跌落式冲击试验台工作原理分析.doc
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跌落式冲击试验台工作原理分析
摘要
微电子产品在使用和运输过程中都可能因为不同形式的冲击而造成功能失效,因此微电子产品的抗冲击能力成为电子产品可靠性的一个重要评价指标,也是结构设计的一个重要考虑因素。
但是目前常用的冲击试验机都是针对结构尺寸较大,质量较重的产品,对于微电子产品这种结构小、重量轻的特点,一般的试验机不能有效地检测出其冲击的力学特性。
本论文首先研究了不同试验机的方案,分析其工作原理,并加以借鉴,从中得到了实现测试微电子产品抗冲击的理论的启发,在理论上设计出微电子跌落试验机的基本结构,这对检测微电子产品的抗冲击能力有着重要的意义。
关键词:
微电子产品;跌落式;试验机;抗冲击;工作原理
Abstract
Portableelectronicdevicesarewellknowntobesusceptibletodropimpactwhichcancausevariousdamagemodessuchasinterconnectbreakage,batteryseparationincellularphones,possiblecrackingalonginter—faces.Dropimpactperformanceoftheseproductsisoneofimportantconcernsofproductdesign.Becauseofthesmallsizeofthistypeofelectronicproducts,itisveryexpensive,time—consuminganddifficulttoconductdropteststodirectlydetectthefailuremechanismsandidentifytheirdropbehaviors.Themaincontentofthispaperliststhedifferentprogramsofthetestingmachineandanalyzetheworktheory,andreferenceit,Whichhasbeeninspiredbythetheoryoftestingmicroelectronicproductsimpact,anddesignthebasicstructureofmicroelectronicsproductsDropTestMachineintheory,Itisimportantfortheanti-wrestlingcapacitydetectionofmicroelectronicproducttodotheresearch.
Keyword:
microelectronicproduct;Drop;TestMachine;anti-wrestling;worktheory
目录
1绪论 1
1.1跌落式试验机简介:
1
1.2冲击试验的概念 1
1.3冲击试验的方法概述 2
1.4冲击试验的标准 3
1.5国内外冲击机的发展现状和产品 4
1.5.1冲击机发展现状 4
1.5.2国外冲击机发展现状和主要产品 4
1.5.3国内冲击机发展状况和产品 6
2跌落试验机方案的确定 7
2.1方案一:
多次跌落试验机 7
2.1.1多次跌落机的工作原理 7
2.1.2多次跌落机的意义 10
2.2方案二:
带有缓冲器的跌落式冲击台 10
2.2.1缓冲器的基本原理 10
2.2.2冲击台原理 13
2.2.3影响冲击加速度的因素 18
2.3方案的确定 19
3重复性跌落试验机的工作原理以及结构设计 20
3.1试验机的工作原理 20
3.2试验机的设计 22
3.2.1试验机各部分结构的材料以及功能 22
3.2.2试验机工作的基本过程 27
4总结和展望 27
4.1总结 27
4.2展望 28
参考文献 29
致谢 30
29/34
1绪论
1.1跌落式试验机简介:
跌落试验机概念:
专用于测试产品包装受到坠落之受损情况,或评估运输搬运过程时耐冲击能力。
现在市面上的跌落式试验机一般采用双柱导向、高度跌落次数可置,工作稳定可靠,可实现棱、面、角跌落,满足GB/T4857.5-92、ISO2248-1972E。
