王怀文，崔战团

（西安捷盛电子技术有限责任公司， 西安 710119 ）

浅析两种高加速度冲击装置

王怀文，崔战团

（西安捷盛电子技术有限责任公司， 西安 710119 ）

高加速度和窄小脉宽一直是冲击试验设备制造者研究的主题。本文通过对生产实践中解决这一难题的两种装置使用方法和实践效果的对比分析，向广大的设备生产者和使用者介绍了两种装置的优缺点，供大家参考。

冲击台；机械滤波；响应；波形发生器；附加台面

引言

GJB 548B-2005标准中规定了微电子器件进行机械冲击的试验条件：半正弦脉冲加速度（m/s2）：4 900～294 000，脉冲宽度（ms）：1～0.1。对于常规冲击试验设备，只能完成脉冲加速度较小、持续时间较长的试验条件中，对一些较大脉冲加速度和较小脉冲持续时间的冲击试验，只要冲击试验设备的冲击能量足够，可以通过在常规冲击试验设备上安装一些辅助装置，借用该辅助装置来完成微电子器件需要的冲击试验，如完成GJB 548B-2005标准中规定冲击试验条件。这些辅助装置根据工作原理，可大致划分为冲击放大装置和二次冲击装置两种结构形式。通过这些装置的使用，可以在常规冲击试验设备上比较容易的产生符合规范要求的高加速度窄短冲击脉冲波形。这些辅助装置结构简单，安装使用方便，能有效扩展冲击试验设备的适用范围，极大地降低微电子器件的试验费用。当然，这两种装置在结构原理上、对冲击设备的适用性上以及经济性上都有差异，生产者和使用者都需要有一个清晰的认识，才能在装置的设计中和使用中做到心中有数，工作中少走弯路。笔者有幸参与了这两种装置的研究和试验当中，对这两种装置有较为深刻的理解，今天分享出来供大家参考。

1 装置结构与工作原理

1.1 冲击放大装置

冲击放大装置由1件铝合金或镁合金材料制作的附加台面、4件定位螺钉、8个限位橡胶垫、若干件厚度不同的缓冲垫组成。

冲击放大装置在安装时，将附加台面（图1）放置在冲击台的台面上，在两个台面之间根据脉冲的持续时间要求加垫合适的缓冲垫（图4），然后定位螺钉（图2）的螺杆上套入橡胶垫（图3），通过螺钉孔将附加台面固定在冲击台的台面上，定位螺钉在拧紧后，应使橡胶垫对附加台面有轻微的预压力，可以通过调整橡胶垫的数量和厚度来保证。具体可参阅“冲击放大装置安装结构示意图”（图5）。

图1 附加台面

图2 定位螺钉

图3 橡胶垫

图4 缓冲垫

图5 冲击放大装置安装结构示意图

需要对试件进行较大加速度和窄短脉冲冲击试验时，将试件和加速度传感器固定在附加台面上表面，对冲击台更换比较薄和硬度较硬的波形发生器，然后按正常程序操作冲击试验设备即可，当冲击台工作台面与波形发生器撞击后，冲击台工作台面会产生一个冲击脉冲，该冲击脉冲又瞬间激励到附加台面和缓冲垫组成的弹簧质量系统，根据频率耦合原则，附加台面会产生一个高加速度窄短持续时间的半正弦冲击脉冲，附加台面上产生的冲击脉冲加速度幅值会远远大于冲击台面的冲击脉冲加速度幅值，一般很轻松的能达到2～3倍，这也是该装置被叫加速度放大装置的原因。附加台面和原始台面之间加垫的缓冲材料一方面是为调节系统的固有频率，使附加台面得到希望的脉冲宽度，另一方面阻止冲击台工作台面上产生的冲击脉冲中的高次谐波传递到附加台面产生的冲击脉冲上，使反映到附加台面上的波形满足标准要求，这也就是所谓的机械滤波。

当冲击台工作台面产生的冲击脉冲加速度幅值越大，附加台面上产生的冲击脉冲幅值会更大。由于冲击台工作台面质量较大，当产生较大的冲击加速度时，台面受到的冲击力就很大，过大的冲击力往往会造成冲击台工作台面和各连接件机械强度冲击力超限，对台面和连接件造成不可逆转的损伤，致使该类型冲击试验设备可靠性严重下降，因此，该调制高加速度窄短冲击脉冲的方法虽然有效但不实用，在实际工作中的使用并不广泛。

为了解决这一问题，研究人员经过不停的探索，终于研制了另外一款调制窄短冲击脉冲的装置。

1.2 二次冲击装置

二次冲击装置由一块质量较大、抗冲耐压、表面平整光滑的安装底座1，两根直线度、圆度、表面光洁度等精度很高的导向轴2，一块材质组织致密、自然频响很高的轻质量合金台面3，4根根据台面和负载质量设计的高弹性拉伸弹簧4，2件压盖5，2件高弹性聚氨酯阻尼垫6，2件非金属轴承的轴承盖7，8件拉簧挂环8，几块不同厚度的高致密高柔韧性窄短脉冲发生器9，4件安装螺钉10组成。

