楔形锁紧装置振动传递作用的实验分析*

任建峰，孙学富

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

楔形锁紧装置振动传递作用的实验分析*

任建峰，孙学富

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

为研究楔形锁紧装置对振动载荷的传递作用，构建了用于研究其振动传递作用的实验装置，通过实验获取了该装置在X、Y和Z3个方向上的随机振动响应数据，并引入2个量化指标对所得实验数据进行了比较和分析。结果表明，在不同方向上楔形锁紧装置表现出不同的振动传递作用，主要结论有：楔形锁紧装置在不同实验方向上具有不同的振动传递作用，在X方向上有衰减作用，在Y方向上几乎等值传递，在Z方向上具有放大作用；楔形锁紧装置的拧紧力矩大小仅对高频段的传递曲线产生影响，不同方向上所影响的频段范围稍有不同；在自由拧紧状态下楔形锁紧装置的振动传递作用与采用0.010 N·m的力矩拧紧时最为接近。

楔形锁紧装置；载荷传递；在线可更换模块；综合模块化航空电子设备；随机振动

引 言

随着科学技术的发展，尤其是微电子和软件等技术领域的长足进步，航空电子设备也由分立式独立电子设备迅速向高度综合模块化方向发展[1]。而楔形锁紧装置作为综合模块化航空电子设备(IMA)机箱与在线可更换模块(LRM)的连接媒介，其可以快速锁紧和放松的结构特点是整个综合模块化航空电子设备实现快速维护的基础。

作为综合模块化电子设备中的典型连接结构，楔形锁紧装置引起了众多研究者的关注，并且取得了一定的研究成果。文献[2]通过分析大量试验数据发现楔形锁紧装置对PCB插件的约束作用与PCB组件的刚度有关；文献[3]利用优化方法识别了楔形锁紧装置对PCB插件产生的约束边界；文献[4]对不同拧紧力矩时楔形锁紧装置产生的锁紧力进行了计算;文献[5]对振动载荷下楔形锁紧机构的振动非线性进行了初步的研究。但这些研究成果主要集中在楔形锁紧机构提供的约束作用，而对它的振动载荷传递作用研究得较少。

这里针对一种具体的楔形锁紧装置，通过实验，以实际使用时的随机振动试验条件为激励，分别研究了楔形锁紧装置在不同拧紧力矩、不同实验方向上的随机振动载荷传递作用。

1 楔形锁紧装置及其连接

楔形锁紧装置一般由滑块、滑座、螺钉、螺母、垫圈和簧片组成[6]。簧片为一个可选构件，其主要作用是使滑块主动复位。实际上，楔形锁紧装置成对使用，并通过滑座固定在PCB插件或LRM的两侧，当PCB插件或LRM位于机箱内时，拧紧楔形锁紧装置的螺钉，使滑块与滑座之间产生相对运动，并逐渐压紧机箱安装槽的壁面，在楔形锁紧装置与机箱安装槽位之间形成力锁合连接[7]。松开楔形锁紧装置的螺钉，滑块在自身弹性变形力或簧片的作用下复位，楔形锁紧装置与机箱安装槽位之间形成的力锁合连接消除，PCB插件或LRM可以从机箱内取出。

如图1所示，本文研究的楔形锁紧装置由螺钉、弹簧垫圈、平垫圈、滑块和滑座5个零件构成。该楔形锁紧装置的自由尺寸约为8 mm × 7 mm × 187 mm，螺钉完全拧紧后的尺寸约为8 mm × 8.5 mm × 180 mm。其组成零件中除螺钉和垫圈的材料为不锈钢外，其余零件的材料均为铝合金。

图1 研究对象

2 楔形锁紧装置的振动实验

楔形锁紧装置构成的系统具有高度的复杂性和较强的非线性[5]，难以利用有限元仿真和理论计算方法研究其在使用状态下对振动载荷的传递作用。因此，这里基于电动振动试验系统和数据采集系统搭建了实验装置，如图2所示，并将专用的试验夹具和LRM模拟件作为试件，如图3(a)所示，利用振动实验方法研究楔形锁紧装置在实际使用状态下的振动传递作用。

图2 实验装置

在试验过程中将试件牢固地安装在振动台台面上，并在夹具与振动台台面的连接部位附近放置控制加速度计。为了了解楔形锁紧装置的振动传递作用，分别在夹具中LRM模拟件的安装槽槽壁和LRM模拟件上放置数据采集加速度计,分别以如图3(b)所示的功率谱密度曲线为激励条件，依次完成当楔形锁紧装置采用不同拧紧状态时X、Y、Z3个方向的加速度功率谱密度数据的采集。这些拧紧状态包括自由拧紧状态(利用“L”型内六角扳手拧紧，不控制力矩)以及控制力矩分别为0.008 N·m、0.010 N·m、0.012 N·m时的状态。下面将基于这些数据来分析楔形锁紧装置的振动传递作用。

