淺析兩種高加速度沖擊裝置

王懷文，崔戰團

（西安捷盛電子技術有限責任公司， 西安 710119 ）

淺析兩種高加速度沖擊裝置

王懷文，崔戰團

（西安捷盛電子技術有限責任公司， 西安 710119 ）

高加速度和窄小脈寬一直是沖擊試驗設備制造者研究的主題。本文通過對生產實踐中解決這一難題的兩種裝置使用方法和實踐效果的對比分析，向廣大的設備生產者和使用者介紹了兩種裝置的優缺點，供大家參考。

沖擊臺；機械濾波；響應；波形發生器；附加臺面

引言

GJB 548B-2005標準中規定了微電子器件進行機械沖擊的試驗條件：半正弦脈沖加速度（m/s2）：4 900～294 000，脈沖寬度（ms）：1～0.1。對于常規沖擊試驗設備，只能完成脈沖加速度較小、持續時間較長的試驗條件中，對一些較大脈沖加速度和較小脈沖持續時間的沖擊試驗，只要沖擊試驗設備的沖擊能量足夠，可以通過在常規沖擊試驗設備上安裝一些輔助裝置，借用該輔助裝置來完成微電子器件需要的沖擊試驗，如完成GJB 548B-2005標準中規定沖擊試驗條件。這些輔助裝置根據工作原理，可大致劃分為沖擊放大裝置和二次沖擊裝置兩種結構形式。通過這些裝置的使用，可以在常規沖擊試驗設備上比較容易的產生符合規范要求的高加速度窄短沖擊脈沖波形。這些輔助裝置結構簡單，安裝使用方便，能有效擴展沖擊試驗設備的適用范圍，極大地降低微電子器件的試驗費用。當然，這兩種裝置在結構原理上、對沖擊設備的適用性上以及經濟性上都有差異，生產者和使用者都需要有一個清晰的認識，才能在裝置的設計中和使用中做到心中有數，工作中少走彎路。筆者有幸參與了這兩種裝置的研究和試驗當中，對這兩種裝置有較為深刻的理解，今天分享出來供大家參考。

1 裝置結構與工作原理

1.1 沖擊放大裝置

沖擊放大裝置由1件鋁合金或鎂合金材料制作的附加臺面、4件定位螺釘、8個限位橡膠墊、若干件厚度不同的緩沖墊組成。

沖擊放大裝置在安裝時，將附加臺面（圖1）放置在沖擊臺的臺面上，在兩個臺面之間根據脈沖的持續時間要求加墊合適的緩沖墊（圖4），然后定位螺釘（圖2）的螺桿上套入橡膠墊（圖3），通過螺釘孔將附加臺面固定在沖擊臺的臺面上，定位螺釘在擰緊后，應使橡膠墊對附加臺面有輕微的預壓力，可以通過調整橡膠墊的數量和厚度來保證。具體可參閱“沖擊放大裝置安裝結構示意圖”（圖5）。

圖1 附加臺面

圖2 定位螺釘

圖3 橡膠墊

圖4 緩沖墊

圖5 沖擊放大裝置安裝結構示意圖

需要對試件進行較大加速度和窄短脈沖沖擊試驗時，將試件和加速度傳感器固定在附加臺面上表面，對沖擊臺更換比較薄和硬度較硬的波形發生器，然后按正常程序操作沖擊試驗設備即可，當沖擊臺工作臺面與波形發生器撞擊后，沖擊臺工作臺面會產生一個沖擊脈沖，該沖擊脈沖又瞬間激勵到附加臺面和緩沖墊組成的彈簧質量系統，根據頻率耦合原則，附加臺面會產生一個高加速度窄短持續時間的半正弦沖擊脈沖，附加臺面上產生的沖擊脈沖加速度幅值會遠遠大于沖擊臺面的沖擊脈沖加速度幅值，一般很輕松的能達到2～3倍，這也是該裝置被叫加速度放大裝置的原因。附加臺面和原始臺面之間加墊的緩沖材料一方面是為調節系統的固有頻率，使附加臺面得到希望的脈沖寬度，另一方面阻止沖擊臺工作臺面上產生的沖擊脈沖中的高次諧波傳遞到附加臺面產生的沖擊脈沖上，使反映到附加臺面上的波形滿足標準要求，這也就是所謂的機械濾波。