二次冲击装置在组装时，应先将两根导向轴2分别紧紧插入安装底座1的对应孔台处，然后用相应螺钉加防松垫圈固定牢靠，必要时通过紧顶螺钉沿导轴长度方向分段固定，二次冲击台面3的导向孔内安装非金属轴承，并通过轴承盖7压紧在对应孔台处，将装好的二次冲击台面3沿导向轴2放入安装底座1上表面上，在两根导向轴2上分别装入高弹性聚氨酯阻尼垫6和压盖5，压盖5用螺钉固定于导向轴2的上端部，分别在压盖5和二次冲击台面的对应螺孔处装入挂环8，然后用4根悬挂弹簧4将二次冲击台面悬浮于导向轴2一定高度处，用安装螺钉10将安装底座最后固定在冲击设备的原始台面中心处，根据试验条件选择一定厚度的窄短脉冲发生器10放置在安装底座1上表面上。这时，二次冲击装置就已经基本组装完成，用手压动二次冲击台面3，二次冲击台面3应沿导向轴2运动灵活，不得有死点和卡顿现象，必要时可在导向轴2表面涂抹润滑粉减小摩擦系数。二次冲击装置装成后二次冲击台面3不论是空载还是在满载情况下的悬挂高度（即二次冲击台面3的下底面距安装底座1的上表面之间的距离）应一定，约60 mm，如果负载质量跨度太大，应通过调整悬挂弹簧4的弹簧刚度来解决。

当确认二次冲击装置组装无误后，就可将二次冲击装置与冲击设备直接连接了。如图7所示，用安装螺钉10将安装底座固定在冲击设备的原始台面13中心处，根据试验条件选择一定厚度的窄短脉冲发生器10放置在安装底座1上表面上，在二次冲击台面3上表面安装负载15和加速度传感器14，在冲击设备砧座11上安装硬度最软、厚度最大的波形发生器，连接好各类测试连线，开启冲击试验设备，按照冲击试验设备正常的操作规程去操作设备工作即可。当冲击设备原始台面13与砧座11上安装的波形发生器12撞击的瞬间后，安装在原始台面上的二次冲击装置中的二次冲击台面3会与安装底座1上的窄短脉冲波形发生器9撞击产生一个幅值比较大、持续时间很短的标准的冲击脉冲，改变冲击台原始台面13的跌落高度就可改变二次冲击装置中二次冲击台面3的冲击加速度幅值，如果想改变脉冲的持续时间可选择更换窄短脉冲波形发生器9的厚度即可，注意，原始冲击台面13下面的波形发生器12不要轻易更换。

图6 二次冲击装置结构图

由于二次冲击装置是安装在冲击设备的原始台面上随原始台面一块运动，因此原始台面在冲击前能获得多大的运动速度，二次冲击装置中的工作台面同理就有多大的速度，根据冲击原理可知，在冲击前台面运动速度越大冲击时能量越大，在越短的冲击作用时间内冲击加速度就越大。在原始台面冲击后，二次冲击装置中的工作台面才克服悬挂弹簧的拉力与窄短脉冲波形发生器撞击产生冲击脉冲，在时间上具有延迟性，相当于发生了两次冲击，因此我们将这种装置起名二次冲击装置。高加速度窄短冲击脉冲是在二次冲击装置的工作台面上产生的，利用的是冲击设备原始工作台面的运动速度，因此原始工作台面不需要产生较大的冲击加速度，可以在速度达到后在冲击时通过延长原始台面冲击过程的作用时间来有效降低冲击力，这样做即有效保护了原始工作台面，又大大降低了机械冲击对设备连接件的破坏作用，有效提高了试验设备的工作可靠性。

图7所示的安装结构是我公司产品的一个运用实例。冲击设备原台面尺寸为200 mm*200 mm，最大负载质量30 kg，原设备在进行2 000 g 0.3 ms冲击试验时，波形畸变严重，无法满足GJB 548B相关规范要求，在设备加装了图6所示的二次冲击装置后，在负载3 kg时，设备冲击加速度达到20 000 g 0.15 ms，波形失真情况完全满足GJB 548B相关规范要求。

