基于故障树分析法的弯曲振子故障定位研究.pdf

21总第150 期声学与电子工程2023年第2 期基于故障树分析法的弯曲振子故障定位研究谢程锋李珑玲朱伟敏高亮（第七一五研究所，杭州，3 10 0 2 3）摘要弯曲振子是弯曲振动压电陶瓷换能器的关键零部件。在换能器生产过程中作为有源器件的弯曲振子容易出现各类不合格情况，影响产品的整体合格率。文章以故障树分析法为基础，深入分析了弯曲振子的生产特点和故障模式，建立了弯曲振子不合格的故障树模型，根据生产情况完成底事件梳理，对故障相关的底事件进行定性分析和定量计算，并以实际生产情况为样本，验证该故障树分析法的有效性，有效提高了弯曲振子故障定位的精确度和可靠性。关键词弯曲振子；压电陶瓷换能器；故障树分析；故障定位；底事件DOI:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.05弯曲振动压电陶瓷换能器结构简单、尺寸小、重量轻，常用作空气超声换能器和水声换能器。某型弯曲振动压电陶瓷换能器因设计需要，将超薄压电元件与金属垫片粘结在一起构成弯曲振子2 。大批量生产时，受限于诸多生产要素影响，弯曲振子存在一定概率的不合格情况。本文对弯曲振子故障进行分析和研究，详细介绍了构建故障树模型、故障分析和故障定位方向导向表，为准确的故障定位和快速的故障处理创造了条件，对提高弯曲振子乃至弯曲振动压电陶瓷换能器的可靠性具有重要意义3 。1构建故障树1.1主要故障模式弯曲振子是由两片相同的压电元件与一件直径稍大的金属件粘接起来，从而构成一个完整的机电振动系统4，如图1所示。其等效电路如图2 所示，图中，Co为静态电容，Ro为静态电阻，为机电转换系数，Rm为机械阻，Mm为等效质量，Cm为等效柔顺系数，Z,为弯曲圆盘换能器的辐射阻抗5。图1弯曲振子结构示意图CmMm1:0Rm美VCo=Ro图2 弯曲振子等效电路示意图压电元件通过串联完成电路联接，弯曲振子电容Co主要由压电元件决定，可按式（1）计算，式中C1、C2 分别为两压电元件电容值。111+(1)C。C,C,弯曲振子谐振频率取决于振子的径厚比、材料性质及边界支撑条件：4Yf=(2)p(1-o)式中，At为边界支撑条件决定的常数，r为支撑周边圆的半径，Y为两种材质的合成杨氏模量，p为两种材质的合成密度，为压电元件的泊松系数。弯曲振子的不合格现象多发于电容超标、谐振超标和元件开裂。由式（1）可知，电容超标常见故障形式包括电容偏低和电容偏高两类；由式（2）可知，谐振超标常见故障形式为结构缺陷；元件开裂常见故障形式是元件裂纹和设备误检。1.2弯曲振子故障树的建立依据故障树理论，结合弯曲振子的主要故障模式，以“弯曲振子不合格”作为顶事件建立弯曲振动压电陶瓷换能器弯曲振子故障树，如图3 所示。图中，Mi-电容超标，M2-谐振超标，M3-元件开裂；Fi-电容偏低，F2-电容偏高，F3-结构缺陷，F4-元件裂纹，Fs-设备误检；E1-元件有效电容偏低，E2-元件有效电容偏高，E3-零部件尺寸超标，E4-元件缺陷，Es-结构件缺陷，Ec-粘接剂缺陷，Er-内应力过大；D1-结构件尺寸偏差。结合实际生产情况，对底事件名称及其排查情况进行确认，如表1所示。22基于故障树分故障定位研究谢程锋等：弯曲振子不合格M1M2M3F3FFF5E2E2E3X2E4E6E7XM3D图3 弯曲振子不合格现象故障树表1底事件名称及其故障相关性代码事件故障相关性X粘接剂过厚无X2粘接剂质量问题无X3元件电容偏低有X4元件电容偏高有X元件尺寸偏差无X6结构件原始尺寸偏差有X7结构件喷砂过多无X：弯曲振子外形缺陷无X设备参数设置不当无X10元件表面不平整无X预应力施加过大有X12元件抗弯强度过低有X13结构件表面缺陷明显无X14结构件双表面不平行无Xis结构件表面过于粗糙有X16粘接剂涂覆不均无X17粘接剂存在大颗粒物无X18温度变化过大导致无X19元件抗张强度过低无由表1可知，与故障相关的底事件主要集中在：X3-元件电容偏低，X4-元件电容偏高，X6-结构件原始尺寸偏差，X1-预应力施加过大，X12-元件抗弯强度过低，X15-结构件表面过于粗糙。