當沖擊臺工作臺面產生的沖擊脈沖加速度幅值越大，附加臺面上產生的沖擊脈沖幅值會更大。由于沖擊臺工作臺面質量較大，當產生較大的沖擊加速度時，臺面受到的沖擊力就很大，過大的沖擊力往往會造成沖擊臺工作臺面和各連接件機械強度沖擊力超限，對臺面和連接件造成不可逆轉的損傷，致使該類型沖擊試驗設備可靠性嚴重下降，因此，該調制高加速度窄短沖擊脈沖的方法雖然有效但不實用，在實際工作中的使用并不廣泛。

為了解決這一問題，研究人員經過不停的探索，終于研制了另外一款調制窄短沖擊脈沖的裝置。

1.2 二次沖擊裝置

二次沖擊裝置由一塊質量較大、抗沖耐壓、表面平整光滑的安裝底座1，兩根直線度、圓度、表面光潔度等精度很高的導向軸2，一塊材質組織致密、自然頻響很高的輕質量合金臺面3，4根根據臺面和負載質量設計的高彈性拉伸彈簧4，2件壓蓋5，2件高彈性聚氨酯阻尼墊6，2件非金屬軸承的軸承蓋7，8件拉簧掛環8，幾塊不同厚度的高致密高柔韌性窄短脈沖發生器9，4件安裝螺釘10組成。

二次沖擊裝置在組裝時，應先將兩根導向軸2分別緊緊插入安裝底座1的對應孔臺處，然后用相應螺釘加防松墊圈固定牢靠，必要時通過緊頂螺釘沿導軸長度方向分段固定，二次沖擊臺面3的導向孔內安裝非金屬軸承，并通過軸承蓋7壓緊在對應孔臺處，將裝好的二次沖擊臺面3沿導向軸2放入安裝底座1上表面上，在兩根導向軸2上分別裝入高彈性聚氨酯阻尼墊6和壓蓋5，壓蓋5用螺釘固定于導向軸2的上端部，分別在壓蓋5和二次沖擊臺面的對應螺孔處裝入掛環8，然后用4根懸掛彈簧4將二次沖擊臺面懸浮于導向軸2一定高度處，用安裝螺釘10將安裝底座最后固定在沖擊設備的原始臺面中心處，根據試驗條件選擇一定厚度的窄短脈沖發生器10放置在安裝底座1上表面上。這時，二次沖擊裝置就已經基本組裝完成，用手壓動二次沖擊臺面3，二次沖擊臺面3應沿導向軸2運動靈活，不得有死點和卡頓現象，必要時可在導向軸2表面涂抹潤滑粉減小摩擦系數。二次沖擊裝置裝成后二次沖擊臺面3不論是空載還是在滿載情況下的懸掛高度（即二次沖擊臺面3的下底面距安裝底座1的上表面之間的距離）應一定，約60 mm，如果負載質量跨度太大，應通過調整懸掛彈簧4的彈簧剛度來解決。

當確認二次沖擊裝置組裝無誤后，就可將二次沖擊裝置與沖擊設備直接連接了。如圖7所示，用安裝螺釘10將安裝底座固定在沖擊設備的原始臺面13中心處，根據試驗條件選擇一定厚度的窄短脈沖發生器10放置在安裝底座1上表面上，在二次沖擊臺面3上表面安裝負載15和加速度傳感器14，在沖擊設備砧座11上安裝硬度最軟、厚度最大的波形發生器，連接好各類測試連線，開啟沖擊試驗設備，按照沖擊試驗設備正常的操作規程去操作設備工作即可。當沖擊設備原始臺面13與砧座11上安裝的波形發生器12撞擊的瞬間后，安裝在原始臺面上的二次沖擊裝置中的二次沖擊臺面3會與安裝底座1上的窄短脈沖波形發生器9撞擊產生一個幅值比較大、持續時間很短的標準的沖擊脈沖，改變沖擊臺原始臺面13的跌落高度就可改變二次沖擊裝置中二次沖擊臺面3的沖擊加速度幅值，如果想改變脈沖的持續時間可選擇更換窄短脈沖波形發生器9的厚度即可，注意，原始沖擊臺面13下面的波形發生器12不要輕易更換。