一般可采用光电控制,可设定七档跌落高度,也可自由选择跌落高度,跌落释放采用电磁控制,能使试样瞬间自由落下,对包装容器进行之棱、角、平面进行跌落冲击试验。
跌落试验机分类:
单臂跌落试验机,双臂跌落试验机。
图1-1跌落试验机
试验机要求:
提起试验样品至预定高度,然后使其按预定状态自由落下,与冲击台面相撞,并且撞击反弹后被接住,避免二次撞击。
1.2冲击试验的概念
各种工业产品在实际使用和运输过程中经常经受冲击环境。
冲击试验是环境与可靠性试验的一种,其目的就是要确定产品在使用和运输过程中的承受非重复性机械冲击的适应性,其结构的完好性以及该产品耐冲击载荷作用的置信度。
冲击是指系统在瞬态激励下的运动,它的特点是激励的作用时间远远小于系统的运动周期,这意味着是一种突然的、猛烈的运动。
冲击也可以看作是振动环境的一种特例。
冲击一般分为简单冲击和复杂冲击,简单冲击的幅值随时间变化的曲线按照国际标准可以近似为简单的几何图形,如半正弦波、梯形波、锯齿波等;复杂冲击的冲击幅值随时间变化的曲线呈复杂的衰减振荡波形。
容易与冲击试验概念相混淆的是碰撞试验的概念,关于两者的区别是:
碰撞试验是为了确定重复性冲击所引起的累积损伤对产品的影响,是比冲击较弱的多次的重复的能量激励。
而冲击试验是产品受到瞬间激励,其力、位置、加速度、速度发生突然变化的现象,是不同于累积损伤的破坏,而属于相对于产品结构强度来说是极限应力的峰值的破坏。
国家标准《电工电子产品基本环境试验规程》中这样规定的:
“冲击与碰撞均属于冲击范畴。
两者的区别在于冲击是运输或使用过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力。
而碰撞是在运输或使用过程中多次出现的经常重复的冲击力”在工程实际问题中,由于冲击带来的严重破坏性,如强烈的冲击会引起结构瞬时断裂、仪器仪表精度降低、元件损坏、甚至失灵。
随着现代科学技术迅速发展,对电子器件、仪器仪表及机电产品的质量的可靠性和运输包装件在运输过程中耐冲击强度的评定,提出了更高的要求。
1.3冲击试验的方法概述
对冲击环境的模拟方法一般有三种:
第一:
带有容差的冲击脉冲成形法
第二:
冲击谱模拟法
第三:
仿真复现法。
其中第三种方法出现于上世纪70年代,所用到的专用设备比较复杂,试验代价高昂,只有在非常特殊的场合中应用。
广泛应用的是第一、二种方法。
对此两种方法,我国标准GB2423.5-8l、GJBl50-85、GJB360-87以及国际IEC-68-2-29等标准都有规定。
随着环境模拟理论和计算机技术的发展,以及控制系统功能的不断完善,冲击试验技术发生了变化,用数字式控制振动台系统进行冲击谱模拟已经成为冲击环境试验的趋势。
在研究结构的耐冲击能力过程中,布洛特(Blot.M.A)于1963年提出冲击响应谱(shockResponsespectrum)的概念,冲击响应谱实验技术开始得到发展和应用。
冲击响应谱是以系列的不同频率、具有一定阻尼的线性单自由度系统受到冲击力产生的最大响应与系统频率的关系曲线。
国内外普遍采用等效损伤原则模拟复杂振荡冲击环境,即用冲击响应谱作为模拟冲击环境标准,如产品在规定的时间历程内在冲击模拟装置产生的冲击激励作用下产生的冲击响应谱与实际冲击环境的冲击响应谱相当的话,就可以认为该产品经受得了冲击环境的考核。
近年来,关于冲击响应谱试验的技术已经成为冲击试验的研究趋势,广泛应用于冲击环境的模拟试验中。
目前国外针对冲击响应谱试验技术的研究日益成熟和完善,并已经研制出冲击谱试验的电动式实时控制系统,具有非常好的试验效果。
但国内关于冲击响应谱试验的研究集中在理论层次面上的较多,能够实际应用的成果也很少。
就目前的冲击试验水平看,国内外主要采用的还是第一种方法。
冲击脉冲成形法试验多以理想脉冲试验为主,主要是以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境。
利用跌落冲击机和摆式小型冲击机按照GJBl50、MIL-810等各项标准进行的冲击环境试验。
规定的典型冲击波形有:
梯形波、后峰锯齿波、半正弦波等,对于冲击波形法模拟冲击试验时,都会涉及到冲击加速度的峰值、冲击持续时间等方面的要求。
冲击加速的峰值时指加速度的最大值a。
;冲击加速度增长时间是指加速度从零值增长到最大值所经历的时间t;冲击加速度持续时问(脉宽)是指加速度从零值升到最大值,然后有从最大值降到零值所经历的时间。
如图1-2所示,我国GB2423.5-81规定的三种波形的容差要求。
图中A为脉冲加速度峰值,D为脉宽。
图1-2冲击波形容差
(a)半正弦波(b)梯形波(c)后峰锯齿波
当然在实际中冲击波形法不可能模拟实际的复杂冲击环境,由于实际环境产生的冲击是一种复杂的瞬态振动或是变化的持续时间的复杂冲击。
这也是冲击波形法的不足之处,不过在目前来说,此方法还是应用比较广泛。
1.4冲击试验的标准
在冲击试验的过程中,一般参考的冲击环境试验的标准有:
冲击台试验标准:
GB2423-1995;
碰撞台试验标准:
JJG497.2000;
国家军事标准:
GJBl50、GJB360;
美国军事标准:
MILSTD-810:
国际标准:
IEC-68-2.29;
1.5国内外冲击机的发展现状和产品
1.5.1冲击机发展现状
在机械、电子等制造行业产品的生产、运输等过程中,存在各种冲击,因而产品的抗冲击性能成为反映其质量和可靠性的重要指标,随着人们对产品精度、可靠性要求的提高,以及航空航天等行业发展的需要,产品的抗冲击性能将越来越受到重视。
与之相应的冲击试验机也在不断发展,以力脉冲发生器的发展为标志,冲击试验机的发展大致经历了三个阶段:
第一阶段是早期以橡胶、毡垫、弹簧等作为波形发生器的机械式冲击机。
这类冲击试验机的自动化程度往往较低,只能产生单一波形类型。
第二阶段则是以自动控制理论的发展,自动化设备的兴起,新材料的发展为基础,以使用特制材料与液压或气动控制结合为特征的波形发生器作为缓冲器,不同的脉冲发生器对应不同波形,这种波形发生器精确度比较高,性能也比较稳定。
第三阶段是上个世纪八十年代末以来,随着计算机应用与集成电子技术的快速发展,以能在一台缓冲器上产生多种波形的智能化波形发生器为特征,并辅以高度自动化的控制以及数据分析设备的新型冲击试验机。
这种冲击试验机现在正逐步替代第二代冲击台,并广泛流行。
1.5.2国外冲击机发展现状和主要产品
这些产品主要有,美国L.A.B公司生产的跌落式冲击试验台、美国MTS公司生产的886系列冲击试验机、美国AVCO公司生产的SM系列冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的ASQ系列冲击试验机、Lansmont公司机械式跌落式冲击台、美国TEAM公司的振动冲击台等都属于第三代产品。
以美国L-A.B公司生产的跌落式冲击试验机一Autoshock-II系列为例。
Autoshock-II“系列冲击试验机是全自动型冲击试验机,可以模拟实际的冲击脉冲和冲击能量。
可帮助材料制造商进行系统测试并对产品进行更加合理的设计。
该试验机采用计算机控制,可实现数据的分析。
其控制界面图如图1-3所示,其技术参数见表1-1
表1-1技术参数表
图1-3Autoshock-II系统冲击试验机控制界面
1.5.3国内冲击机发展状况和产品
我国于1987年实施GJB150_86《军用设备环境试验方法》,1988年实施GJB360—87《电子及电气元件试验方法》的项国军标。
上述标准中的冲击试验规范规定了冲击运动及容差要求。
从国内近几年引进美国MTS公司和美国AVCO公司的同类设备的情况看,引进的设备能够产生满足以上标准要求的三种波形(半正弦波、后峰锯齿波和梯形波)。
沈阳新乐精密机器公司研究员级高工于治会研究了一种跌落冲击机的设计原理(是一种长持续时间的小型跌落冲击台,并对其结构特点,工作原理、冲击参数做了研究和改进措施)。
随后又研究了装有等压缓冲器跌落冲击台,解决了冲击加速度增长时间(或持续时间)与冲击加速度幅值之间的矛盾关系(幅值大时持续的时间小,幅值小时持续的时间长)。
但冲击加速度波形不规范,在低幅值加速度时,加速度波形接近半正弦波,在高幅值时,其波形变尖。
他还研究了凸轮式跌落冲击机的原理与调整,凸轮式跌落冲击机是一种连续多次的机械冲击装置,广泛用干材料、元器件、产品及其零部件的强度和寿命试验。
