電子產(chǎn)品大型機柜振動夾具設計及振動試驗控制*

焦春旺，張 杰

(西南電子設備研究所， 四川 成都 610036)

電子產(chǎn)品大型機柜振動夾具設計及振動試驗控制*

焦春旺，張 杰

(西南電子設備研究所， 四川 成都 610036)

根據(jù)電子產(chǎn)品大型機柜的振動試驗要求，結合大型夾具設計的關鍵問題，設計了大型機柜的振動夾具，并對夾具進行了仿真計算、優(yōu)化設計，提出了機柜振動試驗控制方法。大型機柜振動試驗表明，大型機柜振動夾具材料選用得當、結構設計合理、試驗控制方法有效。該振動夾具已成功應用于多種產(chǎn)品的機柜振動試驗。

大型機柜；振動夾具；控制方法；振動試驗

引 言

隨著電子產(chǎn)品集成度的不斷提高，電子產(chǎn)品對環(huán)境適應性設計的要求也越來越高。其中振動與沖擊是環(huán)境適應性中不可缺少的一部分，如何把電子產(chǎn)品在使用過程中的力學環(huán)境在試驗過程中合理地、不失真地模擬出來，對電子產(chǎn)品進行合理的力學環(huán)境考核成為電子產(chǎn)品研發(fā)過程中不可缺少的一部分。

振動試驗是模擬電子產(chǎn)品在運輸、使用過程中遇到的各種力學環(huán)境，以此確定電子產(chǎn)品是否能夠承受各種力學環(huán)境，從而判斷電子產(chǎn)品是否滿足使用需求。電子產(chǎn)品的力學環(huán)境試驗和振動夾具、振動試驗控制密切相關，理想狀態(tài)下振動夾具能夠使電子產(chǎn)品的力學環(huán)境不失真地、合理地傳遞到電子產(chǎn)品上，既不存在試驗放大(過試驗)，也不存在試驗考核不足(欠試驗)的狀態(tài)。同時，合理的振動試驗控制方法也是保證力學試驗合理進行的必備條件，振動試驗的控制不合理依然會造成過試驗、欠試驗的狀態(tài)，從而造成對電子產(chǎn)品力學環(huán)境的考核不合理[1-2]。

因此合理的振動夾具設計和有效的振動試驗控制方法是完成電子設備力學環(huán)境考核必要的條件。

1 大型機柜振動夾具設計的關鍵問題

機柜的使用環(huán)境為機載環(huán)境，振動頻率為20～300 Hz，條件為正弦振動，使用最大加速度為12.5g(均方根值)。機柜總重量為250～350 kg不等，安裝方式為底部4個隔振器加兩個背架隔振器。

機柜振動夾具的設計難度與機柜的高度直接相關，高度越高夾具的設計難度越大，文中機柜高40 U，(U為電子產(chǎn)品高度單位，1U=44.45mm)，因此較30 U、32 U、36 U等機柜振動夾具設計難度增大。

大型機柜振動夾具的設計需要考慮以下幾個方面的問題：

1.1 夾具重量控制

機柜振動試驗選用推力為20 t的振動試驗臺，試驗臺的水平和垂直擴展臺面均為1.2 m × 1.2 m，安裝接口為M16的公制螺紋，安裝孔呈矩陣分布，安裝孔間距100 mm，動圈與擴展臺面的重量和為350 kg。

根據(jù)傳統(tǒng)計算方法，試驗臺所需隨機推力(均方根值)應滿足：

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中：a為振動加速度；m1為動圈的質量(若有滑臺、擴展臺面應按照三者的總重量考慮)；m2為振動夾具的質量；m3為機柜的重量。為了保護振動臺，一般按照振動臺最大推力的80%來考慮。

按照參振機柜與動圈、滑臺及擴展臺面的最大重量及最大加速度考慮，振動夾具的總重量應小于580 kg。

1.2 夾具材料選擇

振動夾具的設計要求重量輕、剛度好，且在振動頻率范圍內(nèi)無明顯的振動峰值，因此比剛度大、阻尼大的材料是制造振動夾具比較好的材料[3]。常見的幾種材料的物理特性如表1所示。

