（机械设计及理论专业论文）振动对尘土进入电器影响研究.pdf

l _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ， 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 垂渤至：1 日期：z ! ! ：至：15 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：竺生：! ! ! ! 日期：勉! ! ：! q l “ 一 4 0 产l i a r 振动对尘土进入电器影响研究 摘要 电路为一串联系统，其可靠性依赖于各元件的可靠度，为系统内各 元件可靠度的乘积，因而元件数目越多，系统可靠性就越低。而电接 触元件易受周围环境( 大气尘土、腐蚀性气体、温度与湿度等) 的影 响，造成接触故障。环境对于产品来说是一个无法回避的、必须加以 考虑的因素。 尘土污染是造成机电元件失效的主要因素之一，尘土进入电器是影 响电器可靠性的前提，研究尘土进入对评估电器可靠性具有重要意义。 尘土进入受风速、尘土颗粒尺寸、接口结构、振动、电磁场、温度 等诸多因素的影响。但对于小接口电器设备，影响尘土进入的主要因 素为接口的结构和振动等动态环境，接口结构主要影响接口处尘土颗 粒的聚集量，它由接口结构的复杂度决定，接口结构越复杂，对尘土 进入的阻滞能力越强，接口处聚集的尘土颗粒越多，接口结构越简单， 对尘土进入的阻滞能力越弱，接口处聚集的颗粒越少。在振动工作条 件下，则会促进尘土的进入及向内部扩散。 本论文主要研究振动对尘土进入电器的影响。首先建立尘土进入的 振动模型，然后利用y e l 3 1 1 c 型信号发生器、y e 5 8 7 1 型功率放大器及 j z k 一5 激振器构建了实验系统进行实验。进而对结果进行多元非线性 回归拟合，确定了尘土量与振动时间、频率因素的函数关系。最后， 针对现有的实验系统存在的问题，进行了改进设计，提出了多轴联动 随机振动实验系统的设计方案，该系统能更真实的模拟尘土进入电器 过程。 关键字：电接触振动尘土进入高斯拟合模拟系统 ， f i 、， ， l ar e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo fv 硼3 r 枷0 i n o n o nd u s te n t ra n c e 玳t oa p p l l 气n c e s a b s t r a c t c i r c u i ti sas e r i e ss y s t e m a n di t sr e l i a b i l i t yd e p e n d so nt h er e l i a b i l i t y o fe a c h o fi t sc o m p o n e n t s t h a ti st h ep r o d u c to ft h ei n t r a - s y s t e m c o m p o n e n t s t h e r e f o r e ，m o r ec o m p o n e n t si m p l yl e s sr e l i a b i l i t y t h e s e c o m p o n e n t sa r ev u l n e r a b l et ot h es u r r o u n d i n g s ，f o re x a m p l e ，d u s tp a r t i c l e s ， c o r r o s i v eg a s ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , e t c ，w h i c hw i l ll e a dt oc o n t a c t f a u l t s oe n v i r o n m e n ti sa l li n e v i t a b l ef a c t o rt h a tm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n t d u s t p o l l u t i o n i so n eo ft h em a j o rr e a s o n st h a tc a u s e dt h e e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n t sf a i l u r e ，w h i l ee n t r a n c eo fd u s tp a r t i c l e si s t h ep r e m i s ef o ri t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et os t u d yt h e i n f l u e n c eo f d u s te n t r a n c eo nt h er e l i a b i l i t yo f a p p l i a n c e s d u s te n t r a n c ec a nb ea f f e c t e db yv a r i o u sf a c t o r ss u c ha sw i n ds p e e d ， s i z e so fd u s tp a r t i c l e s ，v i b r a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r e ，a n d e t c b u ta sf o ra p p l i a n c e sw i t hs m a l li n t e r f a c e s ，t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t d u s te n t r a n c ei n c l u d es u c hd y n a m i ce n v i r o n