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爆破振动对精密仪器、设备的安全判据

爆破振动精密仪器、设备的安全判据

爆破安全规程》GB6722—2003)中,对于爆破振动安全允许标准只列出了地面建筑物、水工隧道、交通隧道、矿山隧道、电站(厂)中心控制室设备、新浇大体积混凝土等共九项的标准。那么,对于其他的精密仪器、设备的安全判据又是如何规定的?为此,我们选择了广泛应用于各种控制、通信和信息处理系统中的计算机为代表,它的可靠运行将直接影响大量民用和军用设施的正常运转。而计算机抗振最为薄弱的环节是硬盘驱动器。硬盘驱动器中对外界冲击和振动最敏感的又是头盘系统,头盘系统一旦发生碰撞就有可能导致破坏。

1研究内容

(1)通过硬盘驱动器振动台试验,建立了不同加速度输入和频率对硬盘传输速率影响的关系曲线以及硬盘驱动器失效阈值的关系曲线。

(2)分析了在爆破振动作用下,硬盘驱动器的失效阈值

2硬盘驱动器的结构和工作原理

1)硬盘驱动器的结构

硬盘驱动器是一个非常精密的机电设备,它是个黑色或银白色长方形密闭的金属盒子,由一片电路板及电子零部件所组成,其内部结构如图7-1所示

图7-1硬盘驱动器的内部结构

图7-1硬盘驱动器的内部结构

2)硬盘驱动器的工作原理

图7-2为硬盘驱动器的一般工作原理图。硬磁盘存储器的存储介质是表面涂敷一层磁性材料的金属圆片。工作时,盘片高速旋转,磁头悬浮在盘面上。对盘面上的全部磁道从外缘向圆心方向编号,自0号起至N号,形成磁道号。

图7-2硬盘驱动器工作原理图

图7-2硬盘驱动器工作原理图

磁头是前面开有窄缝的环状铁芯,铁芯上绕着读写线圈。工作过程从査找操作开始,驱动机构根据地址把磁头移动到目标磁道上,等待有关区段转到磁头下,然后进行读或写的操作若是写操作,则把被写入的二进制代码经编码电路变换成相应的电流信号,送到磁头线圈,磁化盘片表面磁层,在磁道上形成一串细小的磁化单元。读出时,磁道上事先记录的磁化单元高速掠过磁头,在磁头线圈中感应出电压信号,经放大、鉴别和整形后,还原成数字信息输出为了保证磁头对盘面记录信号的敏感性,磁头与盘面的间隙变得很小,一般在30~50nm之间。为使磁头能准确定位于盘面的某一磁道,伺服机构必须能控制磁头精确地移动,任何对硬盘驱动器的扰动都会引起磁头定位的偏差,偏差大到一定值后会造成磁头不能准确定位,造

成读/写失效,甚至引起硬盘物理损坏。

3硬盘驱动器的振动台试验

1)振动台的结构及技术指标

试验在中国运载火箭技术研究院振动试验室进行,所用的振动台为中国航天科技集团公司第一研究院第702研究所研制的电动振动台。其外貌照片见图7-3。它是一种工作频率宽、失真小额定正弦推力为3.5kN的电动振动发生装置,其工作频率范围为5~4000Hz,可以进行正弦和随机振动试验,与输出功率3kVA的功率放大器配套使用。

2107型电动振动台技术指标见表7-1

图7-3振动台外貌照片

图7-3振动台外貌照片

2107型电动振动台技术指标 表-7

2107型电动振动台技术指标 表-7

续上表

续上表

2)振动台试验系统布置整个试验包括三组测试系统。

(1)振动输入系统包括控制开关、功率放大器和电动振动台。

(2)振动监测输入系统或数据采集系统包括传感器、前置放大器、示波器、电平记录仪、电压表或数据采集仪。

(3)硬盘状态监测系统

包括待测试硬盘、计算机主机和显示器试验时,首先在一定的频率下,由控制开关输入低幅值的正弦波,经功率放大器输入给电动振动台,电动振动台给出定频下的激励量级,使得台面产生相应的振动,从而带动固定于台面上的硬盘驱动器振动,同时使硬盘状态监测系统处于检测硬盘驱动器状态。按照一定值逐渐增加频率和幅值,完成以上的工作,直至硬盘驱动器失效,记录失效的量值。振动输人监测系统主要监测振动台台面的激励量级是否符合所要求的值,以便控制开关输入信号的准确性。试验测试系统工作原理见图7-4。