2故障分析2.1电容超标因元件电容偏低或偏高导致弯曲振子电容超标。单片压电元件电容要求值为（10 0%10%）W。经统计，单片压电元件的电容值呈现正态分布：1_(x-Mu)2f(x)=e202(3)/2元在单片压电元件检测过程中，其不合格品率不足1%。根据正态分布取值概率原理可知，合格判定依据为Xe(-3o,+3o)，其中=W，10%W，其正态分布曲线如图4所示。图中，3(-,+)概率为6 8.3%；（-2,+2o)概率为9 5.4%;(u-3g,+3g)概率为9 9.7%。0.60.50.40.30.2x)0.10u-30u-20u+ou+20u+3a电容/nF图4压电元件正态分布示意图2.1.1元件电容偏低对照弯曲振子电容要求值，当两片元件电容均小于-2时，将导致弯曲振子电容偏低而超标，其出现的概率为0.0 5%，详见计算过程：99.7%95.5%2=0.05%(4)fJ概率22.1.2元件电容偏高同理，当两片元件电容均大于+2时，将导致弯曲振子电容偏高而超标，出现的概率为0.0 5%，详见计算过程（式4）。经批量生产统计，电容超标所占比例约为0.1%，与理论概率相等。随机抽取电容超标弯曲振子进行单片压电元件的电容测量，发现单片压电元件的电容值均小于-2或大于+2，即组成弯曲振子的两片压电元件电容均相对偏低或偏高是导致弯曲振子电容超标的主要原因。2.2谐振超标在技术参数的公差允许范围内，所制结构件原始尺寸存在一定的差异，致使结构件重量存在不同。根据弯曲振子结构组成，其主要由压电元件23Pao基于故障树分故障定位研究谢程锋等：(PZT-14,p=7.5 g/cm)、结构件(TC4,p=4.51 g/cm)组成，当结构件重量发生变化时，弯曲振子的合成密度也将发生变化。由式（2）可知，当合成密度增大时，谐振频率f下降；当合成密度降低时谐振频率上升。由此致使谐振频率超标。在批量生产期间，某两批次结构件平均重量偏差3.8%，在进行谐振频率测量时，发现两批次结构件装配成弯曲振子的谐振频率存在明显差异，平均谐振频率偏差2.2%，且偏差方向与公式（2）所述规律相同。而无明显重量偏差的同批次结构件所制弯曲振子谐振频率无明显偏差。由此可知，组成弯曲振子的结构件原始尺寸偏差是导致弯曲振子谐振超标的主要原因。2.3元件开裂经批量生产统计，弯曲振子元件开裂比例约为6%，造成较大的经济损失。2.3.1预应力施加过大弯曲振子结构件的压电元件与结构件通过粘接剂实现联接，在联接过程中需对粘接体系施加扭矩为4Nm的预应力，如图5所示。图5弯曲振子预应力施加夹具示意图压杆规格为M120.75（即螺距为0.7 5mm）；基于式（5）可计算出压杆所施加的压力压力16 755.16 N。(5)压力螺距由此可得，弯曲振子压电元件所受压强P=23.70M2.3.2元件抗弯强度过低对弯曲振子的元件进行抗弯强度测量，使用如图6 所示设备进行三点抗弯测试，该方式既可测量元件的断裂载荷，也能记录断裂前的极限形变量，抗弯强度计算见式（6）。式中，F为断裂载荷，1为跨距，b为宽度，h 为厚度。基于所测数据进行统计并计算，得到压电元件抗弯强度信息，见表2。由表可知，弯曲振子压电元件抗弯强度43.43 MPa（室温），断裂形变为0.9 2 mm。图6 压电元件抗弯强度测量示意图3FlR=(6)2bh2表2 压电元件抗弯强度情况表参数断裂载荷断裂形变抗弯强度样本数1616最小值31.05N0.83 mm38.81 MPa最大值39.05N1.02 mm48.81MPa平均值34.74 N0.92 mm43.43 MPa标准偏差2.650.062.3.3结构件表面过于粗糙弯曲振子结构件经喷砂处理后，其表面呈现凹凸不平情况，如图7 所示（50 0 倍显微镜）；在对喷砂表面进行粗糙度测量发现，其表面粗糙度Rz约为15.51m，如图8 所示。