重型楔形鎖緊裝置的研制*

何 恩，程皓月，賴天華，冷國(guó)俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

鎖緊裝置是一種LRM模塊的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，鎖緊裝置具有可快速拆卸聯(lián)接、適合可插拔結(jié)構(gòu)、可放大緊固件的鎖緊力、聯(lián)接可靠性高的特點(diǎn)。鎖緊裝置廣泛應(yīng)用于各類LRM模塊和加固電子設(shè)備中，以提高電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、維修性、可靠性。

國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)和作用進(jìn)行的分析和研究主要集中在3個(gè)方面：

(1)鎖緊裝置的熱阻測(cè)試研究[1]；(2)針對(duì)鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)，分析不同擰緊力矩時(shí)鎖緊裝置能夠產(chǎn)生的夾持力；(3)在振動(dòng)條件下，分析鎖緊裝置的振動(dòng)傳遞作用和印制板的頻率響應(yīng)特性[2-3]。

這些研究主要是針對(duì)SJ20382-2007中提出的XS3型、XS5型鎖緊裝置應(yīng)用在模塊時(shí)的特性進(jìn)行分析和試驗(yàn)[4]，幾乎沒有鎖緊裝置應(yīng)用到大質(zhì)量電子設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)的研究，主要原因是XS3型、XS5型鎖緊裝置的夾持力較小，僅支持1 kg～1.5 kg的模塊質(zhì)量[5]，以及滑塊結(jié)構(gòu)易“咬死”。而某些項(xiàng)目的大質(zhì)量電子設(shè)備質(zhì)量達(dá)到80 kg。

基于維修性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性要求，本文提出采用兩側(cè)鎖緊裝置的安裝方案，研制可用于大重量電子設(shè)備的重型鎖緊裝置。

1 鎖緊裝置

某型安裝在機(jī)架上的大質(zhì)量電子設(shè)備質(zhì)量為80 kg，為便于電子設(shè)備的安裝和拆卸，電子設(shè)備兩側(cè)擬采用4根鎖緊裝置進(jìn)行快速鎖緊安裝，鎖緊裝置安裝聯(lián)接示意圖如圖1所示。

圖1 鎖緊裝置安裝聯(lián)接示意圖

1.1 裝置要求

電子設(shè)備的使用需要滿足隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的功率譜密度RMS為a=9.71 g。由于峰值加速度的不確定性和不可測(cè)性，取置信區(qū)間3σ(置信度為99.73%)，采用4根鎖緊裝置則應(yīng)滿足[6]：

4F≥3ma

(1)

式中：F—單根重型鎖緊裝置的夾持力；m—電子設(shè)備質(zhì)量；a—隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的功率譜密度。

通過計(jì)算可知，單根重型鎖緊裝置需要提供的夾持力F不小于5 709 N。

1.2 裝置組成

重型鎖緊裝置結(jié)構(gòu)由螺釘、墊圈、滑桿和五節(jié)滑塊組成。滑桿的截面為方形，滑塊與滑桿為間隙配合，滑塊在滑桿上前后滑動(dòng)自由度因而不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。需要解決的是XS3型、XS5型鎖緊裝置在使用中容易出現(xiàn)滑塊翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而鎖緊裝置失效卡死的問題。

重型鎖緊裝置外形如圖2所示。

圖2 重型鎖緊裝置示意圖

2 夾持力的計(jì)算

鎖緊裝置是通過擰緊螺栓，引起滑塊沿楔形面的爬升，滑塊爬升到鎖緊槽接觸面后，在鎖緊槽上、下面產(chǎn)生正壓力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)被夾持物的鎖緊。其摩擦力的總和為夾持力。

螺釘預(yù)緊力為F0，設(shè)滑塊相互夾角為δ，五節(jié)鎖緊裝置的傳遞受力關(guān)系如圖3所示。

圖3 五節(jié)鎖緊裝置傳遞受力關(guān)系

根據(jù)圖3的傳遞受力圖，則有如下關(guān)系：

F1=F0/tanδ

(2)

