Affaticamento da vibrazioni e rinforzi per i gruppi di circuiti di accensione

Affaticamento da vibrazioni e rinforzi per i gruppi di circuiti di accensione

Astratto

Un modulo di accensione condivide un telaio con ventole, pompe, azionamenti del tavolo e, nelle celle robotizzate, un braccio che fa oscillare la torcia a diverse g. La fatica si accumula nelle saldature, nei morsetti a vite e nei cablaggi fino a quando una giunzione si incrina e l'accensione funziona solo in alcune posizioni della torcia. Questo articolo ricava la sollecitazione della giunzione dalla trasmissibilità, la durata dalla legge di potenza e la regolazione del supporto che sposta la risonanza fuori dalla banda di frequenza della macchina.

1. introduzione

Un gruppo di accensione è posizionato su una macchina che lo fa vibrare continuamente. Ventole e pompe contribuiscono con energia a bassa frequenza, il meccanismo di azionamento del piano aggiunge contenuti a banda larga e un braccio robotico che fa oscillare la torcia aggiunge diverse g di accelerazione multiassiale. Ogni ciclo sollecita le saldature, i terminali e il cablaggio.

Il danno da fatica si accumula senza un singolo sovraccarico. Una saldatura sviluppa una microfrattura, un morsetto a vite perde il precarico, un conduttore di un condensatore si frattura e la guaina isolante si consuma a contatto con una staffa. Il sintomo elettrico compare tardivamente e in modo intermittente.

È l'intermittenza a rendere il guasto costoso. La macchina funziona correttamente sul banco di prova e si guasta all'interno della cella, per poi riprendere a funzionare dopo che un tecnico ha toccato un componente non correlato. Una giunzione incrinata conduce quando la vibrazione la spinge a chiudersi e si apre quando la direzione si inverte, quindi l'accensione riesce in alcune posizioni della torcia e fallisce in altre.

I valori riportati di seguito si riferiscono a un modulo di accensione da 3 kg imbullonato al telaio con una frequenza naturale di 120 Hz, che ospita un condensatore di curvatura a morsetti a vite da 120 g, in una cella in cui il montaggio è soggetto a una carica efficace di 5 g tra 10 e 200 Hz.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Affaticamento della vita dovuto allo stress ciclico

Le giunzioni cedono dopo un numero di cicli che dipende dall'ampiezza della sollecitazione, e la relazione è di tipo potenza:

N = C · σ_a^(−m)

dove N = il numero di cicli fino al guasto, C = una costante per la giunzione, σ_a = l'ampiezza della sollecitazione e m = l'esponente di fatica. Per le giunzioni e le terminazioni saldate, m varia da 3 a 5, quindi un aumento della sollecitazione di dieci volte riduce la durata da 1,000 a 100,000 volte. Ogni successiva scelta progettuale in questo articolo si basa sul termine di sollecitazione, perché l'esponente lo rende la leva più economica.

2.2 Sollecitazioni congiunte da trasmissibilità e massa

Il montaggio amplifica l'accelerazione in ingresso grazie alla sua trasmissibilità meccanica, e l'accelerazione amplificata carica il giunto attraverso la massa del componente:

σ_a = Q_mech · m_eff · a_in / A_joint

dove σ_a = l'ampiezza della sollecitazione nel giunto, Q_mech = il fattore di qualità meccanica del montaggio, m_eff = la massa effettiva supportata dal giunto, a_in = l'accelerazione di ingresso e A_joint = l'area portante del giunto. A Q = 20 un condensatore da 120 g con un ingresso di 5 g rms genera una forza di 117.6 N attraverso un cordone di saldatura di 2 mm², che è pari a 59 MPa. Smorzando il montaggio a Q = 4 la forza si riduce a 23.5 N e la sollecitazione a 11.8 MPa.