图7 弯曲振子结构件喷砂处理后3 D显微图粗精度起伏22.52811.25751371753.0525112269157.75175.271R2.80210.33设盟信息分析参数分折日期2022/9/1314:37:326.3740ml9.138.0ml弹定长度210.328um15.512mRC9.965Mm界眼信um15.512bmlRa3.487:5mlumR4.196R-0.396入fm2.133R63.416l滤波高斯划滤Re66.491mR&8.517bR参教Rp100.000PRd物费x50图8 弯曲振子结构件喷砂处理后表面粗糙度测量示意图（下转第39页）39上接第2 3 页）张涛：过钻杆可信仪器设计主控单元、发送单元、接收单元组成，信号发送与接收复用一个天线，见图6。上释放器下释放器半桥半桥半桥半桥驱动天线驱动MCUMCU上行下行接收接收图6 无线通讯收发电路原理框图3.2室内测试针对井下泥浆环境，在不同介质下，测试无线通讯的性能。测试统计数据见表1。由表中数据可知，无线通讯在空气中性能最好，误码率最低，在其他介质中上传数据小于最大数据量的一半时误码率也很低，当上传数据等于最大数据四分之三和最大数据误码率明显升高。表1每3 0 0 0 组数据成功传输的统计结果单位：包四分之一上传数据时二分之一上传数据时四分之三上传数据时最大数据量上传数据时介质下行数据上行数据下行数据上行数据下行数据上行数据下行数据上行数据空气29922977299229972994298729922981清水29752820299529822722218628162058饱和盐水27962885299529802808246128242374硅油29272844288728252743233028082013注：1包=10 2 4Bvte4结论（1）室内试验表明，通过上下释放短节的可控释放能够实现在高温高压与一定轴向载荷下可靠连接与可控释放。（2）室内试验表明，在模拟介质下误码率明显提升，有待进一步改进。（3）可控释放与无线通信需要实验井的进一步验证。综上所述，压电元件在粘接过程中所受压强（2 3.7 0 M Pa）在其抗弯强度（43.43 MPa）范围内，受粘接剂加温固化影响，压电元件抗弯强度出现下降；压电元件受结构件表面粗糙度影响（15.51m）在其断裂形变（0.9 2 mm）范围内，两者相差较大。由此可知，压电元件开裂非单因素所导致，而是在粘接固化过程中，受预应力、加温、表面粗糙等多种因素影响。3结语弯曲振子是弯曲振动压电陶瓷换能器的重要组成部件，进行故障树分析对弯曲振动压电陶瓷换能器的生产有着重要的意义。通过对弯曲振子不合格现象分析，得出了弯曲振子失效的所有故障模式，并进行了定性、定量分析，分析结果有助于掌握弯参考文献：1苏吴,范荣.存储式测井技术在油田开发中的应用分析J.中国石油石化,2 0 17(10):9 9-10 0.2童茂松,曹字欣,史金安,等。多模式过钻杆测井系统设计与现场应用 C.中国石油学会第2 0 届测井年会，2 0 18.3】曹博凡,刘湘政,张雄辉，等.存储式测井仪器状态监测系统设计 .测井技术,2 0 18,42(3):3 47-3 51.4谭廷栋。测井学 M北京：石油工业出版社,19 9 8.5龚克钰。材料力学 M.北京：科学出版社,19 9 9.曲振子的特性和不合格发生的规律。本文研究内容对弯曲振子不合格问题处理及问题归零有一定的参考作用。今后，将继续针对弯曲振子在加温固化过程中的力学监测进行研究和分析。参考文献：1栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵（上 M.北京：北京大学出版社，19 9 0.2谢程锋,陈卫华,杨硕，等.无损检测技术在压电元件裂纹检测上的应用研究 J声学与电子工程，2 0 2 0(0 2):51-53.3赵博,吴凤林,任家俊,等。高速动车组列车齿轮箱的故障树分析与仿真 .机械设计与制造,2 0 18(0 1):148-151.4】杨硕,谢程锋,何召召基于涡流检测的压电元件裂纹自动检测系统 J.新技术新工艺，2 0 2 2(0 4):7 1-7 5.5储雨芬,辛风歌.组合式弯曲圆盘换能器仿真研究 .声学与电子工程,2 0 2 1(0 1):3 5-3 8.