电子产品大型机柜振动夹具设计及振动试验控制*

焦春旺，张 杰

(西南电子设备研究所， 四川 成都 610036)

电子产品大型机柜振动夹具设计及振动试验控制*

焦春旺，张 杰

(西南电子设备研究所， 四川 成都 610036)

根据电子产品大型机柜的振动试验要求，结合大型夹具设计的关键问题，设计了大型机柜的振动夹具，并对夹具进行了仿真计算、优化设计，提出了机柜振动试验控制方法。大型机柜振动试验表明，大型机柜振动夹具材料选用得当、结构设计合理、试验控制方法有效。该振动夹具已成功应用于多种产品的机柜振动试验。

大型机柜；振动夹具；控制方法；振动试验

引 言

随着电子产品集成度的不断提高，电子产品对环境适应性设计的要求也越来越高。其中振动与冲击是环境适应性中不可缺少的一部分，如何把电子产品在使用过程中的力学环境在试验过程中合理地、不失真地模拟出来，对电子产品进行合理的力学环境考核成为电子产品研发过程中不可缺少的一部分。

振动试验是模拟电子产品在运输、使用过程中遇到的各种力学环境，以此确定电子产品是否能够承受各种力学环境，从而判断电子产品是否满足使用需求。电子产品的力学环境试验和振动夹具、振动试验控制密切相关，理想状态下振动夹具能够使电子产品的力学环境不失真地、合理地传递到电子产品上，既不存在试验放大(过试验)，也不存在试验考核不足(欠试验)的状态。同时，合理的振动试验控制方法也是保证力学试验合理进行的必备条件，振动试验的控制不合理依然会造成过试验、欠试验的状态，从而造成对电子产品力学环境的考核不合理[1-2]。

因此合理的振动夹具设计和有效的振动试验控制方法是完成电子设备力学环境考核必要的条件。

1 大型机柜振动夹具设计的关键问题

机柜的使用环境为机载环境，振动频率为20～300 Hz，条件为正弦振动，使用最大加速度为12.5g(均方根值)。机柜总重量为250～350 kg不等，安装方式为底部4个隔振器加两个背架隔振器。

机柜振动夹具的设计难度与机柜的高度直接相关，高度越高夹具的设计难度越大，文中机柜高40 U，(U为电子产品高度单位，1U=44.45mm)，因此较30 U、32 U、36 U等机柜振动夹具设计难度增大。

大型机柜振动夹具的设计需要考虑以下几个方面的问题：

1.1 夹具重量控制

机柜振动试验选用推力为20 t的振动试验台，试验台的水平和垂直扩展台面均为1.2 m × 1.2 m，安装接口为M16的公制螺纹，安装孔呈矩阵分布，安装孔间距100 mm，动圈与扩展台面的重量和为350 kg。

根据传统计算方法，试验台所需随机推力(均方根值)应满足：

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中：a为振动加速度；m1为动圈的质量(若有滑台、扩展台面应按照三者的总重量考虑)；m2为振动夹具的质量；m3为机柜的重量。为了保护振动台，一般按照振动台最大推力的80%来考虑。

按照参振机柜与动圈、滑台及扩展台面的最大重量及最大加速度考虑，振动夹具的总重量应小于580 kg。

1.2 夹具材料选择

振动夹具的设计要求重量轻、刚度好，且在振动频率范围内无明显的振动峰值，因此比刚度大、阻尼大的材料是制造振动夹具比较好的材料[3]。常见的几种材料的物理特性如表1所示。

表1 常用振动夹具材料的主要物理特性

大多数金属的比刚度接近，选用不同的金属材料不会明显改变振动夹具的频率特性。夹具的重量是夹具设计的关键因素之一，从重量方面考虑，镁及镁合金是最理想的材料，但镁及镁合金具有加工易燃性，同时铝合金的阻尼大于钢，选用铝合金材料有利于降低在夹具共振频率中的峰值，因此综合考虑夹具的频率特性、幅值特性、重量因素，选用铝合金材料制造机柜振动夹具。

1.3 夹具结构形式的选择

大型机柜振动夹具多为“L”型结构形式，即底部安装板与4个隔振器连接，背部的安装板和背架上的两个隔振器连接。大型振动夹具的成型方式分为铸造、焊接、螺接几种方式。

采用零件分体加工并用螺钉连接安装的大型机柜振动夹具，由于螺接存在间隙，且螺钉安装会造成连接刚度差，夹具振动过程中零部件存在碰撞现象，频率响应曲线出现过多尖峰、毛刺，振动试验过程中控制难度高。

采用铸造的方式进行结构加工，铸造完成后，还须对铸造夹具进行精加工，振动夹具过大造成精加工难度高，同时夹具多为单件生产，铸造成本高。

因此综合考虑振动夹具的重量指标、试验控制难易程度、制造成本，40 U机柜振动夹具选用零件分体加工、最终整体焊接成型的方式。

2 夹具结构设计及仿真计算

2.1 夹具结构设计

机柜的振动试验为多自由度系统的振动过程，多自由度振动系统的方程为

(2)

