任建峰，孫學(xué)富

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

楔形鎖緊裝置振動傳遞作用的實驗分析*

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振動載荷的傳遞作用，構(gòu)建了用于研究其振動傳遞作用的實驗裝置，通過實驗獲取了該裝置在X、Y和Z3個方向上的隨機振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，并引入2個量化指標(biāo)對所得實驗數(shù)據(jù)進行了比較和分析。結(jié)果表明，在不同方向上楔形鎖緊裝置表現(xiàn)出不同的振動傳遞作用，主要結(jié)論有：楔形鎖緊裝置在不同實驗方向上具有不同的振動傳遞作用，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傳遞作用與采用0.010 N·m的力矩擰緊時最為接近。

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；隨機振動

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)域的長足進步，航空電子設(shè)備也由分立式獨立電子設(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)特點是整個綜合模塊化航空電子設(shè)備實現(xiàn)快速維護的基礎(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[2]通過分析大量試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)楔形鎖緊裝置對PCB插件的約束作用與PCB組件的剛度有關(guān)；文獻[3]利用優(yōu)化方法識別了楔形鎖緊裝置對PCB插件產(chǎn)生的約束邊界；文獻[4]對不同擰緊力矩時楔形鎖緊裝置產(chǎn)生的鎖緊力進行了計算;文獻[5]對振動載荷下楔形鎖緊機構(gòu)的振動非線性進行了初步的研究。但這些研究成果主要集中在楔形鎖緊機構(gòu)提供的約束作用，而對它的振動載荷傳遞作用研究得較少。

這里針對一種具體的楔形鎖緊裝置，通過實驗，以實際使用時的隨機振動試驗條件為激勵，分別研究了楔形鎖緊裝置在不同擰緊力矩、不同實驗方向上的隨機振動載荷傳遞作用。

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€可選構(gòu)件，其主要作用是使滑塊主動復(fù)位。實際上，楔形鎖緊裝置成對使用，并通過滑座固定在PCB插件或LRM的兩側(cè)，當(dāng)PCB插件或LRM位于機箱內(nèi)時，擰緊楔形鎖緊裝置的螺釘，使滑塊與滑座之間產(chǎn)生相對運動，并逐漸壓緊機箱安裝槽的壁面，在楔形鎖緊裝置與機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 研究對象

2 楔形鎖緊裝置的振動實驗

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

圖2 實驗裝置

在試驗過程中將試件牢固地安裝在振動臺臺面上，并在夾具與振動臺臺面的連接部位附近放置控制加速度計。為了了解楔形鎖緊裝置的振動傳遞作用，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,分別以如圖3(b)所示的功率譜密度曲線為激勵條件，依次完成當(dāng)楔形鎖緊裝置采用不同擰緊狀態(tài)時X、Y、Z3個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時的狀態(tài)。下面將基于這些數(shù)據(jù)來分析楔形鎖緊裝置的振動傳遞作用。

圖3 試件與實驗激勵

3 楔形鎖緊裝置的振動傳遞作用

3.1 量化指標(biāo)與分析方法

3.1.1 兩個量化指標(biāo)

為了便于對楔形鎖緊裝置的振動傳遞作用進行量化分析，同時消除不同試驗激勵對分析結(jié)果的影響，引入了2個可以量化的指標(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)來計算：

(1)

式中：GLRM為在LRM模擬件上測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算得到。具體而言，表示該傳遞曲線的向量的第i個元素Ti可以按照式(3)獲得：

(3)

3.1.2 分析方法

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

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方向的試驗數(shù)據(jù)帶入式(1)中計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，說明在該方向上楔形鎖緊裝置對振動能量具有耗散作用；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

進一步將X方向的實驗數(shù)據(jù)帶入式(3)中計算4種擰緊狀態(tài)下的傳遞關(guān)系曲線，并按照式(2)計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兩個擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.925 7。這充分說明，在X方向上楔形鎖緊裝置擰緊力矩的大小對振動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兩個狀態(tài)之間的Str值最大，達到了0.988 9。這說明在X方向上自由擰緊時楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩擰緊時的狀態(tài)相似。

綜上所述，在X方向上楔形鎖緊裝置對振動能量具有約23%的耗散作用，但擰緊力矩的變化對其振動載荷傳遞作用的影響微小；擰緊力矩的變化會影響高頻段(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傳遞作用

同樣利用Y方向的試驗數(shù)據(jù)可以計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，說明在該方向上楔形鎖緊裝置并未對振動載荷起放大或耗散作用；各擰緊狀態(tài)下的Rrms值相差很小，最大變化量僅為0.025 7，可見在該方向上楔形鎖緊裝置的振動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

進一步計算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個擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.949 1。這充分說明，在Y方向上楔形鎖緊裝置的擰緊力矩的大小對振動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兩個狀態(tài)之間的Str值最大，達到了0.9546。這說明Y方向上自由擰緊時楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩擰緊時的狀態(tài)最為接近。

綜上所述，在Y方向上楔形鎖緊裝置對振動能量沒有明顯的放大和耗散作用，并且擰緊力矩的變化對其振動載荷傳遞作用影響甚微；擰緊力矩的變化會影響高頻段(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傳遞作用

同樣利用Z方向的試驗數(shù)據(jù)可以計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，說明在該方向上楔形鎖緊裝置對振動載荷起放大作用。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。

表3 Z方向的Rrms值

進一步計算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兩個擰緊狀態(tài)下，15～2 000 Hz頻段的Str值僅為0.738 5。這充分說明，在Z方向上楔形鎖緊裝置的擰緊力矩的大小對振動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兩個狀態(tài)之間的Str值最大，達到了0.991 3。這說明在Z方向上自由擰緊時楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與采用0.010 N·m力矩擰緊時的狀態(tài)最為接近。

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

4 結(jié)束語

通過對楔形鎖緊裝置在X、Y、Z3個方向的實驗數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論：1)楔形鎖緊裝置在X方向上對振動能量具有耗散作用，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方向上對振動能量沒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)這個作用基本穩(wěn)定；3)楔形鎖緊裝置在Z方向上對振動能量有明顯的放大作用，并且在文中給定的力矩范圍內(nèi)這個作用呈現(xiàn)隨力矩增大而減弱的趨勢；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，楔形鎖緊裝置的狀態(tài)與擰緊力矩為0.010 N·m時最為接近；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，這個趨勢在Z方向上更為明顯。

[1] 李京生，李軍生.航空電子技術(shù)發(fā)展展望[J].航空精密制造技術(shù)，2008，42(3)：1-5，25.

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[6] 常研，宋立存，孫兆軍,等. SJ 20382—2007 楔形鎖緊裝置規(guī)范[S]. 北京：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2007.

[7] 機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊(第2卷)[M]. 3版，北京：機械工業(yè)出版社，2004.

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，高級工程師，主要從事電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境設(shè)計與分析、PCB組件的動態(tài)響應(yīng)分析與失效預(yù)計工作。