圖6 二次沖擊裝置結構圖

由于二次沖擊裝置是安裝在沖擊設備的原始臺面上隨原始臺面一塊運動，因此原始臺面在沖擊前能獲得多大的運動速度，二次沖擊裝置中的工作臺面同理就有多大的速度，根據沖擊原理可知，在沖擊前臺面運動速度越大沖擊時能量越大，在越短的沖擊作用時間內沖擊加速度就越大。在原始臺面沖擊后，二次沖擊裝置中的工作臺面才克服懸掛彈簧的拉力與窄短脈沖波形發生器撞擊產生沖擊脈沖，在時間上具有延遲性，相當于發生了兩次沖擊，因此我們將這種裝置起名二次沖擊裝置。高加速度窄短沖擊脈沖是在二次沖擊裝置的工作臺面上產生的，利用的是沖擊設備原始工作臺面的運動速度，因此原始工作臺面不需要產生較大的沖擊加速度，可以在速度達到后在沖擊時通過延長原始臺面沖擊過程的作用時間來有效降低沖擊力，這樣做即有效保護了原始工作臺面，又大大降低了機械沖擊對設備連接件的破壞作用，有效提高了試驗設備的工作可靠性。

圖7所示的安裝結構是我公司產品的一個運用實例。沖擊設備原臺面尺寸為200 mm*200 mm，最大負載質量30 kg，原設備在進行2 000 g 0.3 ms沖擊試驗時，波形畸變嚴重，無法滿足GJB 548B相關規范要求，在設備加裝了圖6所示的二次沖擊裝置后，在負載3 kg時，設備沖擊加速度達到20 000 g 0.15 ms，波形失真情況完全滿足GJB 548B相關規范要求。

圖7 二次沖擊裝置安裝結構示意圖

2 兩種裝置的異同點

研制加速度放大裝置和二次沖擊裝置目的在于提供一種可供普通常規沖擊試驗設備安裝使用的裝置，通過常規沖擊試驗設備獲得符合規范要求的高加速度、窄短沖擊脈沖波形，拓展常規沖擊試驗設備的適用范圍，提高設備的使用率和可靠性。兩種裝置都能在常規沖擊試驗設備上安裝使用，能夠很輕松很方便的在附加臺面上產生高加速度窄短沖擊脈沖波形。雖然兩種裝置目的一致，但是由于結構和原理的差異，兩種裝置在使用上應結合沖擊設備具體情況仔細考慮。具體來說，主要表現在以下幾個方面：

結構上的區別。加速度放大裝置在結構上還是比較簡單，裝置零件少，各個零件的精度也不是很高，加工制造成本低，就是放大臺面與原始臺面之間選用的緩沖墊也不需要特別制造，一般選用1～3 mm的植鞣牛皮即可。二次沖擊裝置在結構上就稍微復雜了，不但裝置的零件多，而且零件的加工精度和設計要求也比較高，要根據用戶不同的負載質量和臺面質量設計懸掛彈簧，裝配也比較復雜，需要一定的經驗和分析調整能力，這樣組裝后的二次沖擊裝置才能好用，窄短脈沖波形發生器需要特殊制造，否則極易造成波形失真和重復性不符合規范要求。

安裝使用方面的區別。一般沖擊放大裝置是通過4顆定位螺釘安裝在沖擊臺的原始臺面上的，緩沖墊調整時，需要拆下定位螺釘，在放大臺面與沖擊臺原始臺面之間放置新的緩沖墊后重新旋入定位螺釘即可，如果放大臺面的預緊力有較大的差異，可以通過調整橡膠墊的厚度來解決，用戶試件質量的改變對裝置的使用影響不敏感可以忽略。二次沖擊裝置一般也是通過螺釘將安裝底座固定在沖擊設備的原始臺面上，窄短脈沖波形發生器調整時，可以直接抽換，裝置不用拆卸，當用戶試件的質量變化較大時，明顯的改變了二次沖擊裝置臺面下表面與裝置中安裝底座上表面之間要求的距離時，就需要改變懸掛彈簧的剛度來滿足距離要求，這需要用戶在使用中特別注意，否則很容易造成沖擊狀態不穩定。