m e n t sa st h es t r u c t u r eo f i n t e r f a c e s ，v i b r a t i o n ，a n de t c t h ec o m p l e x i t yo fi n t e r f a c es t r u c t u r e si st h e m a j o r f a c t o rt h a ta f f e c t st h ea m o u n t so fd u s tp a r t i c l e sa r o u n dt h ei n t e r f a c e s t h em o r ec o m p l e xt h ei n t e r f a c es t r u c t u r e sa r e ，t h ew e a k e rt h eb l o c k i n g f o r c ei s t h e r e f o r em o r ed u s tp a r t i c l e sw i l lg a t h e ra r o u n di t ，a n dv i s ev e r s a i tw a st h ed y n a m i ce n v i r o n m e n t ss u c ha sv i b r a t i o n 血a tc a u s e dt h ea c c e s s o ft h ea s s e m b l e dd u s tp a r t i c l e sa r o u n dt h ei n t e r f a c e s t h i sp a p e ri sm a i n l yd e v o t e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i b r a t i o n a n dt h ea m o u n t so fd u s tp a r t i c l e si n s i d ea p p l i a n c e sw i t hs m a l li n t e r f a c e s a v i b r a t i o nt a b l ew a sd e s i g n e dt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo fd u s tp a r t i c l e so n e l e c t r i c a lc o n t a c tr e l i a b i l i t y f i r s t l y , t h ev i b r a t i o nm o d e lo fd u s te n t r a n c ei s d e v i s e d t h e nt h ea m o u n t so fd u s tp a r t i c l e si n s i d et h es m a l l i n t e r f a c e a p p l i a n c e sa r eg o tt h r o u g hv i b r a t i o ne x p e r i m e n t s a f t e r w a r d st h er e s u l t s a r ea n a l y z e dt h r o u g hn o n l i n e a rr e g r e s s i o ni no r d e rt og e tt h ef u n c t i o n b e t w e e nt h ea m o u n to fd u s tp a r t i c l e sa n dt i m eo fv i b r a t i o na n dv i b r a t i o n f r e q u e n c y d i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fd u s tp a r t i c l e si n s i d et h ea p p l i a n c e si s a n a l y z e d ，a n da l s ot h em u l t i a x i sm o t i o ni n t e g r a t e dv i b r a t i o nt a b l ew a s d e s i g n e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc o n t a c t ，v i b r a t i o n ，d u s te n t r a n c e ，g a u s s i a n f i t t i n g ， s i m u l a t i o ns y s t e m 产 ； ， = 0 ，= l ，2 ，露 t c 。v ( 鬈。t = 仨? 二了e = t ，2 。，矗， 如果厂亿，砂= 嘞+ x 1 0 1 + 聊岛+ h 屏，那么( 3 - 5 ) 式就是线性模型，而且 必然有后= p ；对于一般情况的非线性模型，参数的数目与自变量的数目并没有一 定的对应关系，不要求七= p 。 对非线性回归模型( 3 5 ) 式，我们仍使用最小二乘法估计参数0 ，即使得 ( 彩= ( 乃一 弓，$ ) 2 式( 3 6 ) 达到最小的0 ，称为0 的非线性最4 , - 乘估计。在假定f 函数对参数0 连续可微 时，可以利用微分法，建立正规方程组，求解使q 例达最小的0 。将q 函数对参 北京邮电大学硕士研究生学位论文 表3 - i 几种初等函数的缌i 生变换 变换后的线 曲线方程变换公式曲线图形 性方程 16 z 。三 y a4 - 娃 lr ， ， - l 5a + l y x 石 l 厂一 y ；三 芗 o y a i- i 1 l mt , c e y a b x j l r a x 5 xi i nx ， ， l l y i n y ( 口- h 力 ，司暖l 。