研究其在使用狀態(tài)下對(duì)振動(dòng)載荷的傳遞作用。因此，這里基于電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，并將專用的試驗(yàn)夾具和LRM模擬件作為試件，如圖3(a)所示，利用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法研究楔形鎖緊裝置在實(shí)際使用狀態(tài)下的振動(dòng)傳遞作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)過(guò)程中將試件牢固地安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，并在夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接部位附近放置控制加速度計(jì)。為了了解楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用，分別在夾具中LRM模擬件的安裝槽槽壁和LRM模擬件上放置數(shù)據(jù)采集加速度計(jì),分別以如圖3(b)所示的功率譜密度曲線為激勵(lì)條件，依次完成當(dāng)楔形鎖緊裝置采用不同擰緊狀態(tài)時(shí)X、Y、Z3個(gè)方向的加速度功率譜密度數(shù)據(jù)的采集。這些擰緊狀態(tài)包括自由擰緊狀態(tài)(利用“L”型內(nèi)六角扳手?jǐn)Q緊，不控制力矩)以及控制力矩分別為0.008 N·m、0.010 N·m、0.012 N·m時(shí)的狀態(tài)。下面將基于這些數(shù)據(jù)來(lái)分析楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用。

圖3 試件與實(shí)驗(yàn)激勵(lì)

3 楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用

3.1 量化指標(biāo)與分析方法

3.1.1 兩個(gè)量化指標(biāo)

為了便于對(duì)楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用進(jìn)行量化分析，同時(shí)消除不同試驗(yàn)激勵(lì)對(duì)分析結(jié)果的影響，引入了2個(gè)可以量化的指標(biāo)：一是LRM模擬件上的均方根加速度值與夾具中LRM模擬件的安裝槽槽壁上的均方根加速度值的比值Rrms；二是在不同擰緊狀態(tài)下LRM模擬件與夾具中LRM模擬件的安裝槽槽壁之間的傳遞關(guān)系曲線的形狀相似性系數(shù)Str。

Rrms可以按照式(1)來(lái)計(jì)算：

(1)

式中：GLRM為在LRM模擬件上測(cè)得的均方根加速度值；GFIX為在夾具中LRM模擬件的安裝槽槽壁上測(cè)得的均方根加速度值。

Str可以按照式(2)獲得：

(2)

式中，T1和T2分別表示參與比較的2個(gè)傳遞關(guān)系曲線的向量。

LRM模擬件與夾具中LRM模擬件的安裝槽槽壁之間的傳遞關(guān)系曲線需要從采集的加速度功率譜密度曲線中計(jì)算得到。具體而言，表示該傳遞曲線的向量的第i個(gè)元素Ti可以按照式(3)獲得：

(3)

3.1.2 分析方法

文中針對(duì)X、Y和Z3個(gè)方向上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，如圖4所示。具體分析方法為：首先計(jì)算各個(gè)擰緊力矩下的Rrms值，從整體上掌握楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)載荷的傳遞作用，并將不同擰緊力矩下的Rrms值進(jìn)行比較，從而確定擰緊力矩對(duì)楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)載荷傳遞作用的影響；其次，計(jì)算各個(gè)擰緊力矩下的振動(dòng)載荷傳遞曲線，定性地了解楔形鎖緊裝置在頻域上對(duì)振動(dòng)載荷的傳遞作用；最后，對(duì)各個(gè)擰緊力矩下的振動(dòng)載荷傳遞曲線進(jìn)行比較，計(jì)算Str矩陣，從而確定擰緊力矩在頻域上對(duì)楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用的影響。

圖4 分析方法

3.2X方向楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用

按照3.1.2節(jié)敘述的分析方法，將在X方向的試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(1)中計(jì)算出楔形鎖緊裝置在4種擰緊狀態(tài)下的Rrms值，并列入表1中。一方面，表1中的Rrms值均小于1，說(shuō)明在該方向上楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)能量具有耗散作用；另一方面，從表1中可知，在不同擰緊狀態(tài)下Rrms值的最大變化量只有0.007 1，可見在該方向上楔形鎖緊裝置的振動(dòng)載荷傳遞作用基本不受擰緊力矩的影響。