對沖擊設備適應性的區別。兩種裝置都適合于常規沖擊試驗設備使用，但是對設備的要求上，還是有不小的差別。沖擊放大裝置在常規沖擊設備上使用時，采用的是頻率耦合原理，要產生高加速度窄短沖擊脈沖，沖擊試驗設備也必須產生幅值很高持續時間很短的沖擊脈沖，較大的沖擊加速度很容易造成試驗設備損壞。沖擊放大裝置在實現10 000 g 0.2 ms的研制過程中，將沖擊設備的原始臺面就生生撞裂了，設備其他的構件譬如連桿、驅動氣缸、連接螺釘等也經常損壞，給設備的可靠性造成了很大的傷害。因此，要采用加速度放大裝置產生窄短沖擊脈沖，所選用的沖擊試驗設備必須要強度很高適合于強迫撞擊。二次沖擊裝置在產生窄短脈沖波形時采用的是速度的方法，只要二次沖擊裝置中的工作臺面在沖擊前達到合適的撞擊速度，就能產生所需要能量的沖擊加速度，沖擊設備中的原始工作臺面不參與最終要求的脈沖波形的發生，所以在速度達到后，原始工作臺面可以通過大能量的緩沖墊去緩沖，通過延長原始工作臺面的撞擊時間減小沖擊力的產生，有效的保護了沖擊試驗設備，二次沖擊裝置在實現20 000 g 0.2 ms的可靠性考核過程中，沖擊試驗設備沒有出現一次強度失效故障，因此這兩年，二次沖擊裝置被業界公認為產生窄短脈沖波形比較適宜的方法。

綜上所述，加速度放大裝置和二次沖擊裝置是兩種比較科學的調制窄短脈沖波形的方法，在結構和安裝調整上，加速度放大裝置比較有優勢，因為它結構簡單、安裝方便、使用過程中基本不用調整，如果用戶要求的加速度幅值不是很高，在5 000 g 0.3 ms以下的沖擊試驗條件，建議可以考慮該裝置。如果用戶要完成更大幅值的加速度沖擊脈沖，建議還是采用二次沖擊裝置，該裝置能夠產生幅值很大、持續時間很短的半正弦沖擊脈沖，具有脈沖波形失真小、穩定性高、重復性好，更主要的是對沖擊試驗設備的安全性好，不用過分的擔心高加速度試驗對設備造成的傷害。

3 結束語

兩種裝置為純機械制件，安裝拆除容易，制造成本便宜，運行性能穩定。裝置可以廣泛應用于沖擊類設備中，為常規沖擊類試驗設備拓展使用范圍提供了有意義的實踐探索。

[1] (蘇)克柳耶夫.振動與沖擊手冊[M].北京：國防工業出版社,1983,10.

[2] 編著委員會.力學環境試驗技術[M].西安:西北工業大學出版社,2003,9.

Analysis of Two Kinds of High Acceleration Impact Devices

WANG Huai-wen，CUI Zhan-tuan
(Xi’an Jiesheng Electron Technic Co.,Ltd., Xi’an 710119)

High acceleration and narrow pulse width have been great research topics for acceleration shock test equipment makers. This paper compared and analyzed the using method and practical effect of two kinds of devices that were intended to solve this difficult problem in productive practice, then introduced advantages and disadvantages of this two kinds of devices for general equipment producers and users and provided some reference to readers.

shock machine; machinery filter; response; wave form generator; additional meas

T19

B

1004-7204（2017）05-0069-05

王懷文(1970-)，男，陜西省岐山縣人，大專，工程師，主要從事環境試驗設備的設計工作。

崔戰團（1965-），男，陜西省武功縣人，大學本科學歷，高級工程師，主要從事環境試驗設備的設計、管理工作。