气动式振动台激振器低温失效机理研究及结构改进.pdf

第 4 8 卷第 2 期 2 01 2年1月 机械工程学报 J OUR NAL 0F M E CHANI CAL E NGI NE E RI NG VO 1 ． 48 NO． 2 J a n． 2O1 2 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J I ⅥE． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 5 0 气动式振动台激振器低温失效机理研究及 结构改进木 陶俊勇 刘 彬 陈 循 国防科学技术大学可靠性实验室长沙4 1 0 0 7 3 摘要 气动式激振器是给可靠性强化试验设备气动式振动台提供激励信号的核心部件。 针对气动式激振器在低温试验环境中 无法工作的问题，研究其低温失效机理，建立理论分析模型；根据模型从激振器缸体材料、尺寸和内外壁温差三方面对气动 式激振器结构进行优化设计，加工完成以加热膜为核心组件的气动式低温激振器样品，并给出温控方法；考察低温激振器样 品的加热均匀性、加热效率和耐振性，并分别测试低温和常温环境中样品端部的激励响应。结果表明，该低温激振器样品的 低温工作性能比原激振器有很大提升，能在低温环境中长时间稳定工作，且在低温和常温环境中端部的激励响应特性比较接 近，验证新型低温激振器设计方案的可行性，对于拓展气动式振动台的应用范围有着积极作用。 关键词气动式振动台 低温失效机理 结构改进气动式低温激振器低温测试 中图分类号T H6 9 2 S t u d y o n Pe r f o r m a n c e a n d Op t i m a l De s i g n o f Pn e u m a t i c Vi b r a t o r o f Re pe t i t i v e S ho c k M a c h i n e o n Co l d S o a k T e mpe r a t ur e T AO J t my o n g LI U Bi n CHEN Xu n R e l i a b i l i t y L a b o r a t o r y , Ni o n a l Un i v e r s i ty o f D e f e n s e T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 Ab s t r a c t P n e u ma t i c v i b r a t o r , wh i c h p r o d u c e s e x c i t a t i o n s i g n a l s ， i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t p a r t o f r e p e t i t i v e s h o c k ma c h i n e ． I n l o w t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n ， p n e u ma t i c v i b r a t o r c a n n o t wo r k a s u s u a 1 ． I n o r d e r t o s o l v e t h i s p r o b l e m， fi r s t l y t h e f a i l u r e me c h a n i s m i s s t u d i e d b y t h e o r y mo d e 1 ． T h e n t h e s t r u c t u r e o f the p n e u ma t i c v i b r a t o r i s a me l i o r a t e d b y t h e wa y s o f c h o o s i n g a p p r o p r i a t e s t u ff a n d d i me n s i o n s o f the c y l i n d e r ,and mi n i s h i n g the g a p i n t e mp e r a tur e b e t we e n t h e i n s i d e an d o u t s i d e o f t h e c y l i n d e r ． Th e me t h o d o f c o n t r o l l i n g t e mp e r a t u r e i s b r o u g h t f o r wa r d a c c o r d i n g t o the mo d e 1 ． F i n a l l y a p n e u ma t i c v i b r a t o r o f c o l d t e mp e r a t u r e i s ma d e ， wh o s e d ura b i l i t y o f r e p e t i t i v e s h