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某产品Z向振动试验装置研制中国航天科工集团第九研究院红林机械厂天天向上QC小组工厂简介：中国航天科工集团第九研究院探测与控制技术研究所（国营红林机械厂）创建于1969年，是周恩来总理亲自批准建立的航天系统唯一从事某系统技术研究、产品设计制造的厂所结合型企业，是国防科技工业核心保军企业、国防科技工业技术中心和湖北省企业技术中心。研究所拥有技术人员400余人，中高级科研人员300余人，省部级以上学术带头人及享受政府特殊津贴专家13人。研究所坚持实施科技创新、管理创新和党建企业文化创新，坚持技术改造优化工业布局、流程再造优化企业管理、信息化建设提升企业效率、企业文化建设塑造企业核心竞争力，取得了国家科技进步特等奖一系列技术成果，为航天事业和国防现代化建设做出了卓越贡献，荣获了全国精神文明建设工作先进单位、全国五一劳动奖状、航天科工质量奖等荣誉。一、小组概况表1小组概况小组名称天天向上QC小组活动课题某产品Z向振动试验装置研制课题类型创新型成立时间2008年7月厂注册号HLQC2008-005出勤率98％活动时间2008.7～2009.1平均受TQC教育时间40h小组成员序号姓名性别年龄文化程度组内分工1张兵女26本科项目实施、策划（组长）2闫会军男40本科项目主管3刘宗华男31本科技术指导4王章梅女36本科组织协调5余毅男28本科实践操作6葛晓波男27专科实践操作7刘桂岭男26专科实践操作8李波男36本科质量控制小组共有8人组成，其中35岁以下的人员占到67％，本科以上人员为75％，是一支既年轻又富有创新能力的高素质团队。二、选择课题（一）问题的提出2008年6月25日，某批次编号为4207196的产品Z方向振动试验后，出现状态无法转换的故障现象。工厂相关部门按照航天“双五条”标准对产品进行了归零分析。分析结果表明：产品与试验装置发生共振，导致产品在振动后无法状态转换。影响产品正常交付。因此，解决产品与试验装置的共振问题，变得迫在眉睫。（二）提出方案为了解决产品与试验装置共振问题，小组成员召开了诸葛亮会议，采用头脑风暴法，对活动的课题提出了多条意见和建议。见图1。（三）课题评价选择随后，小组成员针对各解决方案开展了讨论和评估，分析情况见表2。表2课题评估表评估序号课题分析可实施性经济性时间性预计有效性综合得分是否选用1更新试验设备1、成本比较昂贵，小组调查了XX型振动台，市场售价大约需要经费300万元；2、能解决振动台的稳定性问题，但解决共振情况效果不一定明显；3、委托卖房研制、生产，时间进度不可控；314311不选2研制新试验装置1、企业有自主权，依靠小组力量可以实施；2、预计研制周期一年；3、预计能够解决共振问题；4、装置制作、生产、验证成本预计10万元；553417选用3改变产品共振频率1、产品已经定型，更改程序较复杂，很难获得顾客支持；2、本小组成员由试验技术人员和操作人员组成，没能力对设计产品进行332513不选图1解决产品与试验装置共振问题的亲和图降低装置固有频率研制新试验装置提高装置固有频率改变当前试验方法用正弦振动代替用飞行试验代替更新试验设备购置/改造振动台改造控制软件系统更新功率放大器改变产品共振频率改变产品自身结构改变产品质量、质心改变产品材料改变产品安装方式解决产品与试验装置共振问题更改，依靠小组力量不易实施；3、改后产品其安全性不易评估，需要进行大量的试验，其中仅飞行试验一发需要150万元成本；4、进度无法掌握；4改变当前试验方法当前试验方法为总体单位提供，已经经过评审，申请更改复杂，时间进度慢，还需要进行大量的试验验证。预计成本大于30万元。153514不选（四）确定课题研制新型试验装置解决产品与试验装置Z向共振问题三、设定目标（一）设定课题目标目标：消除产品Z向试验中的共振现象。量化目标：试验装置的固有频率1000Hz。（二）目标可行性分析现有试验装置GC6305-12XX振动工装是2004年设计制造的，选用2A12材料焊接。