電子設(shè)備沖擊試驗(yàn)滑移問題分析與研究

阮翔，丁瑞翔，肖偉，林克敏，李杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

沖擊試驗(yàn)主要考核設(shè)備在經(jīng)受外力沖撞或作用時(shí)產(chǎn)品的安全性、可靠性和有效性的一種方式。沖擊試驗(yàn)包括落錘試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)和加速度沖擊試驗(yàn)等類型，其中，加速度沖擊試驗(yàn)用于檢測(cè)產(chǎn)品運(yùn)輸或使用期間承受的沖擊破壞的能力。

電子設(shè)備通常采用壓條壓裝的方式進(jìn)行加速度沖擊試驗(yàn)，螺母預(yù)緊力不足時(shí)，各接觸面之間容易產(chǎn)生滑移，輕則可能導(dǎo)致設(shè)備表面油漆破損，重則可能導(dǎo)致設(shè)備飛出損毀。因此，如何合理計(jì)算螺母預(yù)緊力，確保電子設(shè)備在加速度沖擊試驗(yàn)時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移，是提高設(shè)備試驗(yàn)過程安全性的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)象

某加固電子設(shè)備進(jìn)行水平方向20 g加速度、持續(xù)時(shí)間為11 ms的沖擊試驗(yàn)時(shí)[1]，因工裝壓緊所提供接觸面上的摩擦力不足，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生滑移飛出，撞擊到硬物導(dǎo)致設(shè)備機(jī)箱發(fā)生破損（圖1）。

圖1 水平方向加速度沖擊試驗(yàn)，設(shè)備破壞示意圖

2 受力分析

為方便試驗(yàn)，電子設(shè)備通常采用圖2所示方式進(jìn)行裝夾。

圖2 電子設(shè)備壓條壓緊夾裝示意圖

以螺母、絲桿、上壓板、上墊板、設(shè)備、下墊板組成的整體作為分析對(duì)象，受力分析示意圖如圖3所示。其中，為沖擊加速度，為總慣性力，為螺母的預(yù)緊力，F(xiàn)m1、Fm2、Fm3、Fm4為工作臺(tái)對(duì)各個(gè)絲桿的水平作用力，為試驗(yàn)臺(tái)對(duì)下墊板的摩擦力，為試驗(yàn)臺(tái)對(duì)下墊板的支撐力，為設(shè)備、壓板等的總重力。

圖3 受力分析示意圖

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[2]，可得

考慮到摩擦力為被動(dòng)力的特性，即當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)絲桿的水平作用力不足以與系統(tǒng)的慣性力抵消時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生摩擦力，故Fm1+Fm2+Fm3+Fm4為正數(shù)，即

考慮到絲桿和螺母質(zhì)量遠(yuǎn)小于壓板和設(shè)備的重量，可忽略其重力和慣性力，因此

為保證設(shè)備安全，沖擊時(shí)下墊板和試驗(yàn)臺(tái)之間不允許滑動(dòng)，則要求

由以上各式可得，螺母預(yù)緊力F0滿足式7時(shí)，下墊板和試驗(yàn)臺(tái)之間不會(huì)滑動(dòng)。

式中：

m1—設(shè)備質(zhì)量；

m2—單個(gè)上壓板的質(zhì)量；

μ1—下墊板和振動(dòng)臺(tái)之間的最大靜摩擦系數(shù)；

a—沖擊加速度；

g—重力加速度。

同理可得，下墊板和設(shè)備之間不會(huì)滑動(dòng)、壓板和上墊板之間不會(huì)滑動(dòng)、設(shè)備和上墊板之間不會(huì)滑動(dòng)的充分條件分別為式（8）～式（10）。

式中：

μ2—下墊板和設(shè)備之間的最大靜摩擦系數(shù)；

μ3—上墊板和設(shè)備之間的最大靜摩擦系數(shù)；

μ4—上墊板和上壓板之間的最大靜摩擦系數(shù)。

選用鋼制螺栓，則螺栓的預(yù)緊扭矩和預(yù)緊力的關(guān)系式為[3]

進(jìn)一步地，每根壓板均用左、右兩側(cè)各1顆螺母壓緊，且螺母總數(shù)量為n個(gè)，此時(shí)壓板的數(shù)量為，由式（7）～式（11）可得，

即單顆螺母的預(yù)緊扭矩同時(shí)滿足式（12）～式（15）時(shí)，設(shè)備不會(huì)發(fā)生滑移。

3 墊板材料選型

由以上分析可知，為提高加速度沖擊試驗(yàn)過程的安全性，應(yīng)選擇與設(shè)備油漆面之間具有較大最大靜摩擦系數(shù)的墊板，搭建圖4所示測(cè)試平臺(tái)對(duì)毛氈、布料和硅膠分別進(jìn)行十次推力測(cè)試，去除最大值和最小值后，對(duì)剩余的八次測(cè)試結(jié)果取平均值，并根據(jù)式16計(jì)算最大靜摩擦系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同墊板材料和設(shè)備油漆面最大靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖4 墊板和設(shè)備油漆面最大靜摩擦系數(shù)測(cè)試示意圖

