Fatiga por vibración y refuerzo para conjuntos de circuitos de encendido

Fatiga por vibración y refuerzo para conjuntos de circuitos de encendido

Compendio

Un módulo de encendido comparte estructura con ventiladores, bombas, accionamientos de mesa y, en celdas robóticas, un brazo que mueve la antorcha a varias g. La fatiga se acumula en las uniones de soldadura, los terminales de tornillo y el cableado hasta que una unión se agrieta y el encendido solo funciona en ciertas posiciones de la antorcha. Este artículo deduce la tensión de la unión a partir de la transmisibilidad, la vida útil a partir de la ley de potencias y el ajuste del soporte que desplaza la resonancia fuera de la banda de la máquina.

1. Introducción

Un conjunto de encendido se encuentra sobre una máquina que lo somete a vibraciones constantes. Ventiladores y bombas aportan energía de baja frecuencia, el accionamiento de la mesa añade contenido de banda ancha y un brazo robótico que mueve la antorcha genera una aceleración multieje de varios gramos. Cada ciclo somete a tensión las uniones soldadas, los terminales y el cableado.

El daño por fatiga se acumula sin que se produzca una sobrecarga puntual. Una soldadura desarrolla una fisura fina, un terminal de tornillo pierde precarga, un cable de condensador se fractura y el manguito aislante se desgasta contra un soporte. El síntoma eléctrico aparece tardíamente y de forma intermitente.

La intermitencia es lo que encarece la avería. La máquina funciona correctamente en el banco de pruebas y falla dentro de la celda, para luego volver a funcionar después de que un técnico toque algo que no tiene nada que ver. Una junta agrietada conduce la corriente cuando la vibración la cierra y se abre cuando la dirección se invierte, por lo que el encendido se produce en algunas posiciones de la antorcha y falla en otras.

Las cifras que se muestran a continuación provienen de un módulo de encendido de 3 kg atornillado al bastidor a una frecuencia natural de 120 Hz, que lleva un condensador de tanque con terminales de tornillo de 120 g, en una celda donde el montaje recibe 5 g rms entre 10 y 200 Hz.

2. Mecanismo central

2.1 Vida útil por fatiga debida a esfuerzos cíclicos

Las uniones fallan después de un número de ciclos que depende de la amplitud de la tensión, y la relación es una ley potencial:

N = C · σ_a^(−m)

donde N = los ciclos hasta la falla, C = una constante para la unión, σ_a = la amplitud de la tensión y m = el exponente de fatiga. Para uniones y terminaciones de soldadura, m varía de 3 a 5, por lo que un aumento de la tensión de diez veces reduce la vida útil entre 1,000 y 100,000 veces. Todas las decisiones de diseño posteriores en este artículo se basan en el término de tensión, ya que el exponente lo convierte en la palanca más sencilla.

2.2 Tensión conjunta debida a la transmisibilidad y la masa

El sistema de montaje amplifica la aceleración de entrada mediante su transmisibilidad mecánica, y la aceleración amplificada carga la articulación a través de la masa del componente:

σ_a = Q_mech · m_eff · a_in / A_joint

donde σ_a = amplitud de tensión en la unión, Q_mech = factor de calidad mecánica del montaje, m_eff = masa efectiva soportada por la unión, a_in = aceleración de entrada, y A_joint = área de carga de la unión. Con Q = 20, un condensador de 120 g con una entrada rms de 5 g genera una fuerza de 117.6 N a través de un cordón de soldadura de 2 mm², lo que equivale a 59 MPa. Amortiguar el montaje a Q = 4 reduce la fuerza a 23.5 N y la tensión a 11.8 MPa.

2.3 Frecuencia de resonancia y rigidez del soporte

La frecuencia natural del conjunto atornillado depende de la rigidez del soporte y de la masa soportada:

f_n = (1 / 2π) · √(k / m)

donde f_n = la frecuencia natural, k = la rigidez del soporte y m = la masa que soporta el soporte. El módulo de 3 kg a 120 Hz implica una rigidez de 1.7 kN/mm. Aumentar la rigidez a 10.7 kN/mm desplaza la resonancia a 300 Hz, que se sitúa por encima de la banda de excitación, y los soportes elastoméricos que reducen la rigidez a 47 N/mm la sitúan por debajo de 20 Hz, donde la energía de entrada es baja.

2.4 Transmisibilidad a través de la banda

La amplificación en cualquier frecuencia proviene de la respuesta de un solo grado de libertad:

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

donde H(f) = la transmisibilidad, f = la frecuencia de excitación, f_n = la frecuencia natural y r = la relación de frecuencias. En resonancia, la transmisibilidad es igual a Q_mech, razón por la cual una resonancia de 120 Hz dentro de una banda de 10 a 200 Hz causa daños. A 20 Hz con una resonancia de 120 Hz, la relación es 0.17 y la transmisibilidad es 1.03, por lo que un soporte sintonizado por debajo de la banda deja pasar la señal de entrada en lugar de amplificarla.