图3 试件与实验激励

3 楔形锁紧装置的振动传递作用

3.1 量化指标与分析方法

3.1.1 两个量化指标

为了便于对楔形锁紧装置的振动传递作用进行量化分析，同时消除不同试验激励对分析结果的影响，引入了2个可以量化的指标：一是LRM模拟件上的均方根加速度值与夹具中LRM模拟件的安装槽槽壁上的均方根加速度值的比值Rrms；二是在不同拧紧状态下LRM模拟件与夹具中LRM模拟件的安装槽槽壁之间的传递关系曲线的形状相似性系数Str。

Rrms可以按照式(1)来计算：

(1)

式中：GLRM为在LRM模拟件上测得的均方根加速度值；GFIX为在夹具中LRM模拟件的安装槽槽壁上测得的均方根加速度值。

Str可以按照式(2)获得：

(2)

式中，T1和T2分别表示参与比较的2个传递关系曲线的向量。

LRM模拟件与夹具中LRM模拟件的安装槽槽壁之间的传递关系曲线需要从采集的加速度功率谱密度曲线中计算得到。具体而言，表示该传递曲线的向量的第i个元素Ti可以按照式(3)获得：

(3)

3.1.2 分析方法

文中针对X、Y和Z3个方向上的试验数据分别进行分析，如图4所示。具体分析方法为：首先计算各个拧紧力矩下的Rrms值，从整体上掌握楔形锁紧装置对振动载荷的传递作用，并将不同拧紧力矩下的Rrms值进行比较，从而确定拧紧力矩对楔形锁紧装置对振动载荷传递作用的影响；其次，计算各个拧紧力矩下的振动载荷传递曲线，定性地了解楔形锁紧装置在频域上对振动载荷的传递作用；最后，对各个拧紧力矩下的振动载荷传递曲线进行比较，计算Str矩阵，从而确定拧紧力矩在频域上对楔形锁紧装置的振动传递作用的影响。

图4 分析方法

3.2X方向楔形锁紧装置的振动传递作用

按照3.1.2节叙述的分析方法，将在X方向的试验数据带入式(1)中计算出楔形锁紧装置在4种拧紧状态下的Rrms值，并列入表1中。一方面，表1中的Rrms值均小于1，说明在该方向上楔形锁紧装置对振动能量具有耗散作用；另一方面，从表1中可知，在不同拧紧状态下Rrms值的最大变化量只有0.007 1，可见在该方向上楔形锁紧装置的振动载荷传递作用基本不受拧紧力矩的影响。

表1 X方向的Rrms值

进一步将X方向的实验数据带入式(3)中计算4种拧紧状态下的传递关系曲线，并按照式(2)计算各传递曲线之间的Str矩阵，具体结果如图5所示。

图5 X向传递关系曲线及Str矩阵

从图5可知，不同拧紧状态下的楔形锁紧装置在15～1 282.5 Hz的频段内传递关系曲线的形状几乎一致，各曲线之间的Str值均大于0.99。但在1282.5～2 000 Hz的频段内传递曲线的形状出现差异，特别是在0.008 N·m和0.012 N·m两个拧紧状态下，15～2 000 Hz频段的Str值仅为0.925 7。这充分说明，在X方向上楔形锁紧装置拧紧力矩的大小对振动载荷传递作用的影响仅体现在1 282.5～2 000 Hz的高频段。另一方面，自由拧紧与0.010 N·m两个状态之间的Str值最大，达到了0.988 9。这说明在X方向上自由拧紧时楔形锁紧装置的状态与采用0.010 N·m力矩拧紧时的状态相似。

综上所述，在X方向上楔形锁紧装置对振动能量具有约23%的耗散作用，但拧紧力矩的变化对其振动载荷传递作用的影响微小；拧紧力矩的变化会影响高频段(1 282.5～2 000 Hz)传递曲线的形状。

3.3Y方向楔形锁紧装置的振动传递作用

同样利用Y方向的试验数据可以计算出楔形锁紧装置在Y方向上4种拧紧状态下的Rrms值，列入表2中。表2中的Rrms值均接近1，说明在该方向上楔形锁紧装置并未对振动载荷起放大或耗散作用；各拧紧状态下的Rrms值相差很小，最大变化量仅为0.025 7，可见在该方向上楔形锁紧装置的振动载荷传递作用基本不受拧紧力矩的影响。