o c k a n d u n i f o r mi t y a n d e ffi c i e n c y o f c a l e f a c t i o n i s t e s t e d i n l o w t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s ，and wh o s e r e s p o n s e c h ara c t e r i s t i c o f e x c i t a t i o n o n the r o o f i s t e s t e d i n l o w and r o o m t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n ， r e s p e c t i v e l y ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e wo r k i n g c a p a b i l i ty in l o w t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n o f t h e n e wl y d e s i g n e d v i b r a t o r i s mu c h b e t t e r tha n t h a t o f t h e p r i ma r y o n e ， a n d tha t i t C an wo r k n o rm a l l y a n d c o n t i n u o u s l y i n l o w t e mp e r a tur e c o n d i t i o n ， a n d t h a t the r e s p o n s e c h a r a c t e ris t i c s o f e x c i t a t i o n i n l o w an d r o o m t e mp e r a t u r e c o n dit i o n a r e a c c o r d a n t ， wh i c h v a l i d a t e s t h e a v a i l a b i l i ty o f t h e n e w p n e u ma t i c v i b r a t o r i n p r a c t i c e ． Ke y wo r d s Re p e t i t i v e s h o c k ma c h i n e F a i l ure me c h a n i s m i n l o w t e mp e r a tur e c o n d i t i o n S t r u c tur e i mp r o v e me n t P n e um a t i c v i b r a t o r o f c o l d t e mp e r a t u r e T e s t s i n l o w t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n 0 前言 气动式振动台是 2 O 世纪 9 0年代研发的一类新 型可靠性强化试验设备，它能够对产品施加振动温 湿度 “ 三综合”试验应力。该类设备通过气动式激 国家 自然科学基金资助项I 5 0 9 0 5 1 8 1 2 0 1 1 0 3 1 9收到初稿， 2 0 1 1 0 8 2 6 收到修改稿 振器对振动台面的反复冲击，实现了一种幅值概率 密度分布为超高斯、宽频带和全轴振动的伪随机振 动环境应力【 j J ， 因而对试件的疲劳缺陷表现 出较高 的激发效力 。随着近年来气动式振动台应用范围的 不断拓展 ，工程中发现，无论是国外引进的还是 自 主研发的可靠性强化试验设备 ，其气动式激振器在 低温环境中均无法 正常工作，导致许 多低温振动试 验无法进行 ，如多普勒计程仪的综合应力测试无法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 月 陶俊勇等气动式振动台激振器低温失效机理研究及结构改进 5 1 顺利进行 ，严重限制 了该类设备的应用 。 国外 已针对早期气动式振动 台低频能量较低的 缺陷，在激振器方面开展了一些富有成效的研究【 5 】 ， 如美国H a n s e 公司的等轴式、阶梯式和浮动式活塞 激振器 ， Q u a l - ma r k公司的AS X激振器， 以及 S c r e e n i n g S y s t e ms 公司的 x T r e me 系列激振器。 国内的王考等【 鲫】 从激振器的原始激励信号产生机理入手，对激振器做 了动力优化设计。但 目前还很少见关于改善气动式 激振器低温工作效能的文献或报道。为进一步推广 可靠性强化试验技术，拓展气动式振动试验台的应 用，迫切需要对现有激振器的结构进行改进，研发 设计一种新型的气动式低温激振器。 