El recuento de ciclos convierte la vida útil por fatiga en tiempo de servicio:

t_life = N / (3600 · f_exc)

donde t_life = la vida útil en horas, N = los ciclos hasta la falla y f_exc = la frecuencia de excitación en Hz. Una articulación que soporta 8.6 × 10⁵ ciclos con una deformación del 0.1 % dura 2 h a 120 Hz. Reducir la deformación cinco veces multiplica los ciclos por 625, lo que convierte 2 h en 5,200 h.

Fig. 1 — Una resonancia de 120 Hz dentro de la banda de la máquina de 10 a 200 Hz amplifica de 5 g a 100 g; la amortiguación a Q de 4 deja 20 g.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: Una resonancia dentro de la banda de la máquina

Un módulo atornillado funciona a una frecuencia de entre 50 y 300 Hz, donde los ventiladores, las bombas y los accionamientos de la mesa consumen su energía. Con Q = 20, la tensión en la unión es 20 veces mayor que la de entrada, y la ley de potencias la traduce en una vida útil medida en horas de funcionamiento del vibrador, no en años de servicio.

Problema 2: Terminales de tornillo que pierden precarga

Un terminal de tornillo requiere una superficie de contacto para la corriente y una precarga para la vibración, y ambos requisitos se contraponen. Un terminal que se afloja aumenta su resistencia de contacto, produce arcos eléctricos, se calienta y permite una descarga parcial en la unión mucho antes de que falle por completo.

Punto crítico 3: Las partes más pesadas soportan la mayor tensión.

La tensión en la unión es proporcional a la masa que soporta, por lo que el condensador del tanque y el transformador de encendido son los primeros en agrietarse. La forma del cable, el tamaño del filete y el perfil de reflujo determinan cuánta masa llega a la unión, y un proceso genérico trata a todos los componentes de la misma manera.

Problema 4: Cableado de alta tensión desgastado

Los cables que van al transformador y al divisor rozan contra los soportes y los bordes de la carcasa durante el ciclo de trabajo de la máquina. El aislamiento desgastado reduce la resistencia de ese circuito, y las fugas y descargas parciales resultantes aparecen meses después de la instalación, lejos de la causa mecánica.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Inspeccionar la asamblea antes del lanzamiento.

Realice un estudio de vibración aleatoria o sinusoidal barrida en un prototipo y registre las frecuencias naturales y su factor Q. Cualquier resonancia entre 10 y 200 Hz requiere una decisión: rigidizar el soporte para que supere los 300 Hz, o añadir elastómero amortiguador para reducir su factor Q.

Estrategia 2: Transportar componentes pesados ​​en la estructura.

Monte el condensador del tanque y el transformador en soportes o a través de la placa de modo que el bastidor soporte su peso y la junta solo soporte la conexión eléctrica. Refuerce la zona de la junta con un revestimiento de conformación para que el filete quede soportado sin perder la posibilidad de reparación. Una densa N4700 El cuerpo ayuda en este caso porque la masa que ejerce sobre la articulación es menor que la de una pieza de película de igual capacitancia.

Estrategia 3: Especificar terminaciones resistentes a vibraciones.

Apriete cada terminal de tornillo según su especificación con arandelas de seguridad o fijador de roscas, y verifique que el par de apriete se mantenga después de 100 ciclos térmicos y 10 horas de vibración. La gama de terminales de tornillo de 10 kV está construida con un cuerpo robusto que soporta la precarga, y el modelo tipo pomo de puerta de esta gama es el que debe utilizarse donde el terminal soporta la carga.

Estrategia 4: Desconectar la montura de la banda

Inserte arandelas elastoméricas entre el módulo y el marco, seleccionándolas de manera que la frecuencia natural caiga por debajo de 20 Hz, donde la entrada de la máquina es baja. Si el módulo debe permanecer rígido, añada un soporte que desplace la resonancia por encima de 300 Hz. Cualquiera de las dos opciones elimina la amplificación Q del cálculo.

Estrategia 5: Proteger el cableado y el divisor.

Coloque una funda trenzada sobre los cables de alto voltaje, sujete ambos extremos para aliviar la tensión y mantenga cada curva por encima del radio mínimo. Monte el divisor en un resistencia de película gruesa carrocería con un paquete plano para que se atornille a la estructura en lugar de colgar de sus cables, e inspeccione los puntos de roce en cada servicio.

Estrategia 6: Calificar con el perfil de la máquina

Pruebe el módulo ensamblado en un vibrador con el espectro de la máquina medido, no con un barrido sinusoidal genérico, durante el equivalente a cinco años de funcionamiento con encendido continuo. Se requiere cero fallas de encendido, sin variación de capacitancia y sin cambios en la descarga parcial o la resistencia de aislamiento. Un barrido genérico puede pasar una prueba que el espectro real destruye.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
retención de par terminal	por encima del 80% de la especificación	100 ciclos térmicos, 10 h de vibración
Construcción del cuerpo	monolítico vitrificado, sin capas de lámina	Vibración aleatoria, de 10 a 500 Hz
Masa del componente	120 g a 10 kV, 4700 pF	paquete de terminales de tornillo
Frecuencia natural de ensamblaje	Frecuencia medida: 120 Hz; objetivo: superior a 300 Hz.	encuesta sinusoidal barrida
Descarga parcial después de la vibración	por debajo de 5 pC	a tensión nominal
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2

5. Condensadores HVC para aplicaciones con vibraciones.

La robustez mecánica debe incluirse en las especificaciones eléctricas. HVC fabrica condensadores cerámicos monolíticos vitrificados con terminaciones de tornillo, perno y soldables, desde 1 kV hasta 100 kV, en una fábrica propia de 6,000 m² en Dongguan.