2.3 Frequenza di risonanza e rigidità del supporto

La frequenza naturale dell'assemblaggio imbullonato dipende dalla rigidità del supporto e dalla massa trasportata:

f_n = (1 / 2π) · √(k / m)

dove f_n = la frequenza naturale, k = la rigidità del supporto e m = la massa supportata dal supporto. Il modulo da 3 kg a 120 Hz implica una rigidità di 1.7 kN/mm. Aumentando la rigidità a 10.7 kN/mm, la risonanza si sposta a 300 Hz, che si trova al di sopra della banda di eccitazione, e i supporti elastomerici che riducono la rigidità a 47 N/mm la portano al di sotto dei 20 Hz, dove l'energia in ingresso è bassa.

2.4 Trasmissibilità attraverso la banda

L'amplificazione a qualsiasi frequenza deriva dalla risposta a singolo grado di libertà:

H(f) = 1 / √((1 − r²)² + (r / Q_mech)²), r = f / f_n

dove H(f) = la trasmissibilità, f = la frequenza di eccitazione, f_n = la frequenza naturale e r = il rapporto di frequenza. Alla risonanza la trasmissibilità è uguale a Q_mech, motivo per cui una risonanza a 120 Hz all'interno di una banda da 10 a 200 Hz provoca danni. A 20 Hz con una risonanza a 120 Hz il rapporto è 0.17 e la trasmissibilità è 1.03, quindi un supporto accordato al di sotto della banda lascia passare l'ingresso invece di amplificarlo.

Il conteggio dei cicli converte la durata di fatica in tempo di servizio:

t_life = N / (3600 · f_exc)

dove t_life = la durata in ore, N = il numero di cicli fino al guasto e f_exc = la frequenza di eccitazione in Hz. Un giunto che resiste a 8.6 × 10⁵ cicli con una deformazione dello 0.1% dura 2 ore a 120 Hz. Riducendo la deformazione di cinque volte, i cicli si moltiplicano per 625, trasformando 2 ore in 5,200 ore.

Figura 1 — Una risonanza a 120 Hz all'interno della banda di frequenza della macchina da 10 a 200 Hz amplifica 5 g a 100 g; lo smorzamento a Q pari a 4 lascia 20 g.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Una risonanza all'interno della banda della macchina

Un modulo imbullonato opera tra 50 e 300 Hz, ovvero tra le frequenze a cui sono sottoposti ventole, pompe e azionamenti per tavoli. Con Q = 20, la sollecitazione sui giunti è 20 volte maggiore dell'input, e la legge di potenza trasforma questo valore in una durata misurata in ore di funzionamento del vibratore, non in anni di servizio.

Punto critico 2: Morsetti a vite che perdono il precarico

Un morsetto a vite necessita di una superficie di contatto per la corrente e di un precarico per resistere alle vibrazioni, e queste due esigenze sono in conflitto tra loro. Un morsetto che si allenta aumenta la sua resistenza di contatto, genera archi elettrici, si surriscalda e subisce scariche parziali in corrispondenza della giunzione molto prima di guastarsi completamente.

Punto critico 3: Le parti più pesanti sopportano la maggiore sollecitazione

La sollecitazione di giunzione aumenta in proporzione alla massa che essa sopporta, pertanto il condensatore del serbatoio e il trasformatore di accensione sono i primi a incrinarsi. La forma dei terminali, la dimensione del raccordo e il profilo di rifusione determinano quanta massa raggiunge la giunzione, e un processo generico tratta ogni componente allo stesso modo.

Punto critico 4: Cablaggio ad alta tensione sfregato

I conduttori del trasformatore e del divisore sfregano contro le staffe e i bordi dell'involucro durante il ciclo di funzionamento della macchina. L'isolamento usurato riduce la resistenza di quel percorso e le conseguenti perdite e scariche parziali si manifestano mesi dopo l'installazione, ben oltre la causa meccanica.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Esaminare l'assemblaggio prima del rilascio

Eseguire un'analisi di vibrazione a frequenza variabile o casuale su un prototipo e registrare le frequenze naturali e il loro fattore di merito Q. Qualsiasi risonanza tra 10 e 200 Hz richiede una decisione: irrigidire il supporto per spostarla al di sopra dei 300 Hz, oppure aggiungere un elastomero smorzante per ridurne il fattore di merito Q.