本文以具有代表性的自研气动式激振器 图 1 为研究对象，首先结合热弹力学理论建立气动式激 振器的低温失效分析模型，其次根据模型找出主要 的失效影响因素，并据此对原激振器进行改进，制 作低温激振器样品，最后对样品进行低温工作性能 等方面的测试，验证设计的可行性 ，旨在拓展气动 式激振器的应用范围。 图 1 自研气动式激振器截面图 1 气动式激振器低温失效机理建模 气动式激振器的低温 失效表现为，低温环境下 活塞与缸体的摩擦增大 ，导致振动效率降低 ，当低 温达到一定阈值 经大量试验测定为一 5℃ 时，活塞 被缸体卡死 。 可能导致激振器失效的原因 ① 低温 环境 的影响； ② 激振器设计上的不足 。 建模 的目的 是找出影响缸体与活塞配合 间隙的因素。 1 ． 1 模型假设 以环境温度为主要影响因素，做如下假设 。 1 缸体 由内径不同的空心圆柱体构成 ，简化 的缸体物理模型如图 2所示的空心圆柱体 ；活塞为 实心 圆柱体 。 2 不考虑空心 圆柱体之 间的相互作用力和气 压对缸体和活塞的作用力。 3 空心 圆柱体的应变是 由对称于中心轴分布 的温度场引起的。 4 空心 圆柱体 内的温 度变化 函数 ， 与轴 向 坐标 Z无关 ，仅是径向坐标 ， ． 的函数。 图2 缸体物理模型 1 ． 2 低温失效模型 激振器从开始工作到失效的过程中，缸体和活 塞的形变可简化为两个部分 文中讨论的形变均是 径 向形变 。 1 热线性膨胀。考虑该形变时，认为缸体温 度变化与活塞一致， 即先由常温 降至工作环境温 度 1 ，再升至激振器失效时的温度 。 2 温度梯度引起的热应变。 将活塞视为热源， 没有温度梯度 ；缸体外表面在环境温度 的影响下， 与内表面形成温度梯度， 因此只有缸体产生热应变。 下面分别讨论这两种形变 。 1 热线性膨胀。图 3所示为空心圆柱体内表 面微元，半径为 壁厚为 d ， ， 表示空心 圆柱体 外半径 。施加在微元上的作用力有两部分，一是环 向切力，二是径 向力。由该微元受力平衡可知，环 向切力恒为零 。对于无外力作用，温度分布为 的各向同性匀质空心圆柱体 ，径 向坐标为 ，处的径 向热应力 J rO rdr 东 l 1 式中，a l 是线膨胀系数， 是泊松比，E是弹性模 量 ， 一 表示径 向坐标 处微元的温度 由 变化到 。将 n代入式 1 中，得 内表面径向应力 仃 0 。经上述分析可知，此空心圆柱微元不受力， 可视为独立的薄壁圆筒，热膨胀变化量 l a l AO 式 中， 0 0 2 一 O o 。活塞外径约等于缸体 内径 ， 同理分析可得活塞的半径变化量 2 与上 A R h l a l A O 3 综上 ，热线性膨胀引起的缸体和活塞的配合间 隙变化量 l △ 1 - A R h l 0 ， 可见它对激振器低温工 作性能的影响很小。 2 热应变 。空间轴对称物体 的微元体受力如 图 4所示，其中，0 、， ． 、z分别是微元的切 向、径 向、 轴向坐标， F r 是径向作用力， 凡 是轴向作用力， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 机械工程学报 第 4 8 卷第 2期 和 是切应力 ， 径 向应力。 、 、 分别是切向、轴 向、 函数 厂 一 一 图3 空心圆柱微元 由模型假设和激振器的装配特点可知 0 。 温度变化 ， 仅是 ， ． 的函数， 与z 无关 ， 因此 0 。 可进一步将式 4 写为 o - , - 0 5 0 按照线性热应力理论，应变一部分 由应力引起 ， 另一部分由温度变化 ∞调I起， 对于各向同性体而言， 其值为 ， ， 0 ，则总应变为 [ 一 ] 亨 [ 一 ] 6 [ 一 ] 变换整理式 6 ，将应力表示为应变和温差的 E E 仃 一 1 2 ／ a 1 E ∥ [ 1 - ／ 2 卜 [ 0 - z 鹏 卜 训一 7 设径向位移是 “ ， 轴向位移是 ∞ ， 径向坐标是， ． ， 轴向坐标是z 。将应变分量与位移的关系 O u U a a 缈 O u Er 一 O r 6 o r Ez 一O z 0 or _0z [ 1 - 一Ou1 2a O r 1 2a 等 r l 一 一 I r az 川 。 c r o2 G[ 警 ，． G [ 一O co1 2 a Oz 1 2 a Or 兰r 1 _ 肌 l 一 一 I J l o o o, O u ] 8 式中，切变模量G E ／ 2 1 ，热应力系数 a ／ 1 2 。 联立式 5 和式 8 ， 解得空心圆柱体径向上 ， | 处 的径向位移 “ r 1 1 ． 1 r ∽ 去 _1i- 3 u-，z]脚 ] 9 对于空心圆筒，其温度场满足径向一维稳定导 热微分方程[ 8 ] 了 d 2 0 r ．4 - 0 0o d ， ， 缸体内表面的温度变化 ∞．f ≠0 ， 外表面温度变 化 ∞ 0 ，式0o 的解为 l n 皇 ， r 1 1 l n ， ； 将 ， ． r i 和式 1 1 代入式 9 ，得缸体 内表面的径 向位移计算式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 1 月 陶俊勇等气动式振动台激振器低温失效机理研究及结构改进 5 5 所示 。