F12=F21=F0/sinδ

(3)

F21=F23=F0/sinδ

(4)

F2=F21cosδ+F23cosδ=2F0/tanδ

(5)

F32=F34=F23=F0/sinδ

(6)

F3=F34cosδ+F32cosδ=2F0/tanδ

(7)

F43=F45=F34=F0/sinδ

(8)

F4=F45cosδ+F43cosδ=2F0/tanδ

(9)

F54=F45=F0/sinδ

(10)

F5=F54cosδ=F0/tanδ

(11)

將F1，F(xiàn)3，F(xiàn)5求和，可得到鎖緊槽下表面的正壓力FS1。將F2，F(xiàn)4求和，可得到鎖緊槽上表面的正壓力FS2：

Fs1=F1+F3+F5=4F0/tanδ

(12)

Fs2=F2+F4=4F0/tanδ

(13)

式中：F1,F2,F3…—滑塊對(duì)鎖緊槽的正壓力；F12,F21…—滑塊之間的作用力；δ—滑塊相互夾角；F0—螺釘?shù)念A(yù)緊力。

則鎖緊裝置的夾持力F為：

F=μFs1+μFs2=8μF0/tanδ

(14)

設(shè)鎖緊裝置的節(jié)數(shù)為n(一般取奇數(shù)3,5,7……)，則鎖緊裝置夾持力公式：

F=2(n-1)μF0/tanδ

(15)

式中：n—鎖緊裝置的節(jié)數(shù)；μ—摩擦系數(shù)；δ—滑塊相互夾角；F0—螺釘?shù)念A(yù)緊力。

通過式(15)可以知道：

(1)一般鎖緊裝置的節(jié)數(shù)為奇數(shù)，節(jié)數(shù)越多，夾持力成倍放大，但螺釘?shù)男谐坛杀对黾樱?/p>

(2)夾持力與螺釘預(yù)緊力F0成正比；

(3)鎖緊裝置具有把螺釘?shù)念A(yù)緊力F0放大的作用，楔形滑塊節(jié)數(shù)越多，夾持力越大；

(4)鎖緊裝置要求表面具有較大摩擦系數(shù)，如果接觸面涂有潤(rùn)滑液、導(dǎo)熱脂等，夾持力會(huì)大大降低甚至失效。

另外，夾持力與滑塊相互夾角的tanδ值成反比，為保證滑塊之間不會(huì)自鎖，一般取δ=45°即tanδ=1。

為保證機(jī)架上的80 kg電子設(shè)備能夠牢固安裝，單根鎖緊裝置的夾持力必須大于5 709 N，并有一定的設(shè)計(jì)余量。

因此，螺釘?shù)囊?guī)格選為M6，根據(jù)螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩及預(yù)緊力速查表，設(shè)定預(yù)緊力為4 200 N，采用δ=45°的五節(jié)滑塊鎖緊裝置，摩擦系數(shù)μ=0.25，則根據(jù)式(3)可知鎖緊裝置的夾持力F為：

F=8μF0/tanδ×0.25×4 200=8 400 N>5 709 N。

由此可見，該鎖緊裝置的設(shè)計(jì)滿足要求。

3 鎖緊裝置力學(xué)仿真

由于楔形鎖緊裝置構(gòu)成的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性[7]，簡(jiǎn)化后還需要通過ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)仿真，以快速評(píng)估鎖緊裝置在受到M6螺釘預(yù)緊力和隨機(jī)振動(dòng)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。本文假設(shè)了兩種靜載荷情況：

(1)在只有M6螺釘預(yù)緊力時(shí)，設(shè)鎖緊裝置受到一對(duì)4 200 N的力；

(2)在處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，設(shè)鎖緊裝置受到一對(duì)4 200 N的預(yù)緊力，同時(shí)隨機(jī)振動(dòng)鎖緊裝置受到5 709 N的慣性力載荷。