经过2年的振动试验和各项力学环境试验，局部已经发生了脱焊现象，导致其结构强度降低，如果继续使用该试验装置，会对产品造成损坏，增加质量隐患。小组成员对产品进行了测试，其固有频率为680Hz，而现有试验装置固有频率为：827.13Hz，如图2所示，在黄色区域不可避免发生共振。若要消除共振现象，则装置的固有频率必须远离产品固有频率。827.13H1000Hz图2共振现象分析图谱随后，小组成员又对其他振动装置进行了调查，结果见表3。表3现状调查表目标现状统计装置固有频率1000Hz调查了18种振动试验装置，其中有三种满足要求序号试验装置代号固有频率1NXJ36-12xx1070Hz2NXJ36-33xx1500Hz3NXJ36-78xx1674Hz装置固有频率400Hz无无制表人：张兵制表时间：20080802通过以上分析，我们达到目标值是可以实现的。脱焊点脱焊点现有试验装置四、确定昀佳方案（一）对确定方案的分解1、对方案的Ⅰ级分解根据工作经验，从装置的应用来看，可将装置划分为三个单元。（1）确定装置结构表4对现有装置结构的选择产品方向振动台对装置结构的要求1、振动夹具能够昀大限度地模拟产品的真实安装方式。2、尽量做到夹具与产品的组合中心到振动台面昀短距离要求，并且与振动台面同轴。3、加工方便，工艺性好，价格尽可能低，加工周期短。通过以上分析，调查了9种常见装置结构，其中仅有L型、T型、圆筒型、立方体型等四种类型满足要求。制表人：张兵制表时间：20080805我们对四种类型的工装进行了性能比较和小组评价。XYZ1、安装面为水平方向；2、延垂直方向施加振动。1、安装面为侧面安装；2、延Z方向施加振动；3、产品外形不规则，质量不对称，且质量较重方案新型装置研制装置结构装置材料螺栓连接螺钉连接金属材料非金属材料粘接剂连接螺栓连接压板固定粘接剂连接选择已有成熟结构研制新结构安装方式装置与产品的连接装置与振动台的连接一级分解方案提出表5装置结构分析评价表序号类型结构简图特点张兵闫会军王章梅刘宗华葛晓波余毅刘桂岭李波总分结论1L型工装的强度好，同时安装两个产品，但要求工装与产品的组合中心低，即产品的安装位置不易过高，且重量远远小于工装。810998910972可选用2T型与L型类似，要求产品与工装的组合重心低并且与振动台的中心同轴。108978991072可选用3圆筒形圆筒型结构也具有相当高的共振频率，试验产品装入圆筒里面。4211231014不选用4立方体型立方体型主要用于小型产品的振动试验，该类型的工装具有较高的刚度，振动特性好。2112131011不选用制表人：张兵制表时间：20080805通过小组评价，我们得出L型和T型结构都能满足本产品试验。但考虑到产品的质量较重，用L型同时安装两个产品振动，工装和产品的重心会升高，且达到振动台的输出上限，而采用T型结构,装置的强度又会有所减弱。因此，小组决定研制新结构。（2）确定装置材料固有频率计算公式：12nkmω=π式中：ωn·············固有频率m··············质量k···············刚度由于非金属材料的K值金属材料，我们需要装置的固有频率越大越好，因此，我们选用金属材料作为装置材料。（3）确定安装方式a、产品与装置的连接选择表6安装方式方案选择待选方案方案分析结论螺栓固定1、在安装面板上打孔方便，牢固可靠；2、可随时更换螺母。选定压板固定1、在安装面板上攻螺纹孔方便，牢固可靠；2、但长期在紧固容易使螺纹划扣，难以修复；3、安装简便。备选粘接剂固定1、安装简便，但溢出的胶水影响美观；2、强度不足，可能会从振动台面上滑落。不选定制表人：张兵制表时间：20080807b、装置与振动台的连接选择表7安装方式方案选择待选方案方案分析结论螺栓固定1、在底板上打孔方便，牢固可靠；2、安全，能有效传递振动激励。选定压板固定1、安装简便，但振动台面有限，可能无法安装；2、需要多点固定；备选粘接剂固定1、安装简便，但溢出的胶水影响美观；2、强度不足，可能会从振动台面上滑落。