電子設(shè)備的隔振技術(shù)及減振器選型.doc

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電子設(shè)備的隔振技術(shù)及減振器選型 1、概述 電子設(shè)備受到的機(jī)械力的形式有多種，其中危害最大的是振動和沖擊，它們引起的故障約占80%。它們造成的破壞主要有兩種形式，其一是強(qiáng)度破壞：設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終振動加速度所引起的應(yīng)力超過設(shè)備所能承受的極限強(qiáng)度而破壞；或者由于沖擊所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力超過設(shè)備的極限強(qiáng)度而破壞。其二是疲勞破壞：振動或沖擊引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度，但由于長時間振動或多次沖擊而產(chǎn)生的應(yīng)力超過其疲勞極限，使材料發(fā)生疲勞損壞。系統(tǒng)的振動特性受三個參數(shù)的影響，即質(zhì)量、剛度和阻尼。對于電子設(shè)備的振動和沖擊隔離來說，隔振系統(tǒng)的質(zhì)量一般是指電子設(shè)備的質(zhì)量，而剛度和阻尼則由設(shè)備的支撐裝置提供。在機(jī)械環(huán)境的作用下，尤其是在艦船、坦克、越野車輛、飛機(jī)等運載工具中，設(shè)備及其內(nèi)部的電子器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等都難以承受振動沖擊的干擾。 表1 各種運載工具振動、沖擊和離心加速度參數(shù) 單位：g9.8m/s2 為了減少或防止振動與沖擊對電子設(shè)備的影響，通常采取兩種措施：a) 通過材料選用和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強(qiáng)設(shè)備及元器件的耐振動耐沖擊能力；b) 在設(shè)備或元器件上安裝減振器，通過隔離振動與沖擊，有效地減少振動與沖擊對電子設(shè)備的影響。 2、 隔振技術(shù) 2.1隔振 隔振就是通過在設(shè)備或器件上安裝減振裝置，隔離或減少它們與外界間的機(jī)械振動傳遞。 在電子設(shè)備與基礎(chǔ)之間安裝彈性支承即減振器，以減少基礎(chǔ)的振動對電子設(shè)備的影響程度，使電子設(shè)備能正常工作或不受損壞；這種對電子設(shè)備采取隔離的措施，稱為被動隔振。一般情況下，儀器及精密設(shè)備的隔振都是被動隔振。 被動隔振系數(shù)： 振動來自基礎(chǔ)，其運動用U=Uosin(ωt)表示，也是周期振動。被動隔振也可用隔振系數(shù)η表示其隔振效果，它的含義是被隔離的物體振幅與基礎(chǔ)振幅之比（或是振動速度幅值、加速度幅值的比值），可用下式計算： η＝xO/ UO =｛［１＋４ξ2（f／fo）２］／［１－（f／fo）２］２＋４ξ2（f／fo）２｝０．５ （1） 式中 xO——物體的垂向振幅(m)； UO——基礎(chǔ)的垂向振幅(m)。 式中　　f――振動力的頻率（ＨＺ）； 　　　　fo――隔振系統(tǒng)的固有頻率（ＨＺ）； 　　　　k――隔振器的剛度（Ｎ／m）； 　　　　m――物體的質(zhì)量（kg）； g——重力加速度（ 9.8m/s2）； ξ——減振器的阻尼比（橡膠減振器的阻尼比為0.02~0.15）。 從η的表達(dá)式可以看出，隔振系數(shù)η與頻率比（f／fo）及阻尼比ξ有關(guān)。 當(dāng)f／fo ＜＜1時，隔振系數(shù)η=1。此時振動力變化緩慢，且其幾乎等值傳遞到基礎(chǔ)上。 當(dāng) f／fo =1時，隔振系數(shù)η為最大，振動力有放大現(xiàn)象，此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)；η值隨ξ增大而減小，所以，對于啟、停頻繁的設(shè)備，為防止設(shè)備在啟動或停機(jī)過程中經(jīng)過共振區(qū)域時產(chǎn)生過大的共振，減振器選用時應(yīng)考慮阻尼大一些的。 