式中：

μ—最大靜摩擦系數(shù)；

Fmin—產(chǎn)品剛好能夠水平推動(dòng)時(shí)的臨界推力；

m—產(chǎn)品的質(zhì)量；

g—重力加速度。

硅膠板和設(shè)備油漆面之間的最大靜摩擦系數(shù)最大，顯然，應(yīng)選擇硅膠板作為墊板材料。

4 仿真驗(yàn)證

由式（12）～式（15）可知，為提高加速度沖擊試驗(yàn)過程的安全性，除了提高墊板和設(shè)備油漆面之間的最大靜摩擦系數(shù)外，還應(yīng)在保證剛度的前提下盡可能減小壓板質(zhì)量，因此將壓板的截面設(shè)計(jì)為空心的矩形[4]，以此在保證方便裝夾的情況下，壓板具有足夠剛度，且質(zhì)量較輕。

設(shè)備質(zhì)量為35 kg，單個(gè)鋁條壓板質(zhì)量為2.4 kg，選用0.5 mm厚度的硅膠墊作為墊板材料。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，壓板和上墊板接觸面的摩擦系數(shù)為1.65，上墊板、下墊板和設(shè)備油漆面接觸面的摩擦系數(shù)均為1.22，下墊板和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)臺(tái)接觸面的摩擦系數(shù)為0.743。加載加速度為20 g時(shí)，由式（7）～式（10）可得，螺栓預(yù)緊力達(dá)到2 580 N時(shí)，設(shè)備在沖擊過程中不會(huì)產(chǎn)生滑移。

在ANSYS平臺(tái)上建立仿真模型[5]，如圖5所示。

圖5 加速度沖擊仿真模型

圖6 提取接觸面摩擦力大小結(jié)果

提取各接觸面之間的摩擦力大小，并與螺母預(yù)緊力所能產(chǎn)生的最大靜摩擦力理論值進(jìn)行比較，其中，最大靜摩擦力理論計(jì)算值

式中：

μ—對(duì)應(yīng)接觸面的最大靜摩擦系數(shù)；

FN—接觸面上的正壓力，由螺母的預(yù)緊力和設(shè)備、壓板的重力產(chǎn)生。

當(dāng)所有接觸面上產(chǎn)生的摩擦力小于接觸面所能產(chǎn)生的最大靜摩擦力時(shí)，說明該接觸面上未發(fā)生滑移。

由表2可知，各接觸面均未發(fā)生滑移，驗(yàn)證了螺母預(yù)緊力滿足式（7）～式（10）時(shí)，各接觸面均不會(huì)發(fā)生滑移。同時(shí)，下墊板和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)臺(tái)接觸面的摩擦力仿真值與最大靜摩擦力理論計(jì)算值最接近，說明該面最容易產(chǎn)生滑移。

表2 仿真結(jié)果與理論計(jì)算值比較

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真模型搭建圖7所示的試驗(yàn)平臺(tái)，按照20 g加速度、持續(xù)時(shí)間為11 ms的指標(biāo)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，由式（11）可知，采用M10螺母時(shí)，螺母扭矩為5.16 N.m可以產(chǎn)生2 580 N的預(yù)緊力，采用數(shù)顯扭矩扳手對(duì)每個(gè)螺母均施加5.16 N.m的扭矩，進(jìn)行水平方向上正反各3次的沖擊試驗(yàn)。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，壓板左、右每側(cè)均用單顆螺母固定后，沖擊后螺母的預(yù)緊扭矩明顯下降，下墊板和試驗(yàn)臺(tái)之間也發(fā)生了滑移；采用雙螺母優(yōu)化后，水平方向上正反各三次沖擊試驗(yàn)后的螺母預(yù)緊扭矩未降低，且所有接觸面上均無滑移，驗(yàn)證了受力分析的計(jì)算結(jié)果和仿真模型的合理性。同時(shí)，說明電子設(shè)備沖擊試驗(yàn)過程中，保證設(shè)備不滑移的充分條件除了螺母預(yù)緊扭矩應(yīng)滿足式（12）～式（15）外，還應(yīng)通過雙螺母等防松措施保證沖擊過程中螺母的預(yù)緊扭矩不會(huì)下降。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)電子設(shè)備沖擊過程進(jìn)行受力分析，得出了整個(gè)沖擊過程中螺母的預(yù)緊扭矩同時(shí)滿足式（12）～式（15），各接觸面上不會(huì)發(fā)生滑移。通過摩擦系數(shù)測(cè)試，確定了將硅膠墊作為墊板材料。對(duì)電子設(shè)備加速度沖擊過程進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證了受力分析的正確性。通過沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了受力分析和仿真模擬的合理性，并得出沖擊過程設(shè)備不發(fā)生滑移的充分條件：即除了螺母的初始預(yù)緊扭矩應(yīng)同時(shí)滿足式（12）～式（15）外，還應(yīng)通過雙螺母等防松措施保證沖擊過程中螺母的預(yù)緊扭矩不會(huì)下降。本文的研究?jī)?nèi)容可以有效提高電子設(shè)備加速度沖擊試驗(yàn)的安全性。