不选定制表人：刘宗华制表时间：200808072、对方案的Ⅱ级分解方案新型装置研制装置结构装置材料安装方式装置与产品的连接装置与振动台的连接研制新结构明确结构方案金属材料钢及刚合金螺栓连接确定螺栓规格及数量螺栓连接确定螺栓规格及数量铝及铝合金镁及镁合金铍一级分解二级分解方案提出（1）明确装置结构方案小组成员经过讨论及意见征集，决定各取L型及T型的优点，即采用L型、T型的结合结构来设计新装置，并将新结构命名为：L型的偏心结构。（2）明确材料类型对于材料的选择，小组成员通过振动传递数学模型进行了理论分析，找出了谐振频率和装置材料的关系。Lagrange方程得出结构体有限元振动微分方程：[]{}[]{}[]{}(){}tFxKxCxM=++&&&&（1）没有外载荷情况下，自由振动的解反应结构本身的固有特性，因此有：[]{}[]{}[]{}{}0=++xKxCxM&&&（2）一般阻尼作用很小，可以忽略不计，因此，[]{}[]{}{}0=+xKxM&&（3）令方程的解为：{}{}txωφcos=（4）（4）代入（3）式得[][](){}{}02=−φωMK（5）解方程（5）为广义特征值问题，方程有非零解，只有当其系数矩阵的行列式等于零，因此从方程[][]02=−MKω（6）可知，结果2ω为特征值，有n个值，即1nω、2nω…nnω，ω值取决于振动体的物理特性：刚度矩阵[]K和质量矩阵[]M，因此ω称为固有频率，而{}φ则称为固有振型。从有限元模态分析方法得出振动体的固有频率即谐振频率与其物理特性：刚度和质量有关。对于单自由度的振动体，固有频率计算公式为12nkmω=π，得出振动体的固有频率与其刚度成正比，与质量成反比。根据振动力学数学模型，推算出振动系统传递放大因子Q的计算公式：2214QkCCmm=−（7）从式（7）可知，振动体的传递放大因子Q与振动体的刚度k和阻尼C成反比。要提高振动工装的谐振频率，同时减小共振时传递放大因子，就必须选择刚度大、阻尼大、质量轻的材料，而它们之间的综合因素由材料的杨式模量与密度的比值即比刚度决定。小组成员还对几种常见金属材料进行了调查分析，见表8。表8材料选择分析材料的选择材料杨氏模量E（N/cm2）密度（N/cm2）比刚度（E/）成本加工难易采购难易是否选用铝及铝合金7.0×106（2.5～2.8）×10-2（2.8～2.5）×108较低易易选用钢2.1×107（7～8）×10-2（3～2.6）×108低较易易不选铍3.0×1071.85×10-21.6×109极高难难不选镁5.0×1060.94×10-25.3×108高极难较难不选制表人：张兵制表时间：20080810在综合评定后，小组决定试验装置材料确定为铝及铝合金中的ZL301材料。（3）确定螺栓规格及数量a、产品与装置的连接产品与装置的连接小组拟定用4个M12的螺栓连接，剪切应力计算如下：221⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=dFπτF—剪切力，F＝4mamg+d1－螺栓外径:12得出τ＝1.075，M12螺栓的许用的剪切强度τ1＝565.803MPa;安全系数n＝ττ1，n＝526.33安全系数均满足n＞10（行业标准），说明采用4个M12螺栓连接，能够满足安全要求。b、装置与振动台的连接装置与振动台的连接小组拟采用8个M12螺栓连接，螺纹剪切应力计算和压应力计算如下：()5.11−××=ztdFπτ；()()5.112422−×−××=zddFπσ。F－剪切力，F＝()()821gamm+×+d2螺纹外径:12d1－螺纹小径:10.106m1产品质量：3.2±0.1Kgm2装置质量：15.8Kg(通过建模获得理论值)t－螺距：1.5Z－螺纹连接有效齿数:6。得出：τ＝1.195MPa；σ＝1.73MPa中心常用螺栓材料为40Cr，许用剪切强度τ1＝565.803MPa;许用压力强度：σ1＝980MPa剪切安全系数，n=ττ1,n=473.406；压应力安全系数：