表1 X方向的Rrms值

進(jìn)一步將X方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(3)中計(jì)算4種擰緊狀態(tài)下的傳遞關(guān)系曲線，并按照式(2)計(jì)算各傳遞曲線之間的Str矩陣，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 X向傳遞關(guān)系曲線及Str矩陣

從圖5可知，不同擰緊狀態(tài)下的楔形鎖緊裝置在15～1 282.5 Hz的頻段內(nèi)傳遞關(guān)系曲線的形狀幾乎一致，各曲線之間的Str值均大于0.99。但在1282.5～2 000 Hz的頻段內(nèi)傳遞曲線的形狀出現(xiàn)差異，特別是在0.008 N·m和0.012 N·m兩個(gè)擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.925 7。這充分說(shuō)明，在X方向上楔形鎖緊裝置擰緊力矩的大小對(duì)振動(dòng)載荷傳遞作用的影響僅體現(xiàn)在1 282.5～2 000 Hz的高頻段。另一方面，自由擰緊與0.010 N·m兩個(gè)狀態(tài)之間的Str值最大，達(dá)到了0.988 9。這說(shuō)明在X方向上自由擰緊時(shí)楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩?cái)Q緊時(shí)的狀態(tài)相似。

綜上所述，在X方向上楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)能量具有約23%的耗散作用，但擰緊力矩的變化對(duì)其振動(dòng)載荷傳遞作用的影響微??；擰緊力矩的變化會(huì)影響高頻段(1 282.5～2 000 Hz)傳遞曲線的形狀。

3.3Y方向楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用

同樣利用Y方向的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出楔形鎖緊裝置在Y方向上4種擰緊狀態(tài)下的Rrms值，列入表2中。表2中的Rrms值均接近1，說(shuō)明在該方向上楔形鎖緊裝置并未對(duì)振動(dòng)載荷起放大或耗散作用；各擰緊狀態(tài)下的Rrms值相差很小，最大變化量?jī)H為0.025 7，可見在該方向上楔形鎖緊裝置的振動(dòng)載荷傳遞作用基本不受擰緊力矩的影響。

表2 Y方向的Rrms值

進(jìn)一步計(jì)算Y方向上4種擰緊狀態(tài)下的傳遞關(guān)系曲線和各傳遞曲線之間的Str矩陣，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6 Y向傳遞關(guān)系曲線及Str矩陣

從圖6可知，不同擰緊狀態(tài)下楔形鎖緊裝置在15～1 225 Hz的頻段內(nèi)傳遞關(guān)系曲線的形狀幾乎一致，各曲線之間的Str值均大于0.99。然而在1225～2 000 Hz的頻段內(nèi)傳遞曲線的形狀出現(xiàn)明顯的差異，特別是在0.008 N·m和自由擰緊2個(gè)擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.949 1。這充分說(shuō)明，在Y方向上楔形鎖緊裝置的擰緊力矩的大小對(duì)振動(dòng)載荷傳遞作用的影響僅體現(xiàn)在1 225～2 000 Hz的高頻段。另一方面，該方向上自由擰緊與0.010 N·m兩個(gè)狀態(tài)之間的Str值最大，達(dá)到了0.9546。這說(shuō)明Y方向上自由擰緊時(shí)楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩?cái)Q緊時(shí)的狀態(tài)最為接近。

綜上所述，在Y方向上楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)能量沒(méi)有明顯的放大和耗散作用，并且擰緊力矩的變化對(duì)其振動(dòng)載荷傳遞作用影響甚微；擰緊力矩的變化會(huì)影響高頻段(1 225～2 000 Hz)傳遞曲線的形狀。

3.4Z方向楔形鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用

同樣利用Z方向的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出楔形鎖緊裝置在Z方向上4種擰緊狀態(tài)下的Rrms值，列入表3中。表3中的Rrms值均顯著大于1，說(shuō)明在該方向上楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)載荷起放大作用。然而各擰緊狀態(tài)下的Rrms值存在一定的差距，最大變化量為0.243 7，可見在該方向上楔形鎖緊裝置的振動(dòng)載荷傳遞作用受到擰緊力矩的明顯影響，并且隨著擰緊力矩的增加Rrms呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