图7 二次冲击装置安装结构示意图

2 两种装置的异同点

研制加速度放大装置和二次冲击装置目的在于提供一种可供普通常规冲击试验设备安装使用的装置，通过常规冲击试验设备获得符合规范要求的高加速度、窄短冲击脉冲波形，拓展常规冲击试验设备的适用范围，提高设备的使用率和可靠性。两种装置都能在常规冲击试验设备上安装使用，能够很轻松很方便的在附加台面上产生高加速度窄短冲击脉冲波形。虽然两种装置目的一致，但是由于结构和原理的差异，两种装置在使用上应结合冲击设备具体情况仔细考虑。具体来说，主要表现在以下几个方面：

结构上的区别。加速度放大装置在结构上还是比较简单，装置零件少，各个零件的精度也不是很高，加工制造成本低，就是放大台面与原始台面之间选用的缓冲垫也不需要特别制造，一般选用1～3 mm的植鞣牛皮即可。二次冲击装置在结构上就稍微复杂了，不但装置的零件多，而且零件的加工精度和设计要求也比较高，要根据用户不同的负载质量和台面质量设计悬挂弹簧，装配也比较复杂，需要一定的经验和分析调整能力，这样组装后的二次冲击装置才能好用，窄短脉冲波形发生器需要特殊制造，否则极易造成波形失真和重复性不符合规范要求。

安装使用方面的区别。一般冲击放大装置是通过4颗定位螺钉安装在冲击台的原始台面上的，缓冲垫调整时，需要拆下定位螺钉，在放大台面与冲击台原始台面之间放置新的缓冲垫后重新旋入定位螺钉即可，如果放大台面的预紧力有较大的差异，可以通过调整橡胶垫的厚度来解决，用户试件质量的改变对装置的使用影响不敏感可以忽略。二次冲击装置一般也是通过螺钉将安装底座固定在冲击设备的原始台面上，窄短脉冲波形发生器调整时，可以直接抽换，装置不用拆卸，当用户试件的质量变化较大时，明显的改变了二次冲击装置台面下表面与装置中安装底座上表面之间要求的距离时，就需要改变悬挂弹簧的刚度来满足距离要求，这需要用户在使用中特别注意，否则很容易造成冲击状态不稳定。

对冲击设备适应性的区别。两种装置都适合于常规冲击试验设备使用，但是对设备的要求上，还是有不小的差别。冲击放大装置在常规冲击设备上使用时，采用的是频率耦合原理，要产生高加速度窄短冲击脉冲，冲击试验设备也必须产生幅值很高持续时间很短的冲击脉冲，较大的冲击加速度很容易造成试验设备损坏。冲击放大装置在实现10 000 g 0.2 ms的研制过程中，将冲击设备的原始台面就生生撞裂了，设备其他的构件譬如连杆、驱动气缸、连接螺钉等也经常损坏，给设备的可靠性造成了很大的伤害。因此，要采用加速度放大装置产生窄短冲击脉冲，所选用的冲击试验设备必须要强度很高适合于强迫撞击。二次冲击装置在产生窄短脉冲波形时采用的是速度的方法，只要二次冲击装置中的工作台面在冲击前达到合适的撞击速度，就能产生所需要能量的冲击加速度，冲击设备中的原始工作台面不参与最终要求的脉冲波形的发生，所以在速度达到后，原始工作台面可以通过大能量的缓冲垫去缓冲，通过延长原始工作台面的撞击时间减小冲击力的产生，有效的保护了冲击试验设备，二次冲击装置在实现20 000 g 0.2 ms的可靠性考核过程中，冲击试验设备没有出现一次强度失效故障，因此这两年，二次冲击装置被业界公认为产生窄短脉冲波形比较适宜的方法。

综上所述，加速度放大装置和二次冲击装置是两种比较科学的调制窄短脉冲波形的方法，在结构和安装调整上，加速度放大装置比较有优势，因为它结构简单、安装方便、使用过程中基本不用调整，如果用户要求的加速度幅值不是很高，在5 000 g 0.3 ms以下的冲击试验条件，建议可以考虑该装置。如果用户要完成更大幅值的加速度冲击脉冲，建议还是采用二次冲击装置，该装置能够产生幅值很大、持续时间很短的半正弦冲击脉冲，具有脉冲波形失真小、稳定性高、重复性好，更主要的是对冲击试验设备的安全性好，不用过分的担心高加速度试验对设备造成的伤害。

3 结束语

两种装置为纯机械制件，安装拆除容易，制造成本便宜，运行性能稳定。装置可以广泛应用于冲击类设备中，为常规冲击类试验设备拓展使用范围提供了有意义的实践探索。

[1] (苏)克柳耶夫.振动与冲击手册[M].北京：国防工业出版社,1983,10.

[2] 编著委员会.力学环境试验技术[M].西安:西北工业大学出版社,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

王怀文(1970-)，男，陕西省岐山县人，大专，工程师，主要从事环境试验设备的设计工作。

崔战团（1965-），男，陕西省武功县人，大学本科学历，高级工程师，主要从事环境试验设备的设计、管理工作。