表2 Y方向的Rrms值

进一步计算Y方向上4种拧紧状态下的传递关系曲线和各传递曲线之间的Str矩阵，具体结果如图6所示。

图6 Y向传递关系曲线及Str矩阵

从图6可知，不同拧紧状态下楔形锁紧装置在15～1 225 Hz的频段内传递关系曲线的形状几乎一致，各曲线之间的Str值均大于0.99。然而在1225～2 000 Hz的频段内传递曲线的形状出现明显的差异，特别是在0.008 N·m和自由拧紧2个拧紧状态下，15～2 000 Hz频段的Str值仅为0.949 1。这充分说明，在Y方向上楔形锁紧装置的拧紧力矩的大小对振动载荷传递作用的影响仅体现在1 225～2 000 Hz的高频段。另一方面，该方向上自由拧紧与0.010 N·m两个状态之间的Str值最大，达到了0.9546。这说明Y方向上自由拧紧时楔形锁紧装置的状态与采用0.010 N·m力矩拧紧时的状态最为接近。

综上所述，在Y方向上楔形锁紧装置对振动能量没有明显的放大和耗散作用，并且拧紧力矩的变化对其振动载荷传递作用影响甚微；拧紧力矩的变化会影响高频段(1 225～2 000 Hz)传递曲线的形状。

3.4Z方向楔形锁紧装置的振动传递作用

同样利用Z方向的试验数据可以计算出楔形锁紧装置在Z方向上4种拧紧状态下的Rrms值，列入表3中。表3中的Rrms值均显著大于1，说明在该方向上楔形锁紧装置对振动载荷起放大作用。然而各拧紧状态下的Rrms值存在一定的差距，最大变化量为0.243 7，可见在该方向上楔形锁紧装置的振动载荷传递作用受到拧紧力矩的明显影响，并且随着拧紧力矩的增加Rrms呈现减小的趋势。

表3 Z方向的Rrms值

进一步计算Z方向上4种拧紧状态下的传递关系曲线和各传递曲线之间的Str矩阵，具体结果如图7所示。

图7 Z向传递关系曲线及Str矩阵

从图7可知，不同拧紧状态下的楔形锁紧装置在15～1 470 Hz的频段内传递关系曲线的形状几乎一致，各曲线之间的Str值均大于0.99。然而在1470～2 000 Hz的频段内传递曲线的形状出现明显的差异，特别是在0.008 N·m和0.012 N·m两个拧紧状态下，15～2 000 Hz频段的Str值仅为0.738 5。这充分说明，在Z方向上楔形锁紧装置的拧紧力矩的大小对振动载荷传递作用的影响仅体现在1 470～2 000 Hz的高频段。另一方面，在该方向上自由拧紧与0.010 N·m两个状态之间的Str值最大，达到了0.991 3。这说明在Z方向上自由拧紧时楔形锁紧装置的状态与采用0.010 N·m力矩拧紧时的状态最为接近。

综上所述，在Z方向上楔形锁紧装置对振动能量有明显的放大作用，并且拧紧力矩的变化对其振动载荷传递作用的影响较大；拧紧力矩的变化会影响高频段(1 470～2 000 Hz)传递曲线的形状。

4 结束语

通过对楔形锁紧装置在X、Y、Z3个方向的实验数据的分析得到以下结论：1)楔形锁紧装置在X方向上对振动能量具有耗散作用，并且在文中给定的力矩范围内耗散作用基本稳定；2)楔形锁紧装置在Y方向上对振动能量没有明显的耗散或放大作用，并且在文中给定的力矩范围内这个作用基本稳定；3)楔形锁紧装置在Z方向上对振动能量有明显的放大作用，并且在文中给定的力矩范围内这个作用呈现随力矩增大而减弱的趋势；4)在文中给定的力矩范围内，楔形锁紧装置的拧紧力矩的变化仅对高频段传递曲线的形状产生影响，在不同方向上受影响的频段存在差异；5)自由拧紧时，楔形锁紧装置的状态与拧紧力矩为0.010 N·m时最为接近；6)随着楔形锁紧装置的拧紧力矩增大，Rrms值有不断减小的趋势，这个趋势在Z方向上更为明显。

[1] 李京生，李军生.航空电子技术发展展望[J].航空精密制造技术，2008，42(3)：1-5，25.

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[3] 刘继承，周传荣. 机载电子设备中印制板边界条件的识别[J]. 振动与冲击，2004，23(4)：96-98.

[4] 方伟奇，王克军. 某机载电子设备振动模态与频响分析[J]. 电子机械工程，2010，26(5)：49-53.

[5] 周晓东. 电子设备楔形锁结构非线性动力学特性分析[J]. 电子机械工程，2012，28(3)：16-19，30.

[6] 常研，宋立存，孙兆军,等. SJ 20382—2007 楔形锁紧装置规范[S]. 北京：中国电子技术标准化研究所，2007.

[7] 机械设计手册编委会. 机械设计手册(第2卷)[M]. 3版，北京：机械工业出版社，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，高级工程师，主要从事电子设备抗恶劣环境设计与分析、PCB组件的动态响应分析与失效预计工作。