图7-4试验测试系统工作原理图

图7-4试验测试系统工作原理图

3)正弦振动试验结果与分析

振动台试验分为正弦振动试验和随机振动试验。前者适合于试件的最初分析阶段,后者更接近于爆破振动状态,适用于最终检验。传输速卒是单位时间内传输的数据量,其单位为B/s,表示每秒传输的字节(Byte)数,是衡量计算机性能的一个重要指标。硬盘是面向字节的外存储设备,在振动作用下其磁头的读取速度将受到影响。振动对硬盘驱动器传输速率的影响直接反映了硬盘驱动器的良好状态。

(1)频率对传输速率的影响

试验结果表明,在输入相同加速度值而频率不同的情况下,频率对传输速率的影响不同,在频率较低时,对传输速率的影响较小,随着频率的增加,影响逐渐增大,在30Hz附近,其影响达到最大,传输速率几乎为零,也就是使硬盘不能进行读/写操作,再逐渐增加频率,影响又逐渐减小。在输入加速度值为4g时,频率对传输速率的影响见表7-2。图75为对三组数据的拟合曲线。在非振动状态下硬盘驱动器的传输速率为0.85MB/s

频率对传输速率影响的试验结果(a=4g) 表7-2

频率对传输速率影响的试验结果(a=4g) 表7-2

(2)加速度对传输速率的影响

在频率一定的情况下,随着输入加速度值的增加,振动对硬盘驱动器传输速率的影响也逐渐增加,即振动加速度越大,传输速率越小,当加速度为4g(相当于39m/s2)时,传输速率仅为0.16~0.18MB/s。故以加速度为4g作为硬盘驱动器的安全允许标准是可行的。试验结果见表7-3。图7-6为对试验数据的拟合曲线

加速度对传输速率影响的试验结果 表7-3

加速度对传输速率影响的试验结果 表7-3

图7-5频率对传输速率影响曲线图(a=4g)

图7-5频率对传输速率影响曲线图(a=4g)

图7-6加速度对传输速率的影响曲线

图7-6加速度对传输速率的影响曲线

4)随机振动试验结果与分析

随机振动试验有多种,本研究选用宽带随机加正弦定额试验。随机振动试验测试布置如图7-7所示。根据随机振动试验标准,结合爆破振动频谱分布特征以及定频试验结果,确定了试验输入参考谱形,试验频率范围确定为10~120Hz。

图7-8为硬盘加速度响应的功率谱曲线。由图7-8可见,硬盘加速度响应的功率谱曲线大体上和输入的谱曲线是一致的。在30~50Hz之间出现了较大峰值,说明其主频率范围为30~50Hz,而且该范围内积蓄了大量振动能量,这和定频试验结果基本上是一致的,因此所建立的硬盘加速度输入谱形是比较合理的,可以用于硬盘随机振动试验的可靠性检验。

图7-7随机振动试验测试布置

图7-7随机振动试验测试布置

图7-8加速度响应的功率谱曲线

图7-8加速度响应的功率谱曲线

4爆破振动作用下硬盘驱动器的振动安全性分析

在爆破振动作用下,硬盘驱动器工作失效包括三种形式:结构完整性破坏、工艺故障和功能性失效。由于在硬盘驱动器的设计中都要考虑其抗振动冋题,而且就爆破振动的强度来说,造成硬盘驱动器结构完整性破坏的可能性很小。工艺故障主要是指硬盘驱动器由于设计、制造和装配的不合理或有缺陷而引起的失效。其失效的原因主要是在爆破振动的作用下,激活了这些工艺缺陷、加剧了其发展或产生了应力集中。如果硬盘驱动器在设计、制造和装配上不存在明显的这些工艺缺陷,那么其发生工艺故障的概率也是很小的。功能性失效一般是指硬盘驱动器在工作时出现读/写错误。如果爆破振动达到一定强度,将必然引起硬盘驱动器的功能性失效。所以,分析硬盘驱动器在爆破振动作用下的工作安全性,主要考虑的是其功能性失效问题

1)硬盘驱动器工作失效的爆破振动试验验证

文献匚145用某型号一次引爆FAE战斗部对在现场近地表布置的计算机内的硬盘进行了工作失效的试验验证。硬盘使用某 Winchester型硬盘,主轴转速为5400r/min。装药质量5.5kg左右,起爆中心离地面1m,在距起爆中心20m处布置计算机硬盘和测试系统,测试点在地下距地表1.35m。硬盘固定于机箱内,机箱浮放在与地相连的工作台上。分别测试了机箱、工作台和测试点当地的振动速度,取得测试数据后对曲线进行微分即可得到加速度。现场试验系统布置如图7-9所示。