表3 Z方向的Rrms值

進(jìn)一步計(jì)算Z方向上4種擰緊狀態(tài)下的傳遞關(guān)系曲線和各傳遞曲線之間的Str矩陣，具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 Z向傳遞關(guān)系曲線及Str矩陣

從圖7可知，不同擰緊狀態(tài)下的楔形鎖緊裝置在15～1 470 Hz的頻段內(nèi)傳遞關(guān)系曲線的形狀幾乎一致，各曲線之間的Str值均大于0.99。然而在1470～2 000 Hz的頻段內(nèi)傳遞曲線的形狀出現(xiàn)明顯的差異，特別是在0.008 N·m和0.012 N·m兩個(gè)擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.738 5。這充分說(shuō)明，在Z方向上楔形鎖緊裝置的擰緊力矩的大小對(duì)振動(dòng)載荷傳遞作用的影響僅體現(xiàn)在1 470～2 000 Hz的高頻段。另一方面，在該方向上自由擰緊與0.010 N·m兩個(gè)狀態(tài)之間的Str值最大，達(dá)到了0.991 3。這說(shuō)明在Z方向上自由擰緊時(shí)楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩?cái)Q緊時(shí)的狀態(tài)最為接近。

綜上所述，在Z方向上楔形鎖緊裝置對(duì)振動(dòng)能量有明顯的放大作用，并且擰緊力矩的變化對(duì)其振動(dòng)載荷傳遞作用的影響較大；擰緊力矩的變化會(huì)影響高頻段(1 470～2 000 Hz)傳遞曲線的形狀。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)楔形鎖緊裝置在X、Y、Z3個(gè)方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論：1)楔形鎖緊裝置在X方向上對(duì)振動(dòng)能量具有耗散作用，并且在文中給定的力矩范圍內(nèi)耗散作用基本穩(wěn)定；2)楔形鎖緊裝置在Y方向上對(duì)振動(dòng)能量沒(méi)有明顯的耗散或放大作用，并且在文中給定的力矩范圍內(nèi)這個(gè)作用基本穩(wěn)定；3)楔形鎖緊裝置在Z方向上對(duì)振動(dòng)能量有明顯的放大作用，并且在文中給定的力矩范圍內(nèi)這個(gè)作用呈現(xiàn)隨力矩增大而減弱的趨勢(shì)；4)在文中給定的力矩范圍內(nèi)，楔形鎖緊裝置的擰緊力矩的變化僅對(duì)高頻段傳遞曲線的形狀產(chǎn)生影響，在不同方向上受影響的頻段存在差異；5)自由擰緊時(shí)，楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與擰緊力矩為0.010 N·m時(shí)最為接近；6)隨著楔形鎖緊裝置的擰緊力矩增大，Rrms值有不斷減小的趨勢(shì)，這個(gè)趨勢(shì)在Z方向上更為明顯。

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Study on Load Transmitting Effect of Wedge Clamps by Random Vibration Tests

REN Jian-feng，SUN Xue-fu

(ChinaSouthwestResearchInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

To study the load transmitting effect of the wedge clamps, a test system is constructed. The response PSD data on theX,YandZaxis are acquired with the dynamic signal analyzer in tests. Subsequently, the data are analyzed by calculating and comparing the values of two quantified factors defined in this paper. The result shows that the transmitting effects are different on different axis. The main conclusions are as follows. There are different load transmitting effects in different directions for the same wedge clamps: inXdirection, the energy is decreased; inYdirection, the energy is almost unchanged and inZdirection, the energy is increased. Only the high frequency part of the transmitting curves is changed when the value of tightening torque is changed, while the related frequency ranges are different on different axes. The load transmitting effect of wedge clamps tightened freely with hands is the most similar to the one tightened with a torque of 0.010 N·m.

wedge clamps; load transmitting; LRM; IMA; random vibration

2014-08-04

TN03

A

1008-5300(2014)06-0001-04

任建峰(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)與分析、PCB組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析與失效預(yù)計(jì)工作。