表1 常用振動夾具材料的主要物理特性

大多數(shù)金屬的比剛度接近，選用不同的金屬材料不會明顯改變振動夾具的頻率特性。夾具的重量是夾具設計的關鍵因素之一，從重量方面考慮，鎂及鎂合金是最理想的材料，但鎂及鎂合金具有加工易燃性，同時鋁合金的阻尼大于鋼，選用鋁合金材料有利于降低在夾具共振頻率中的峰值，因此綜合考慮夾具的頻率特性、幅值特性、重量因素，選用鋁合金材料制造機柜振動夾具。

1.3 夾具結構形式的選擇

大型機柜振動夾具多為“L”型結構形式，即底部安裝板與4個隔振器連接，背部的安裝板和背架上的兩個隔振器連接。大型振動夾具的成型方式分為鑄造、焊接、螺接幾種方式。

采用零件分體加工并用螺釘連接安裝的大型機柜振動夾具，由于螺接存在間隙，且螺釘安裝會造成連接剛度差，夾具振動過程中零部件存在碰撞現(xiàn)象，頻率響應曲線出現(xiàn)過多尖峰、毛刺，振動試驗過程中控制難度高。

采用鑄造的方式進行結構加工，鑄造完成后，還須對鑄造夾具進行精加工，振動夾具過大造成精加工難度高，同時夾具多為單件生產(chǎn)，鑄造成本高。

因此綜合考慮振動夾具的重量指標、試驗控制難易程度、制造成本，40 U機柜振動夾具選用零件分體加工、最終整體焊接成型的方式。

2 夾具結構設計及仿真計算

2.1 夾具結構設計

機柜的振動試驗為多自由度系統(tǒng)的振動過程，多自由度振動系統(tǒng)的方程為

(2)

(3)

式中，ω為激勵頻率。由式(3)可得：增大系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)阻尼、減少重量有助于減少系統(tǒng)的位移響應。

整個振動夾具采用U型材和T型材的零件，通過整體焊接成型。為便于焊接，型材的材料選用LF6防銹鋁。為了減小夾具的固有頻率，夾具頂部重量要輕。為保證節(jié)點剛度，采用多節(jié)點集中設計的思路進行夾具設計。夾具的結構形式如圖1所示，夾具整體由4根主梁、5根斜撐筋、3個背部橫梁組成。

圖1 夾具結構外形圖

底板預留安裝孔，用于連接振動臺面，同時用于安裝機柜底部的4個隔振器。背部也預留安裝孔，用于安裝背架上的兩個隔振器。

2.2 夾具仿真分析及優(yōu)化

振動夾具的設計是基于剛度的設計，夾具設計質量的兩個主要因素是夾具固有頻率和振動試驗控制的難易程度[4]。

對夾具進行模態(tài)分析，計算夾具的固有頻率和振型，夾具的1階固有頻率為89.7 Hz，前4階固有頻率如表2所示，振型如圖2所示。

表2 夾具固有頻率

圖2 夾具振型圖

分析可見，夾具的1階固有頻率為89.7 Hz，機柜(含隔振器)的固有頻率為29 Hz，夾具的固有頻率是機柜(含隔振器)固有頻率的3倍，滿足使用要求。

根據(jù)仿真分析，提高U型材和T型材截面高度有利于提高夾具固有頻率，但綜合考慮夾具重量，根據(jù)仿真結果最終選擇U型材、T型材的高度均為80 mm。

3 機柜振動試驗及控制方法

3.1 力學試驗條件

試驗條件為正弦掃頻及沖擊試驗，試驗條件分別如表3和表4所示。

表3 正弦振動試驗條件

表4 沖擊試驗條件

3.2 機柜振動試驗控制方法

振動試驗的控制分為單點控制和多點平均控制，采用不同的控制方法進行試驗得到的試驗結果是不同的。

對于大型振動試驗多采用多點控制，多點控制方法分為3種：最大值控制、最小值控制、平均值控制。振動試驗時會布置多個傳感器，將傳感器的響應信號作為振動臺的控制輸入，根據(jù)國軍標150A振動試驗部分，傳感器應當布置在被試工件和夾具的連接點附近，且粘接牢固。