西北工业大学航天工程学院吴斌设计了气压驱动冲击实验台,连续冲击速度快,结构简单控制灵活。
为冲击试验的速度和操作的方便性和提高效率都起到了重要的作用。
西北机械厂仇雪琴同志正在研究一种新颖的冲击试验设备(100KG冲击试验机),该产品的研制将会填补国内高水平、高性能冲击试验系统的空白。
上海交通大学的冯雷、赵刚、朱旭东等就冲击试验测控系统做了改进,他们设计了基于Pc的冲击试验全自动测控系统,完全代替了手动控制台的冲击试验自动测控系统可在软件界面上再现控制台的控制面板,并实现的数字化显示。
为冲击试验的控制和测量都带来极大的方便,改善了操作环境和工作强度。
目前,苏州市苏南振动仪器有限公司,HAS系列高加速度冲击试验台,主要用于航天、航空、船舰、兵器、电子、汽车等工业领域的科研、生产考核产品的抗冲击能力,适用于试验冲击加速度较大的器件、部件和整机的冲击试验该系列产品采用自动提升,自由冲击.高度预置。
冲击能量高,操作简便、安全、可靠。
冲击加速度、脉冲持续时间、脉冲速度变化量,通过测量仪控测后,显示在显示屏上。
如图1-4所示。
图1-4HAS系列高加速冲击试验台
2跌落试验机方案的确定
2.1方案一:
多次跌落试验机
2.1.1多次跌落机的工作原理
该装置的结构多种多样,但其基本原理相同,均由机械冲击台、驱动电机、控制系统组成(见图2-1)。
用电机驱动具有特定曲面的凸轮旋转,凸轮推动带有试件的工作台面上升,当凸轮转过最高位置时,工作台面便自由地跌落在机座砧面上的缓冲垫上,从而产生方向朝上的加速度。
假定基座相对工作台面的质量为无穷大,则工作台面与缓冲垫碰撞时的运动微分方程为:
(2-1)
或者
(2-2)
式中C-阻尼系数
-相对阻尼系数,
k-缓冲垫的弹性刚度
-系统的固有圆频率,
-加速度的持续时间
M-工作台面的质量
图2-1凸轮式跌落冲击台结构示意图
因为空气阻尼很小,可以忽略,故式
(2-2)简化为:
(2-2')
解此方程并考虑到初始条件:
当t=0时,x=0,(H1为工作台面首次跌落高度),(见图2-2),可求得首峰加速度的幅值为:
(2-3')
而加速度持续时间为:
(2-4)
当首峰加速度大于10g时,式(3)、式(4)近似为:
(2-3')
(2-4')
图2-2冲击台原理图
首峰加速度结束后,工作台面仍有较大的反弹速度,还能连续进行多次持续时间相同而加速度幅值递减的次冲击过程。
由常系数微分方程的线性原理,同样可求得次冲击的加速度幅值为:
(2-5)
式中e——缓冲垫的恢复系数
各次冲击的加速度持续时间为:
(2-6)
式(2-6)的首项比第二项小得多,实际证实变化很小,所以各次冲击的加速度
持续时间基本相同,可由式(2-4')表示,即
从某冲击起始时刻到相邻下个次冲击的起始时刻的时间称为脉冲时间间隔,其值为:
(2-7)
从首次冲击开始时刻到末个次冲击结束时刻的时间称为单次循环冲击时间,其值为:
(2-8)
2.1.2多次跌落机的意义
凸轮式跌落冲击台是一种连续多次的机械冲击装置,广泛地用于各种材料、结构、元器件、传感器、仪器仪表、机电设备、家用电器及其零部件的强度和寿命试验,有时还进行产品工作参数模拟测试。
2.2方案二:
带有缓冲器的跌落式冲击台
2.2.1缓冲器的基本原理
下落式冲击台的关键部件是等压缓冲器,其结构如图2-3所示。
由活塞、活塞筒及多锥度锥形件组成。
活塞筒内充有一定体积的酒精、甘油混合液,此种阻尼液具有粘度容易调节和在低温下不冻绒的优点。
剩余空腔充有一定予压的气体。
活塞与活塞筒之间由胶圈密封。
在活塞下端有个圆流液孔。
图2-3等压式缓冲器示意图
1.活塞2.阻尼液3多锥度锥形件
4.活塞筒5.毡垫6.村套
7.密封胶圈
当活塞相对活塞筒运动时,活塞承受三种力的作用:
空气压力、液体阻力以及活塞与活塞筒之间的摩擦力。
分述如下:
1.空气压力:
当缓冲器空腔V。
中,予压为p。
的气体迅速压缩或扩张时,属于绝压过程,力按指数规律变化,如图2-4(a)所示,即:
(2-9)
式中;一活塞面积;S一活塞压缩(或伸展)行程;γ一空气定压和定容克分热容量比值,。
这个力的大小与活塞面积、充气予压及空腔体积有关,但与活塞伸缩的速度关系不大;该力的方向在整个行程中恒指向活塞。