Seis parámetros que importan aquí

• Terminales de tornillo resistentes a vibraciones. El cuerpo de tornillo de 40 kV / 441 mantiene la precarga bajo vibración sostenida, lo que elimina el aflojamiento que acaba con la vida útil de un terminal genérico.
• Cuerpos densos y resistentes a las grietas. Una cerámica monolítica vitrificada no tiene capas internas de lámina o película que puedan delaminarse, por lo que la carga cíclica no separa el conjunto de electrodos.
• Menor masa para menor tensión en la articulación. El cuerpo cerámico pesa menos que una pieza de película de igual capacidad, y la tensión en la articulación aumenta proporcionalmente a la masa que soporta.
• Parámetros eléctricos que no tienen en cuenta las vibraciones. La capacitancia y las pérdidas se mantienen en sus valores de diseño bajo tensión mecánica, por lo que el ajuste del encendido no varía con el ciclo de trabajo de la máquina.
• Opciones de terminación adaptadas al entorno. Las opciones de tornillos, pernos y soldadura permiten al diseñador adaptar la fijación mecánica al nivel de vibración medido, en lugar de adaptar un único sistema a cada posición.
• Probado en plantas con alta vibración. Serie 40 kV / 441. HVCT8G Los condensadores han reemplazado a las piezas importadas de primera categoría en los programas de servicio de campo de escenarios y fuentes de luz que realizan movimientos de precisión continuos. Una publicación referencia cruzada La tabla relaciona los números de pieza importados con sus equivalentes HVC.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas, y los conjuntos de montaje en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece asistencia para estudios de resonancia, ajuste de montaje, verificación de par y cualificación de vibradores. Envíe el plano de montaje, el espectro de la máquina medido, las masas de los componentes y el método de montaje. HVC le enviará una hoja de selección con datos de PD, mediciones de retención de par y un informe de cualificación de vibraciones en un plazo de cinco días laborables.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Por qué falla el encendido solo en algunas posiciones de la antorcha?

Una soldadura agrietada conduce la corriente cuando la vibración la comprime y la abre cuando la dirección se invierte. La soldadura produce un contacto intermitente, no un circuito abierto, por lo que la ignición se produce cuando la soldadura está comprimida y falla en las demás posiciones. Inspeccione primero las soldaduras más resistentes.

P2: ¿Cuánto amplifica la vibración el soporte?

La transmisibilidad es igual al factor Q mecánico en resonancia. Con Q = 20 y una entrada de 5 g rms, un condensador de 120 g ejerce una fuerza de 117.6 N a través de un filete de 2 mm², lo que equivale a una tensión en la unión de 59 MPa. Amortiguar el soporte a Q = 4 reduce la tensión en la misma unión a 11.8 MPa.

P3: ¿Cuánta vida útil proporciona la amortiguación?

Con un exponente de fatiga de 4, una reducción de la tensión de cinco veces multiplica los ciclos hasta la falla por 625. Una articulación que sobrevive 8.6 × 10⁵ ciclos con una deformación del 0.1 % dura 2 h a 120 Hz; con la tensión reducida, la misma articulación alcanza 5.4 × 10⁸ ciclos, o 5,200 h.

P4: ¿Debe reforzarse o ablandarse el soporte?

Ambas opciones funcionan si la resonancia se sale de la banda. Aumentar la rigidez de 1.7 kN/mm a 10.7 kN/mm desplaza una resonancia de 120 Hz a 300 Hz, por encima del contenido de la máquina. Los soportes elastoméricos que reducen la rigidez a 47 N/mm sitúan la resonancia por debajo de 20 Hz, donde la transmisibilidad es de 1.03 y la señal de entrada llega sin amplificar.

P5: ¿Cómo puedo evitar que un terminal de tornillo se afloje?

Apriételo al par especificado con arandelas de seguridad o fijador de roscas, luego verifique la retención después de 100 ciclos térmicos y 10 h de vibración, y asegúrese de que se mantenga al menos el 80 % del par especificado. Un terminal que ha perdido precarga se manifiesta primero como calor y descarga parcial en la unión, y luego como una descarga disruptiva.

P6: ¿Qué tipo de encapsulado de condensador es el más adecuado para una pila vibratoria?

Cerámica monolítica vitrificada con terminación de tornillo o perno y un soporte que soporta la masa. No tiene capas internas que se delaminen, pesa menos que una equivalente. condensador de películay su capacitancia no se mueve con la tensión mecánica, por lo que el tanque de ignición se mantiene en la frecuencia de diseño.

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