在温度线性降至一 5 5℃的环境 中，同样接入 2 4 V电压，温度变化如图 1 2所示，可见加热均匀 性也较好，也可获得较高的加热效率。 1 1 p 1 赠 p 赵 赠 时间 t ／ mi n 图 1 1 常温环境、2 4 v电压加热效率曲线 时间 t ／ min 图 l 2 低温环境、2 4 v电压加热效率 曲线 3 ． 2 振动特性测试 在温度为- 5 5℃的试验环境 中， 经 4 8 h振动试 验后，低温激振器整体未 出现任何故障 ，说 明其耐 振性 良好 。通以 0 ． 2 8 MP a 持续稳定的气压，在相同 环境 中实测激振器 端面碰撞加速度信 号，如 图 1 3 所示 。常温环境中实测的端面加速度信号，如 图 1 4 所示 。两者的激励响应特性非常接近，且均值仅相 差 5 ． 6 7 ％，可见样品能很好地适应低温环境。 曩 时间 t ／ ms 图 1 3 低温激振器- 5 5℃环境加速度信号 6 在相 同气压作用下，测得原激振器端面的常温 加速度信号，如图 1 5 所示，与图 1 4比较可知，低 温激振器的响应幅度小于原激振器，但相差不大， 说明低温激振器不仅能适应低温环境，也能用于常 温环境 ，在应用范 围上有较大拓展 。后续工作 中， 通过试验获得不同温度对应的电压及通断电时间， 以完善气动式低温激振器的应用。 越 舞 嘲 景 时间 t ／ ms 图 1 4 低温激振器常温环境加速度信号 4 结论 时间 t ／ ms 图 1 5 原激振器常温加速度信号 1 理论模型揭示 了活塞与缸体配合 间隙变化 量的影响因素，即缸体 的材料 尺寸及 内外壁的温 差 。改进措施选用线膨胀系数较小的材料 ；减 小 内径，增大外径可减小间隙变化量对环境温度的敏 感程度 ；加热装置可控制 内、外表面的温差。 2 气动式低温激振器样 品在加热测试和低温 振动测试中表现出较高的加热效率、较好的耐振性 及较高的激励效能，可满足工程需要 。 3 本文所述研究成果能有效减小激振器的低 温工作磨损，增长其低温工作寿命 ，对于进一步拓 展可靠性强化试验设备的应用领域 ，推广可靠性强 化试验 技术具有一定 的实用价 值 ，工程应用前 景 良好。 参考文献 [ 1 ]1 蒋培．全轴随机振动环境的疲劳强化机理研究【 D】 ．长 沙国防科学技术大学。 2 0 0 4 ． J I ANG P e i ．F a t i g u e e n h a n c e me n t me c h a n i s m o f t h e o mu i a x e s r a n d o m v i b r a t i o n e n v i r o n me n t [ D ] ． C h ang s h a Na t i o n a l Un i v e r s i t y o f De f e n s e T e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ． [ 2 】F E L K I NS C ． HA L T HAS S mt o n a l o n e q u i p me n t ， fi x t u r e ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 机械工程学报 第 4 8卷第 2期 p r o c e s s e s i mp l e me n t a t i o n [ C ] ／ ／T h e 4 3 r d A n n u a l Te c h n i c a l Me e ti n g I n s ti t u t e o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， US A， 1 9 9 7 2 0 2 4 ． [ 3 】KL Y A T I S L M．S t e p - b y s t ep a c c e l e r a t e d t e a i n g [ C ] H P r o c e e d i n g s An n u a l Re l i a b i l i t y a n d Ma i n t a i n a b i l i ty S y mp o s i u m， US A， 1 9 9 95 7 6 1 ． [ 4 】MI N OR E 0． R e l i a b i l i t y e n h anc e me n t t e s ti n g o f B o e i n g 7 7 7 a v i o n i c s [ C ] ／ ／ I n s t i t u t e o f E n v i r o n ment a l S c i e n c e s P r o c e e d i n g s ． An n u a l T e c h n i c a l M e e t ing Pro d u c t R e l i a b i l i ty，US A， 1 9 9 6 2 0 2 8 ． [ 5 】王考． 气动式振动台振动激励能谱优化研究[ D 】 ． 