Strategia 2: Trasportare componenti pesanti sulla struttura

Montare il condensatore del circuito e il trasformatore su staffe o attraverso la scheda in modo che il telaio ne sostenga il peso e la giunzione supporti solo il collegamento elettrico. Sigillare la zona di giunzione con un rivestimento conforme in modo che il raccordo sia supportato senza perdere la riparabilità. Una densità N4700 Il corpo aiuta in questo caso perché la massa che esercita sull'articolazione è inferiore a quella di una pellicola di pari capacità.

Strategia 3: Specificare terminazioni resistenti alle vibrazioni

Serrare ciascun morsetto a vite alla coppia specificata utilizzando rondelle di sicurezza o frenafiletti e verificare la coppia residua dopo 100 cicli termici e 10 ore di vibrazione. La gamma di morsetti a vite da 10 kV è realizzata con un corpo robusto che mantiene il precarico, e il modello a pomello di questa gamma è quello da utilizzare quando il morsetto sopporta il carico.

Strategia 4: Sintonizzare la montatura fuori dalla banda

Inserire delle guarnizioni elastomeriche tra il modulo e il telaio, scegliendole in modo che la frequenza naturale scenda al di sotto dei 20 Hz, dove la corrente in ingresso della macchina è bassa. Laddove il modulo deve rimanere rigido, aggiungere una staffa che sposti la risonanza oltre i 300 Hz. Entrambe le soluzioni eliminano l'amplificazione Q dai calcoli.

Strategia 5: Proteggere il cablaggio e il divisorio

Applicare la guaina intrecciata sui cavi ad alta tensione, bloccare entrambe le estremità per alleviare la tensione e mantenere ogni curva al di sopra del raggio minimo. Montare il divisore su un resistore a film spesso corpo con confezione piatta in modo che si imbulloni alla struttura invece di essere appeso ai suoi cavi e ispezionare i punti di sfregamento ad ogni intervento di manutenzione.

Strategia 6: Qualificarsi con il profilo della macchina

Eseguire il test del modulo assemblato su un vibratore con lo spettro misurato dalla macchina, non con una scansione sinusoidale generica, per un periodo equivalente a cinque anni di funzionamento, mantenendo l'accensione attiva in modo continuo. È necessario che non si verifichino guasti all'accensione, che non vi siano variazioni di capacità e che non si verifichino cambiamenti nelle scariche parziali o nella resistenza di isolamento. Una scansione sinusoidale generica può superare un test che lo spettro reale distrugge.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
mantenimento della coppia terminale	oltre l'80% delle specifiche	100 cicli termici, 10 ore di vibrazione
Costruzione del corpo	monolitico vetrificato, senza strati di alluminio	vibrazione casuale, da 10 a 500 Hz
Massa del componente	120 g a 10 kV, 4700 pF	confezione con morsetti a vite
Frequenza naturale di assemblaggio	120 Hz misurati, obiettivo superiore a 300 Hz	sondaggio a onda sinusoidale spazzata
Scarica parziale dopo vibrazione	inferiore a 5 pC	a tensione nominale
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2

5. Condensatori HVC per applicazioni con vibrazioni

La robustezza meccanica è parte integrante delle specifiche elettriche. HVC produce condensatori ceramici monolitici vetrificati con terminazioni a vite, bullone e saldabili, da 1 kV a 100 kV, in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan.