最大值控制是在試驗過程中，振動控制儀選取所有傳感器中最大值信號作為控制輸入；最小值控制選取最小值信號作為控制輸入；平均值控制選取所有傳感器的平均值作為控制信號，對振動臺進行控制[5]。

3種控制方法均滿足國軍標的控制要求，但最大值控制容易造成振動輸入量值過大，造成“過試驗”，最小值控制則容易造成振動輸入量值過小，造成“欠試驗”。同時，采用最大值或最小值控制的控制難度增大，在振動試驗過程中很容易造成控制超差。因此機柜振動試驗采用平均值控制。

采用20 t推力的振動臺進行機柜的振動試驗。振動試驗裝置如圖3所示，在機柜隔振器與振動夾具連接位置布置傳感器，將各個傳感器的響應平均值作為控制輸入。

圖3 機柜振動試驗裝置

3.3 機柜振動試驗

按照上節(jié)的控制方法進行試驗，正弦掃頻試驗控制曲線如圖4所示，半正弦的沖擊響應曲線如圖5所示。

圖4 試驗控制曲線

圖5 沖擊響應曲線

通過控制曲線可以看出，振動夾具的可控性完全符合試驗要求，控制曲線完全在控制容差范圍內(nèi)，且在低頻段偏差很小，證明夾具性能良好。沖擊響應曲線也完全在控制容差范圍內(nèi)，且偏差很小，證明振動夾具完全滿足沖擊試驗要求。

通過試驗，大型機柜振動夾具完全符合振動試驗和沖擊試驗的使用要求，且夾具性能良好，可控性良好。

4 結束語

振動夾具的設計對于考核電子產(chǎn)品的力學環(huán)境適應性至關重要。本文提到的大型機柜振動夾具采用U型材和T型材整體焊接成型，通過力學仿真和優(yōu)化，固有頻率完全滿足機柜振動試驗要求。經(jīng)過正弦和沖擊試驗，振動夾具可控性良好，滿足力學環(huán)境試驗要求，并且已成功應用于多個機柜設備的振動試驗中。

[1] 劉繼承, 周傳榮. 某機載雷達天線振動試驗夾具設計[J]. 振動、測試與診斷, 2003, 23(3): 210-212.

[2] 何勝強. 振動夾具改進方法探索[J]. 科技信息, 2011(21): 41.

[3] 張宇峰, 蔣云. 魚雷電子組件振動試驗夾具的設計[J]. 艦船電子工程, 2014(3): 176-179.

[4] 劉旭. 淺談振動夾具的設計及振動夾具模態(tài)分析[J]. 民營科技, 2009(2): 16-17.

[5] 奚德昌, 趙欽淼. 振動臺及振動試驗[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1985.

焦春旺(1984-)，男，博士，工程師，主要從事結構強度、結構優(yōu)化、結構振動等領域的研究工作。

張 杰(1968-)，男，高級工程師，主要從事天線結構設計和研究工作。

Vibration Clamp Design for Large Electronics Cabinet and Vibration Test Control

JIAO Chun-wang，ZHANG Jie

(SouthwestChinaResearchInstituteofElectronicEquipment,Chengdu610036,China)

Based on the vibration test requirement of large electronics cabinet, considering the key design factors of large clamp, this paper designs the vibration clamp of large electronics cabinet. Simulation and optimization for the clamp are carried out. Vibration test control method for the cabinet is proposed. The large cabinet vibration test shows that the material selection is proper, the structure design is reasonable and the control method is effective. The clamp has been used in many cabinet vibration tests successfully.

large electronics cabinet; vibration clamp; control method; vibration test

2015-12-17

TH123

A

1008-5300(2016)02-0035-04