长沙 国防科学技术大学，2 0 0 9 ． WANG Ka o ． Re s e a r c h o n e n e r g y s p e c t r u m o p t i mi z a t i o n o f v i b r a t i o n e x c i t i o n s p r o d u c e d b y RS ma c h i n e [ D ] ． C h a n g s h a Nmi o n a l Un i v e r s i ty o f De f e n s e T e c hn o l o g y , 2 009 ． [ 6 】王考， 陶俊勇，陈循． 气动式振动台激励信号及其超高 斯特性研究[ J ] ．振动与冲击， 2 0 0 8 ， 2 7 5 1 5 2 ． 1 5 6 ， 1 8 1 ． WANG Ka o ， T AO J u n y o n g ， CHE N Xu n ． E x c ff ing s i g n a l s an d t h e i r s u p e r - Ga u s s i a n c h ara c t e r i s t i c o f r e p e t i t i v e s h o c k ma c h i n e s [ J ] ． J o u r n a l o f V i b r a t i o n and S h o c k ， 2 0 0 8 ， 2 7 5 1 5 2 1 5 6 ， 1 8 1 ． [ 7 】王考，陶俊勇，陈循． 气动式振动台振动信号低频能量 改善研究[ J ] ．振动与冲击， 2 0 0 9 ， 2 8 2 1 3 7 ． 1 4 0 ， 1 4 4 ． W ANG Ka o ，T AO J u n y o n g ，CHE N Xu n ．S t u d y o n t h e i mp r o v e me n t o f l o w f r e q u e n c y e n e r gy o f v i b r a ti o n s i g n a l s o f r epe t i t i v e s h o c k ma c h i n e s [ J ] ． J o u r n a l o f V i b r a ti o n a n d S h o c k ， 2 0 0 9 ， 2 8 2 1 3 7 1 4 0 ， 1 4 4 ． [ 8 】李维特，黄保海，毕仲波 热应力理论分析与应用[ M】 ． 北京中国电力出版社， 2 0 0 4 ． L I We i t e ，HUANG Ba o h al，BI Z h o n g b o ．T h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d a p p l i a n c e o f t h e r ma l s t r e s s [ M] ．B e i j i n g Na t i o n a l El e c t r o d y n a mi c P r e s s ， 2 0 0 4 ． [ 9 ]9 陆福乾．气动式振动台气锤控制方法与系统研究【 D】 ． 长沙国防科学技术大学，2 0 0 9 ． L U F u q i a n ,Re s e arc h o n c o n tr o l s t r a t e gy o f v i b r a t i o n s y s t e m o f R S ma c h i n e [ D] ． C h a n g s h a N a t i o n a l Un i v e r s i t y o f De f e n s e T e c h n o l o gy , 2 0 0 9 ． [ 1 O 】刘长青．全轴随机振动台振动控制系统分析与研究[ D 】 ． 长沙国防科学技术大学，2 0 0 5 ． L I U Ch a n g q i n g ．Re s e arc h a n d a n a l y z e o n v i b r a t i o n c o n tr o l s y s t e m o f o m n i a x i s r a n d o m R S ma c h i n e [ D] ． C h ang s h a Ni o n a l U n i v e r s i ty o f De f e n s e T e c h n o l o g y , 2 0 05． 作者简介陶俊勇，男，1 9 6 9年出生，博士，副教授 主要研究方向为 可靠性强化试验与设备、系统可靠性分析与评估、微机电系统可靠性。 E ma i l t a o j u n y o n g n u d t ． e d u ． c n 刘彬 通信作者 ，男，1 9 8 8年出生。 主要研究方向为微机电系统可靠性 E - ma i l 1 3 2 0 2 2 7 4 6 1 q q ．c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m