通過仿真計(jì)算，在預(yù)緊力工況時(shí)，鋁合金鎖緊裝置只受到螺釘?shù)念A(yù)緊力，最大應(yīng)力達(dá)到253 MPa。然而在隨機(jī)振動(dòng)工況的+Z方向，鋁合金材料的鎖緊裝置的最大應(yīng)力達(dá)到333 MPa，相比鋁合金材料的屈服極限，安全系數(shù)較低。考慮到鋁合金在耐久振動(dòng)情況下會(huì)受到更大的載荷，所以更換材料為鈦合金材料。

鋁合金鎖緊裝置預(yù)緊力工況下的應(yīng)力云圖、鈦合金鎖緊裝置振動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 鎖緊裝置仿真應(yīng)力云圖

鎖緊裝置力學(xué)仿真最大應(yīng)力如表1所示(X，Y，Z表示不同方向的載荷)。

表1 鎖緊裝置力學(xué)仿真最大應(yīng)力

4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

筆者用重型鎖緊裝置把電子設(shè)備安裝在振動(dòng)試驗(yàn)夾具上，進(jìn)行了3個(gè)軸向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)RMS曲線如圖5所示。

圖5 電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)RMS曲線

從圖5所示的RMS響應(yīng)曲線可知，安裝結(jié)構(gòu)只在60 Hz～90 Hz有很小放大，而在215 Hz～2 000 Hz部分衰減很好，說明重型鎖緊裝置具有很好的緊固特性。

上述試驗(yàn)完成后，在試驗(yàn)夾具上，筆者發(fā)現(xiàn)鎖緊槽有明顯磨損痕跡。

電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和鎖緊槽磨損部位如圖6所示。

圖6 電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和鎖緊槽磨損部位

從摩擦學(xué)分析，在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由于鎖緊槽的屈服強(qiáng)度低于鎖緊裝置的屈服強(qiáng)度，在一定載荷作用下，在接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，使得表面氧化膜破裂、溫度升高，進(jìn)而接觸點(diǎn)產(chǎn)生粘著—剪斷—粘著—剪斷的循環(huán)過程。

磨損量的定性公式為[8]：

(16)

式中：W—接觸副總的磨損量；P—接觸面的載荷壓力；L—總的位移距離；Pr—硬度低的材料的屈服強(qiáng)度。

通過分析式(16)可知，隨著鎖緊裝置預(yù)緊力的增大，在振動(dòng)時(shí)，對(duì)接觸面的磨損增大，如果鎖緊槽的材料屈服強(qiáng)度越小，那么軟材料的磨損將越嚴(yán)重。通過仿真發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)夾具的鋁合金LF21鎖緊槽的最大應(yīng)力為162 MPa，已超出屈服強(qiáng)度，所以磨損較大。

因此，在采用重型鎖緊裝置時(shí)，必須提高鎖緊槽接觸面的耐磨性，最好選用強(qiáng)度高的材料，同時(shí)采用表面耐磨的工藝。

5 結(jié)束語(yǔ)

鎖緊裝置是電子裝備上最常用的LRM級(jí)別的可拆卸緊固裝置，受限于鎖緊載荷不高的問題，本文依據(jù)鎖緊裝置的受力分析和力學(xué)仿真分析，成功研制出可用于大重量LRU電子設(shè)備的重型鎖緊裝置。

該裝置主要優(yōu)勢(shì)在于：滿足了LRU電子設(shè)備快插快卸的需求；同時(shí)，由于該裝置可以放大了緊固螺釘?shù)念A(yù)緊力，提高了安裝載荷，使其力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性得以提高。

雖然采用夾持力計(jì)算可以判斷快速預(yù)估鎖緊裝置是否滿足使用要求，但真正的受力情況還需要考慮摩擦副的粗糙度、表面硬度、摩擦系數(shù)多方面的因素，而這些因素很難準(zhǔn)確計(jì)算，且受環(huán)境因素影響很大。因此，在計(jì)算時(shí)需要保證一定的設(shè)計(jì)余量。