(3)

式中，ω为激励频率。由式(3)可得：增大系统刚度、系统阻尼、减少重量有助于减少系统的位移响应。

整个振动夹具采用U型材和T型材的零件，通过整体焊接成型。为便于焊接，型材的材料选用LF6防锈铝。为了减小夹具的固有频率，夹具顶部重量要轻。为保证节点刚度，采用多节点集中设计的思路进行夹具设计。夹具的结构形式如图1所示，夹具整体由4根主梁、5根斜撑筋、3个背部横梁组成。

图1 夹具结构外形图

底板预留安装孔，用于连接振动台面，同时用于安装机柜底部的4个隔振器。背部也预留安装孔，用于安装背架上的两个隔振器。

2.2 夹具仿真分析及优化

振动夹具的设计是基于刚度的设计，夹具设计质量的两个主要因素是夹具固有频率和振动试验控制的难易程度[4]。

对夹具进行模态分析，计算夹具的固有频率和振型，夹具的1阶固有频率为89.7 Hz，前4阶固有频率如表2所示，振型如图2所示。

表2 夹具固有频率

图2 夹具振型图

分析可见，夹具的1阶固有频率为89.7 Hz，机柜(含隔振器)的固有频率为29 Hz，夹具的固有频率是机柜(含隔振器)固有频率的3倍，满足使用要求。

根据仿真分析，提高U型材和T型材截面高度有利于提高夹具固有频率，但综合考虑夹具重量，根据仿真结果最终选择U型材、T型材的高度均为80 mm。

3 机柜振动试验及控制方法

3.1 力学试验条件

试验条件为正弦扫频及冲击试验，试验条件分别如表3和表4所示。

表3 正弦振动试验条件

表4 冲击试验条件

3.2 机柜振动试验控制方法

振动试验的控制分为单点控制和多点平均控制，采用不同的控制方法进行试验得到的试验结果是不同的。

对于大型振动试验多采用多点控制，多点控制方法分为3种：最大值控制、最小值控制、平均值控制。振动试验时会布置多个传感器，将传感器的响应信号作为振动台的控制输入，根据国军标150A振动试验部分，传感器应当布置在被试工件和夹具的连接点附近，且粘接牢固。

最大值控制是在试验过程中，振动控制仪选取所有传感器中最大值信号作为控制输入；最小值控制选取最小值信号作为控制输入；平均值控制选取所有传感器的平均值作为控制信号，对振动台进行控制[5]。

3种控制方法均满足国军标的控制要求，但最大值控制容易造成振动输入量值过大，造成“过试验”，最小值控制则容易造成振动输入量值过小，造成“欠试验”。同时，采用最大值或最小值控制的控制难度增大，在振动试验过程中很容易造成控制超差。因此机柜振动试验采用平均值控制。

采用20 t推力的振动台进行机柜的振动试验。振动试验装置如图3所示，在机柜隔振器与振动夹具连接位置布置传感器，将各个传感器的响应平均值作为控制输入。

图3 机柜振动试验装置

3.3 机柜振动试验

按照上节的控制方法进行试验，正弦扫频试验控制曲线如图4所示，半正弦的冲击响应曲线如图5所示。

图4 试验控制曲线

图5 冲击响应曲线

通过控制曲线可以看出，振动夹具的可控性完全符合试验要求，控制曲线完全在控制容差范围内，且在低频段偏差很小，证明夹具性能良好。冲击响应曲线也完全在控制容差范围内，且偏差很小，证明振动夹具完全满足冲击试验要求。

通过试验，大型机柜振动夹具完全符合振动试验和冲击试验的使用要求，且夹具性能良好，可控性良好。

4 结束语

振动夹具的设计对于考核电子产品的力学环境适应性至关重要。本文提到的大型机柜振动夹具采用U型材和T型材整体焊接成型，通过力学仿真和优化，固有频率完全满足机柜振动试验要求。经过正弦和冲击试验，振动夹具可控性良好，满足力学环境试验要求，并且已成功应用于多个机柜设备的振动试验中。

[1] 刘继承, 周传荣. 某机载雷达天线振动试验夹具设计[J]. 振动、测试与诊断, 2003, 23(3): 210-212.

[2] 何胜强. 振动夹具改进方法探索[J]. 科技信息, 2011(21): 41.

[3] 张宇峰, 蒋云. 鱼雷电子组件振动试验夹具的设计[J]. 舰船电子工程, 2014(3): 176-179.

[4] 刘旭. 浅谈振动夹具的设计及振动夹具模态分析[J]. 民营科技, 2009(2): 16-17.

[5] 奚德昌, 赵钦淼. 振动台及振动试验[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985.

焦春旺(1984-)，男，博士，工程师，主要从事结构强度、结构优化、结构振动等领域的研究工作。

张 杰(1968-)，男，高级工程师，主要从事天线结构设计和研究工作。

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