该力(对于冲击台)有两个作用,一是起空气弹簧作用,对负荷产生阻力,二是将活塞恢复到起始位置。
在压缩行程中,空气吸收的能量由图2-4(a)曲线工下的面积确定,在伸展行程中,由于空气的弹性恢复力使活塞伸展,又将这个能量释放出来,因此在整个行程中空气不吸收能量。
2.液体阻力:
当活塞受外力移动时,多锥度锥形件穿过流液孔,因此流液截面积随活塞行程而改变,故这种缓冲器有时称为变截面缓冲器。
即当行程开始时,活塞运动速度大,流液面积也较大;当行程较大时,活塞速度减小,流液截面积也随之减小。
根据流量原理,流过的截面积液体的速度也改变,其流速为:
(2-10)
式中C一流量系数(一般取0.7)
一活塞速度
一流液孔截面积
由于锥形件为多锥度的园锥金属件,所以流液孔截面积为流液孔的面积减去锥形件穿过流液那时刻流液孔相对应的锥形件截面积,即
(2-11)
式中D一流液孔直径
d一锥形件的最小直径
k(s)一锥形件的锥度,随行程改变。
因此阻尼液产生变化的阻力,该阻力由下式确定:
(2-12)
式中一阻尼液比重,g一重力加速度值。
流液孔面积由下式确定:
(2-13)
其中M一负荷质量
一活塞运动加速度幅值。
当用于垂直下落时,考虑负荷下落时的能量,则
(2-14)
由(2-14)式可知液体阻力的大小主要与活塞面积、速度、液体粘度及流液孔面积大小、形状和锥形件的形状、尺寸有关。
对于同一缓冲器,流液孔越小阻力越大,当流液孔最小截面积大于8%时,液体阻力为零。
在活塞行程的始、终,因为,所以阻力也为零,见图2-4(b)。
液体阻力的方向,在压缩行程指向活塞,在伸展行程背向活塞,即阻力的方向是与活塞运动的方向相反。
阻尼液在整个行程吸收的能量,由图2-4(b)中曲线II、III所包围的面积确定,所吸收的能量变为阻尼液的热能而散失。
3.摩擦力:
在活塞伸缩时,整个活塞杆及其密封胶圈与活塞筒之间存在摩擦力和见图2-4(c),曲线IV为压缩行程的摩擦力。
曲线V为伸展行程的摩擦力。
实际上摩擦力约为予压力的10%-20%,即
(2-15)
的大小在整个行程中并不恒等,随气压的大小而增减。
因为气压小时密封胶圈与活塞筒的接触松,气压大时接触较紧。
的方向在压缩行程指向活塞,在伸展行程背向活塞,即的方向总是与活塞运动的方向相反。
f在压缩行程吸收的能量由图2-4(c)中面积C确定,在伸展行程由面积D确定,总的吸收能量为两面积之和,由f吸收的能量也是变为热能而散失。
总之,在整个行程中缓冲器对负荷的阻力为空气压力,液体阻力和摩擦力的总和,即
(2-16)
在压缩行程中;在伸展行程中。
在设计缓冲器时,应保证在整个行程中缓冲器总阻力基本不变,所以此种变截面缓冲器称为等压式缓冲器。
图2-4缓冲器阻力图
(a)气体压力曲线:
I为标准压力曲线;为的压力曲线;
(b)液体阻力曲线:
II为压缩行程阻力曲线.III为伸展行程的阻力曲线;A为压缩行程吸收能量;B为伸展行程吸收能
(c)摩擦力曲线:
IV为压缩行程摩擦力曲线;V为伸展行程摩擦力曲线;C为压缩行程吸收能量;D为伸展行程吸收能量。
(d)总阻力曲线:
VI为压缩行程总阻力曲线;VII为伸展行程总阻力曲线;面积KLHGK为缓冲器吸收的总能量。
2.2.2冲击台原理
整机结构如图2-5所示,由塔架、冲击台面、等压缓冲器、升降机构、遥控装置和自动释放机构等部分组成。
当带试件的冲击台面(负荷)升到一定高度H,突然释放后沿轨道垂直下落并与底部缓冲器的活塞相碰,由于胶垫和缓冲器的制动,负荷速度急剧减小,在压缩行程产生方向朝上的冲击加速度。
图2-5下落式冲击台原理图
1.刻度尺2.缓冲器3.冲击台面
4.自动释放机构5.活塞配重6.减震胶垫
7.塔架8.升降机构9遥控装置
实际上负荷下落的整个过程分为下落与冲击两个过程:
1.下落过程:
负荷沿轨道垂直下落时,实际上受到空气和轨道的摩擦阻力,因为速度不大,阻力与速度成比例。
适当调正冲击台面与导轨的接触方式,减小摩擦,阻力可以忽略不计。
2.冲击过程:
在此过程按时间先后大体分为碰撞和缓冲两个阶
段,但这两个阶段
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