電子設備沖擊試驗滑移問題分析與研究

阮翔，丁瑞翔，肖偉，林克敏，李杰

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

沖擊試驗主要考核設備在經受外力沖撞或作用時產品的安全性、可靠性和有效性的一種方式。沖擊試驗包括落錘試驗、擺錘試驗和加速度沖擊試驗等類型，其中，加速度沖擊試驗用于檢測產品運輸或使用期間承受的沖擊破壞的能力。

電子設備通常采用壓條壓裝的方式進行加速度沖擊試驗，螺母預緊力不足時，各接觸面之間容易產生滑移，輕則可能導致設備表面油漆破損，重則可能導致設備飛出損毀。因此，如何合理計算螺母預緊力，確保電子設備在加速度沖擊試驗時不會發生滑移，是提高設備試驗過程安全性的關鍵。

1 現象

某加固電子設備進行水平方向20 g加速度、持續時間為11 ms的沖擊試驗時[1]，因工裝壓緊所提供接觸面上的摩擦力不足，導致設備發生滑移飛出，撞擊到硬物導致設備機箱發生破損（圖1）。

圖1 水平方向加速度沖擊試驗，設備破壞示意圖

2 受力分析

為方便試驗，電子設備通常采用圖2所示方式進行裝夾。

圖2 電子設備壓條壓緊夾裝示意圖

以螺母、絲桿、上壓板、上墊板、設備、下墊板組成的整體作為分析對象，受力分析示意圖如圖3所示。其中，為沖擊加速度，為總慣性力，為螺母的預緊力，Fm1、Fm2、Fm3、Fm4為工作臺對各個絲桿的水平作用力，為試驗臺對下墊板的摩擦力，為試驗臺對下墊板的支撐力，為設備、壓板等的總重力。

圖3 受力分析示意圖

根據達朗貝爾原理[2]，可得

考慮到摩擦力為被動力的特性，即當試驗臺對絲桿的水平作用力不足以與系統的慣性力抵消時，才會產生摩擦力，故Fm1+Fm2+Fm3+Fm4為正數，即

考慮到絲桿和螺母質量遠小于壓板和設備的重量，可忽略其重力和慣性力，因此

為保證設備安全，沖擊時下墊板和試驗臺之間不允許滑動，則要求

由以上各式可得，螺母預緊力F0滿足式7時，下墊板和試驗臺之間不會滑動。

式中：

m1—設備質量；

m2—單個上壓板的質量；

μ1—下墊板和振動臺之間的最大靜摩擦系數；

a—沖擊加速度；

g—重力加速度。

同理可得，下墊板和設備之間不會滑動、壓板和上墊板之間不會滑動、設備和上墊板之間不會滑動的充分條件分別為式（8）～式（10）。

式中：

μ2—下墊板和設備之間的最大靜摩擦系數；

μ3—上墊板和設備之間的最大靜摩擦系數；

μ4—上墊板和上壓板之間的最大靜摩擦系數。

選用鋼制螺栓，則螺栓的預緊扭矩和預緊力的關系式為[3]

進一步地，每根壓板均用左、右兩側各1顆螺母壓緊，且螺母總數量為n個，此時壓板的數量為，由式（7）～式（11）可得，

即單顆螺母的預緊扭矩同時滿足式（12）～式（15）時，設備不會發生滑移。

3 墊板材料選型

由以上分析可知，為提高加速度沖擊試驗過程的安全性，應選擇與設備油漆面之間具有較大最大靜摩擦系數的墊板，搭建圖4所示測試平臺對毛氈、布料和硅膠分別進行十次推力測試，去除最大值和最小值后，對剩余的八次測試結果取平均值，并根據式16計算最大靜摩擦系數，測試結果如表1所示。