Sei parametri importanti in questo caso

• Terminazioni a vite resistenti alle vibrazioni. Il corpo a vite da 40 kV / 441 mantiene il precarico anche in presenza di vibrazioni prolungate, eliminando l'allentamento che spesso causa la fine della vita utile di un terminale generico.
• Corpi densi e resistenti alle crepe. Una ceramica monolitica vetrificata non presenta strati interni di lamina o pellicola che possano delaminarsi, pertanto il carico ciclico non provoca la separazione della pila di elettrodi.
• Massa inferiore per minori sollecitazioni sulle giunzioni. Il corpo in ceramica pesa meno di un componente in film di pari caratteristiche e le sollecitazioni sulle giunzioni sono proporzionali alla massa che supporta.
• Parametri elettrici che non tengono conto delle vibrazioni. Capacità e perdite rimangono ai valori di progetto anche sotto stress meccanico, pertanto la taratura dell'accensione non varia con il ciclo di lavoro della macchina.
• Scelta del sistema di terminazione in base all'ambiente. Le opzioni di fissaggio a vite, bullone e saldabile consentono al progettista di adattare il fissaggio meccanico al livello di vibrazione misurato, anziché dover adattare un unico contenitore a ogni posizione.
• Collaudato in impianti ostili alle vibrazioni. La serie 40 kV / 441 HVCT8G I condensatori hanno sostituito i componenti di prima qualità importati nei programmi di assistenza sul campo per palcoscenici e sorgenti luminose che eseguono movimenti di precisione continui. Una pubblicazione riferimento incrociato La tabella associa i codici articolo importati ai corrispondenti codici HVC.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set di assemblaggio abbinati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC offre supporto per indagini di risonanza, messa a punto dei supporti, verifica della coppia e qualificazione degli shaker. Inviate il disegno di assemblaggio, lo spettro di risonanza della macchina misurato, le masse dei componenti e il metodo di montaggio. HVC vi restituirà una scheda di selezione con i dati PD, le misurazioni di mantenimento della coppia e un rapporto di qualificazione delle vibrazioni entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Perché l'accensione fallisce solo in alcune posizioni della torcia?

Una saldatura incrinata conduce quando la vibrazione la spinge a chiudersi e si apre quando la direzione si inverte. La giunzione produce un contatto intermittente, non un circuito aperto, quindi l'accensione avviene nelle posizioni in cui la giunzione risulta compressa e fallisce nelle altre. Ispezionare prima le giunzioni più pesanti.

D2: Quanto amplifica la vibrazione il supporto?

La trasmissibilità è pari al fattore di merito meccanico Q alla risonanza. Con Q = 20 e un ingresso di 5 g rms, un condensatore da 120 g esercita una forza di 117.6 N attraverso un raccordo di 2 mm², che corrisponde a una sollecitazione di giunzione di 59 MPa. Smorzando il supporto a Q = 4, la stessa giunzione subisce una sollecitazione di 11.8 MPa.

D3: Quanto tempo in più si guadagna con lo smorzamento?

Con un esponente di fatica pari a 4, una riduzione dello stress di cinque volte moltiplica il numero di cicli a rottura per 625. Un giunto che resiste a 8.6×10⁵ cicli con una deformazione dello 0.1% dura 2 ore a 120 Hz; con lo stress ridotto, lo stesso giunto raggiunge 5.4×10⁸ cicli, ovvero 5,200 ore.

D4: Il supporto deve essere irrigidito o ammorbidito?

Entrambi i metodi funzionano se la risonanza esce dalla banda. Un irrigidimento da 1.7 kN/mm a 10.7 kN/mm sposta una risonanza a 120 Hz a 300 Hz, al di sopra della frequenza di risonanza della macchina. I supporti elastomerici che riducono la rigidità a 47 N/mm portano la risonanza al di sotto dei 20 Hz, dove la trasmissibilità è 1.03 e il segnale in ingresso arriva non amplificato.

D5: Come posso evitare che un morsetto a vite si allenti?

Serrare alla coppia specificata con rondelle di sicurezza o frenafiletti, quindi verificare il mantenimento della coppia dopo 100 cicli termici e 10 ore di vibrazione, e assicurarsi che rimanga almeno l'80% della coppia specificata. Un terminale che ha perso il precarico si manifesta inizialmente con calore e scariche parziali in corrispondenza della giunzione, poi con una scarica superficiale.

D6: Quale tipo di condensatore è più adatto a una cella vibrante?

Una ceramica monolitica vetrificata con terminazione a vite o bullone e una staffa che sostiene la massa. Non ha strati interni che possano delaminarsi, pesa meno di un equivalente condensatore a filme la sua capacità non varia con le sollecitazioni meccaniche, quindi il circuito di accensione rimane alla frequenza di progetto.

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