厂 o | t-1月 l l l i b q ， yn t 口4 - b x y a4 - 8 1 nzx h x ， y y | | 厂l 一 - o 。， 薯 口 ， l i t i l 静一国 y a - 4 - 色z 夕= 口e 如 x x驯 夕 - - y l f iy 0 - 1 n 而 _ ， o l o t 1 3射n 蝴 毒 y = 口+ 蚜 ，2 口c 。 i ， i ，j 五u 一 l 飘 厂二 石0 - h 而 y = l ny 口 善 d暑 c l ，o 档，o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 数研求偏导，并令其为0 ，得p + t 个方程 乳卅缸几岛，乳一o ( = 0 3 ，2 ，尹) 式( 3 7 ) 非线性最小二乘估计0 就是( 3 7 ) 式的解，( 3 7 ) 式称为非线性最t j 、- - 乘估计的 正规方程组，它是未知参数的非线性方程组。一般用n e w t o n 迭代法求解此正规 方程组【1 8 】【1 9 l 。也可以直接极小化残差平方和0 ，求出未知参数p 的非线性最小二 乘估计p 。 3 2 尘土量与时间关系的非线性回归分析 上节主要讨论了非线性回归的原理及最小二乘法等解法，这些模型对解决非 线性问题提供了一种通用解法，本节主要讨论利用这些非线性模型进行分析尘土 与时间的关系，并用最小二乘法对其进行求解。 3 2 1 尘土量与时间关系的模型选择 对于产品失效函数，经常用韦伯尔分布来分析其产品的生命周期，而对于生 产管理，一般用柯布道格拉斯函数来表征其模型，而对于尘土量与振动的关系， 并没有常用的函数公式来表征其间的关系，故只能根据第二章的实验结果和数据 曲线来初步判断符合哪种函数关系，然后通过回归拟合的拟合优度和参数估计的 标准误差大小来判定拟合的结果，对于非线性的参数拟合结果，一般拟合优度r 2 大于0 7 时可以采纳。 根据第二章的振动实验数据，手机内部接口处的尘土量随着振动时间先上升 后下降，且几乎对称，尘土的进入量与时间的关系曲线与高斯函数类似，故采用 高斯函数进行拟合，高斯函数为： ( 卜幻2 ) ，= 彳f 丁式( 3 8 ) 3 2 2 尘土进入量与时间关系的高斯拟合 s p s s 为专业的数理统计软件，本次回归分析采用s p s s 的n o n li n e a r 命令进行。 根据实验数据进行高斯拟合。8 h z 的尘土量与时间函数的拟合过程为 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) ：首先建立数据文件，定义变量时间t i m e 和尘土量n u m b e r s ，并分别将 8 h z 振动时的振动时间和尘土颗粒数据填入两变量所对应的表格内。 ( 2 ) ：从菜单上依次点击r e g r e s s i o n - n o n l i n e a r 命令，打开n o n l i n e a r r e g r e s s i o n 对话框。 ( 3 ) ：在n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 对话框中将因变量n u m b e r s 移入d e p e n d e n t 框内，然后在m o d e le x p r e s s 框内输入s p s s 能够识别的模型表达式：p ( 2 7 1 8 2 8 ( o - ( ( t i m e - e ) 事毒2 ) ( a 2 ) ) ) 。 ( 4 ) ：设定模型中未知参数的初始值。在n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 对话框中单 击p a r a m e t e r s 按钮，打开其对话框，先在n a m e 中输入f ，在s t a r t i n gv a l u e 中输入1 0 0 ，单击a d d 按钮此时f ( 1 0 0 ) 出现在中间的框中，一次吧输入参数a 和 c 的初始值3 0 。主对话框。最后单击c o n t i n u e 按钮，回到n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 由于s p s s 为局部优化，如果初值差别较大可能得不到期望的结果，初始值的选择 应根据是实验数据的极值以及达到极值的时间。 ( 5 ) ：在n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 对话框中单击右下侧的s a v e 按钮，打开其对 话框，勾选p r e d i c t e dv a l u e s 选项，单击c o n t i n u e 按钮，回到主对话框。 ( 6 ) ：在n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 主对话框中单击o k 按钮，执行。 s p s s 中的n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 操作的关键有两个：一是定义好模型表达式， 二是定义好初始值。 输出结果与分析如表3 - 2 ，3 - 3 ，详细结果见附录l 。 表3 - 2 参数估计值 表3 3a n o v a a 已更正的总计8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 因变量：n u m b e r 乱r 方= 卜( 残差平方和) ( 已更正的平方和) = 9 8 8 。 由拟合结果知：函数的拟合度为0 9 8 8 ，参数f ，a ，c 的标准误差为3 0 7 2 ， 1 1 0 5 ，0 7 8 4 ，与估计值1 0 6 4 0 7 ，3 1 0 3 0 ，5 2 9 4 8 相比很小，结果可以采纳。 故在8 h z 时，尘土进入量与振动时间的拟合函数为： 窖譬 ，1 i y = 1 0 6 式( 3 9 ) 以同样的步骤，1 4 h z 时取初值f 为1 0 0 ，a 与c 为3 0 ，输出结果见表3