“沙埋型”夹具在振动试验中的运用分析

2014-03-25张丽巍邓永芳

环境技术 2014年6期

李真，张丽巍，邓永芳

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

引言

进行振动试验的大部分产品，由于受外形尺寸和安装方向等因素的制约，在进行振动试验的时候，需要外加夹具与振动台固定连接。所以，振动夹具的性能特性就直接影响到产品试验真实复现。而现在某些产品由于外形尺寸的变薄或外观的要求比较高，在振动夹具的设计上就提出了更高的要求。

1 夹具的性能指标

夹具使用的目的就是协助产品在试验中的真实复现，也就是说夹具性能参数的传递系数比应该为1：1。但是受夹具材料性质和结构等因素的影响，夹具在传递振动应力的过程中会减小或者是放大应力参数，这就对产品的试验产生了附加的影响[1]。因此，考核一个夹具的标准应该是控制影响因素在有限的范围之内，使它的传递系数比尽量的接近1：1。目前国内对于夹具的考核并没有一个统一的标准，而根据美国亚利桑那公司提供的参考，夹具应该要满足以下的指标：

1）夹具的共振频率要高于某个频率值，同时试件的一阶谐振与夹具的一阶谐振之比应该在0.5～1.4之间。

2）夹具振动加速度传递特性应在+20dB和-3dB之间。

3）夹具的横向振动应尽量的小，通常不大于30%，最大不超过50%。

根据以上指标，这就要求我们对夹具的材料和结构做一些必要的考虑：

1）刚度：

刚度是选择材料和设计结构最主要的依据，它是描述材料形变的指标。我们用数学的方式来描述刚度。任何一种材料，在受到外力F作用的时候，材料的面积就会发生形变，在弹性范围内外力F和形变面积S是成比例的，但是当外力达到屈服极限Q，外力F和形变面积S就不会成比例的增长，直至材料发生断裂。外力F和形变面积S的特性曲线如图1所示。

以低碳刚的受力情况为例进行分析，从图中可以看出外力F在达到屈服极限Q 后，形变在外力没有怎么增长的情况下发生了剧变。这就说明刚度的大小是取决于外力F与形变面积S的比值，这就是杨氏模量E[2]。E越大材料的刚度就越好。

2）重量：

由于受振动台推力的限制，夹具还要受到重量的限制。夹具的重量主要是由以下公式计算得出：

F=（M1+M2+ M3）a

其中，F：振动台额定推力；M1：动圈重量；

M2：试件重量；M3：夹具重量；a：加速度。

根据振动台的额定参数和实际试验中运动的最大加速度值，确定出夹具的重量范围。应该注意到的是，在有效的重量范围内，夹具的重量应该尽可能的小，因为附加重量会降低轴向共振频率。所以说，夹具重量对共振频率的影响比材料刚度对共振频率的影响要大。

3）比刚度：

比刚度＝刚度/质量，对于同体积的材料而言，比刚度＝杨氏模量（E）/密度（ρ）

材料的比刚度大就意味着刚度大而质量轻，这样的夹具对振动台的推力影响较小，同时，频响区域也可展宽。表1是常用几种夹具材料的数据表，设计者应根据实际的需要和成本要求，合理选择夹具材料[2]。

图1 外力下和形变面积S 的特性曲线

表1 夹具材料物理特性

2 “沙埋型”夹具的使用探讨及设计

2.1 “沙埋型”夹具运用的需要

夹具在固定产品的时候，考虑到刚性连接和实际安装的需要，常采用的螺钉连接、引脚焊接和外壳直接受力等方式。但是，由于一些产品外壳厚度较薄，引脚直径较小，在进行振动试验的时候，如果直接对产品外壳单向受力，容易因为受力不均匀，而导致产品破裂；如果运用引脚焊接的方式进行连接，又容易造成引脚污染的后果[3]。因此，针对这类产品（如J型外壳），我们在进行振动试验的时候，需要考虑一种新的夹具来确保它即可以进行振动试验的考核，又要避免因为夹具的因素而造成额外的损伤。

2.2 静水压力试验和灌腊封装夹具的介绍

1）静水压力试验:

当一个物体A置于水中的时候，我们假设物体A在X(1、2)，Y(1、2)，Z(1、2)六个方向上所受到的压力为P1～P6，物体A六个面上对应所受到的压力P而发生的形变分别为△S1～△S6。通过试验监测发现在均匀压力下，材料几乎无屈服现象。这就说明，均匀压力几乎不损坏材料。

2）灌腊封装夹具：

但是，灌腊封装夹具的使用需要满足两个前提：

①石蜡的温度对产品没有损害；

②对产品有影响的温度极限可以熔化石蜡。

通过静水压力试验和灌腊封装夹具的分析，我们对设计J型外壳这类产品的夹具可以有以下的推论：

①夹具应该要使产品均匀的受力；

②夹具对产品不能产生额外的损伤，同时产品在使用的夹具的时候应该尽量方便和快捷。

2.3 “沙埋型”夹具的设计

综合上面的推论和实际需要，我们考虑用玻璃砂来替代水和石蜡作为产品传导应力的介质，这样即可保证产品在夹具内部是均匀受力，又可避免高温等因素对于产品的影响。同时利用玻璃砂来作介质，还可以保证产品进行加电振动试验。基于均匀受力的考虑，我们设计这个夹具为一个封闭的盒型夹具，具体外观图和剖面图如图2、图3。

1848至1854年是罗塞蒂生活在拉斐尔前派兄弟会大家庭中间的时期，这段时间里他的作品或可说是最能代表兄弟会精神主旨的创作了。代表作有《圣母玛利亚的少女时代》、《受胎告知》、《邂逅》等。如1849 年展出的《圣母玛利亚的少女时代》，就较为忠实地体现了拉斐尔前派此前立下的创作信条。给画中做玛利亚模特的就是罗赛蒂的妹妹克里斯蒂娜，圣安娜的模特则是他们的母亲，老仆人威廉也被拉来做了圣母父亲的模特。画面亦绝不乏出色的细部描写，都是精密正确的。

夹具采用比刚度较高的铝合金，外形为封闭的盒型，顶盖通过螺栓与底座相连。内部为一个圆形的内腔，当产品置于空腔内部时，在空腔内均匀的填满玻璃砂，通过顶盖的固定来压紧玻璃砂，是产品均匀的受力，保证产品在振动的过程中不会发生松动或谐振的现象。如果产品需要加电，则在顶盖处开一个导线孔，引出导线后，将导线孔用石蜡封闭，确保空腔的密闭。由于盒型夹具在高频振动时容易出现一阶共振，而一阶共振频率的高低往往取决于底座基板厚度，所以底座基板的厚度应该尽量的厚，一般不低于底座高度的20%。我们可以根据产品试验频率范围来确定底座基板的厚度，保证夹具在试验频率的范围内不出现一阶共振频率。