图7-9试验系统布置示意图(尺寸单位:m)

图7-9试验系统布置示意图(尺寸单位:m)

试验场地为开阔沙土场地,沙土地层的密度为1520kg/m3,纵波波速为270m/s。用FAE战斗部进行4发试验,结果4发中威力最大的一发引起了计算机硬盘读盘失败,另外一发引起了计算机断电,其余2发均引起计算机硬盘读盘时间加长。测试结果见表7-4。

现场试验结果表7-4

现场试验结果表7-4

由试验结果可知爆破振动完全可以造成计算机硬盘工作状态的失效。爆破地震波与规则的正弦激励对计算机硬盘的影响极为相似,即在接近或达到引起硬盘读写失效的振动临界值时,硬盘会出现读盘时间加长的现象,达到临界值后,硬盘读盘失败。其次,计算机硬盘对爆破振动的响应其主要频率分量一般为几十赫兹,在此频率区间实际引起读盘失败的振动强度比在正弦激励引起硬盘读盘失败的振动强度要大,主要原因是爆破振动具有冲击效应,其强度达到峰值时的有效作用持续时间很短,因此如果振动强度增大,有效作用持续时间也相应地增大,那么更易造成硬盘工作失效。对于实时性要求很高的一些系统来说,即便硬盘没有出现读盘失败,但读盘时间的加长同样会引起系统故障,使整个系统的效率大为降低。试验中发现的爆破振动引起计算机断电现象虽然不能确定具体是由哪个失灵引起的,但这说明整个计算机所组成系统的可靠性具有不确定性的特点,计算机各部件有许多焊点、电接触点,在某种情况下,它们可能短时失灵,因此这是一个小概率事件。

2)硬盘失效临界值的试验结果分析在研究爆破振动对硬盘驱动器工作失效的问题时,都以单次爆破振动作用为前提。所谓单次爆破振动作用,在这里指的是:爆破事件之间的间隔时间大于硬盘驱动器完成一次读/写的时间,各爆破事件对硬盘驱动器的作用不产生相互的叠加和影响。所以,硬盘驱动器对各爆破事件的振动响应只按一次爆破事件来考虑。经过对试验数据进行处理后的失效临界值曲线见图7-10所示。

图7-10硬盘工作状态下失效临界值的曲线图

图7-10硬盘工作状态下失效临界值的曲线图

由试验数据和图710可以看出,在不同的频率下,引起硬盘工作失效的振动强度不同。事实上,硬盘读/写的实现靠机、电、磁等机构协同工作,它们各自的性能不一样,且相互影响。具体来说,硬盘驱动器中磁盘和取数臂的振动模态不一样,但它们之间的相互位置决定了磁头与盘面之间的头盘间隙和磁道定位的准确,而头盘间隙和磁道定位的准确性是硬盘驱动器最重要的参数,因此,驱动器中各机构振动模态的不同使其在不同振动频率下的响应也不同,在某一频率下,它们之间响应的叠加可能达到最大值,所以此频率下硬盘工作也就最不稳定,最容易引起工作失效。试验表明,在30Hz附近,硬盘的振动响应最为敏感,也就是说,其共振频率在30Hz附近。在试验频率范围内,硬盘工作失效的临界振动加速度在40~160m/s2之间即约为4~16个重力加速度

5结论

1)硬盘驱动器的振动台试验结果表明:

①在输入相同加速度值而频率不同的情况下,频率对传输速率的影响不同,在频率较低时,对传输速率的影响较小,随着频率的增加,影响逐渐增大,在30Hz附近,其影响达到最大传输速率几乎为零,也就是使硬盘不能进行读/写操作,再逐渐增加频率,影响又逐渐减小;

②在频率一定的情况下,随着输入加速度值的增加,振动对硬盘驱动器传输速率的影响也逐渐增加,即振动加速度越大,传输速率越小,近似呈直线形式衰减

(2)在爆破振动作用下,引起硬盘工作失效的振动强度不同。试验表明,在30Hz附近,硬盘的振动响应最为敏感,也就是说,其共振频率在30Hz附近。在试验频率范围内,硬盘工作失效的临界振动加速度在40~160m/s2之间,即约为4~16个重力加速度。

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