表1 不同墊板材料和設備油漆面最大靜摩擦系數測試結果

圖4 墊板和設備油漆面最大靜摩擦系數測試示意圖

式中：

μ—最大靜摩擦系數；

Fmin—產品剛好能夠水平推動時的臨界推力；

m—產品的質量；

g—重力加速度。

硅膠板和設備油漆面之間的最大靜摩擦系數最大，顯然，應選擇硅膠板作為墊板材料。

4 仿真驗證

由式（12）～式（15）可知，為提高加速度沖擊試驗過程的安全性，除了提高墊板和設備油漆面之間的最大靜摩擦系數外，還應在保證剛度的前提下盡可能減小壓板質量，因此將壓板的截面設計為空心的矩形[4]，以此在保證方便裝夾的情況下，壓板具有足夠剛度，且質量較輕。

設備質量為35 kg，單個鋁條壓板質量為2.4 kg，選用0.5 mm厚度的硅膠墊作為墊板材料。根據測試結果，壓板和上墊板接觸面的摩擦系數為1.65，上墊板、下墊板和設備油漆面接觸面的摩擦系數均為1.22，下墊板和振動沖擊試驗臺接觸面的摩擦系數為0.743。加載加速度為20 g時，由式（7）～式（10）可得，螺栓預緊力達到2 580 N時，設備在沖擊過程中不會產生滑移。

在ANSYS平臺上建立仿真模型[5]，如圖5所示。

圖5 加速度沖擊仿真模型

圖6 提取接觸面摩擦力大小結果

提取各接觸面之間的摩擦力大小，并與螺母預緊力所能產生的最大靜摩擦力理論值進行比較，其中，最大靜摩擦力理論計算值

式中：

μ—對應接觸面的最大靜摩擦系數；

FN—接觸面上的正壓力，由螺母的預緊力和設備、壓板的重力產生。

當所有接觸面上產生的摩擦力小于接觸面所能產生的最大靜摩擦力時，說明該接觸面上未發生滑移。

由表2可知，各接觸面均未發生滑移，驗證了螺母預緊力滿足式（7）～式（10）時，各接觸面均不會發生滑移。同時，下墊板和振動沖擊試驗臺接觸面的摩擦力仿真值與最大靜摩擦力理論計算值最接近，說明該面最容易產生滑移。

表2 仿真結果與理論計算值比較

5 試驗驗證

根據仿真模型搭建圖7所示的試驗平臺，按照20 g加速度、持續時間為11 ms的指標進行沖擊試驗，由式（11）可知，采用M10螺母時，螺母扭矩為5.16 N.m可以產生2 580 N的預緊力，采用數顯扭矩扳手對每個螺母均施加5.16 N.m的扭矩，進行水平方向上正反各3次的沖擊試驗。

經過試驗驗證，壓板左、右每側均用單顆螺母固定后，沖擊后螺母的預緊扭矩明顯下降，下墊板和試驗臺之間也發生了滑移；采用雙螺母優化后，水平方向上正反各三次沖擊試驗后的螺母預緊扭矩未降低，且所有接觸面上均無滑移，驗證了受力分析的計算結果和仿真模型的合理性。同時，說明電子設備沖擊試驗過程中，保證設備不滑移的充分條件除了螺母預緊扭矩應滿足式（12）～式（15）外，還應通過雙螺母等防松措施保證沖擊過程中螺母的預緊扭矩不會下降。

6 結語

本文通過對電子設備沖擊過程進行受力分析，得出了整個沖擊過程中螺母的預緊扭矩同時滿足式（12）～式（15），各接觸面上不會發生滑移。通過摩擦系數測試，確定了將硅膠墊作為墊板材料。對電子設備加速度沖擊過程進行了仿真模擬，驗證了受力分析的正確性。通過沖擊試驗驗證了受力分析和仿真模擬的合理性，并得出沖擊過程設備不發生滑移的充分條件：即除了螺母的初始預緊扭矩應同時滿足式（12）～式（15）外，還應通過雙螺母等防松措施保證沖擊過程中螺母的預緊扭矩不會下降。本文的研究內容可以有效提高電子設備加速度沖擊試驗的安全性。