當(dāng)f／fo =時，隔振系數(shù)η=1，振動力等值傳遞，此時系統(tǒng)無隔振效果； 當(dāng)f／fo＞時，隔振系數(shù)η＜1，振動力減值傳遞，此時系統(tǒng)有隔振效果。 因此，要使隔振系統(tǒng)有效果，必須使η＜1，即必須使頻率比f／fo＞。在電子設(shè)備的減振設(shè)計中一般取頻率比f／fo為2.5~4.5，也就是說要獲得滿意的隔振效果，應(yīng)該使隔振支承系統(tǒng)的固有頻率為振動力頻率的1/2.5~1/4.5。 阻尼在共振區(qū)內(nèi)，阻尼可以抑制傳遞率的幅值，使物體的振幅不至于過大；在非共振區(qū)，阻尼反而使傳遞率增大。 因此，隔振應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下幾點： 當(dāng)f／fo ≈1時，發(fā)生共振，應(yīng)力求避免； 不論阻尼大小，只有f／fo＞，才有隔振效果； 一般情況下，建議把頻率比f／fo取為2.5~4.5。 隔振系統(tǒng)中控制振動及其傳遞主要有三個基本因素：隔振器的剛度k、被隔離物體質(zhì)量m及系統(tǒng)支承即隔振器的阻尼比ξ。它們各自的影響簡述如下： ①剛度k——隔振器的剛度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。因為： 　　　　　 f０=(k/m)0.5/2π　　　　　　 (2) k越大，f０越大，f／fo越小，η就越大（在隔振區(qū)）隔振效果差； k越小，f０越小，f／fo越大，η就越?。ㄔ诟粽駞^(qū)）隔振效果好。 因此，就隔振而言，剛度k應(yīng)盡可能??；必須指出的是，過小的剛度k可能無法承受質(zhì)量m，就像一個重物將一根彈簧壓扁了，無法起到隔振作用，對于一個設(shè)計正確的隔振系統(tǒng)，支承的剛度計算既要考慮隔振效果的實現(xiàn)，同時還要兼顧其承載能力。 ②質(zhì)量m——被隔離物體的質(zhì)量m使支承系統(tǒng)保持相對靜止，物體質(zhì)量越大，在確定振動力的作用下物體振動越小。同樣從式(2)看出，m越大，則f０越小，在隔振區(qū)η就越小，隔振效果好。增大質(zhì)量還包括增大隔振底座的面積，以增大物體的慣性矩，可減小物體的搖晃，但質(zhì)量往往是確定的，增加是有限的。 　?、圩枘岜圈巍粽裣到y(tǒng)的支承阻尼有以下的作用：在共振區(qū)減小共振峰值，抑制共振振幅；但是，在隔振區(qū)，隨著ξ的增大，η也變大，隔振效果變差。因此阻尼的作用有利也有弊，設(shè)計時應(yīng)特別注意。 2.2隔沖 沖擊是一種急劇的瞬間作用。例如飛機(jī)的起飛和著陸，火車、汽車的啟動與停車，物體的起吊與跌落等都能產(chǎn)生較大的沖擊。在沖擊發(fā)生時，雖然時間相當(dāng)短，但作用十分強(qiáng)烈。沖擊作用下，電子設(shè)備的零部件的沖擊應(yīng)力超過其最大允許值時將導(dǎo)致設(shè)備損壞，有時也會因多次沖擊作用形成疲勞積累，使設(shè)備發(fā)生疲勞破壞。因此，對沖擊的作用也必須進(jìn)行隔離。 由能量定理可知：當(dāng)外來沖擊能量一定時，若沖擊力作用的時間愈長則設(shè)備所受的沖擊力愈力小，沖擊加速度也愈小。因此若能延長沖擊力作用的接觸時間，就可減輕電子設(shè)備所受沖擊作用的影響。 電子設(shè)備大都屬于被動隔沖，在支撐基座與電子設(shè)備之間裝一減振器進(jìn)行沖擊隔離，當(dāng)外界沖擊力作用在支撐基座上時，由于減振器中的彈性元件和阻尼元件產(chǎn)生變形，吸收能量并延長沖擊力作用的接觸時間，使傳遞給設(shè)備的沖擊力減小了很多，達(dá)到緩沖的目的。減振器的剛度越小，阻尼越大，則沖擊力的作用接角時間愈長，減振器的變形愈大，設(shè)備受到的沖擊力也就愈小，緩沖的效果愈好。 2.3機(jī)柜背部隔振器設(shè)計思路 當(dāng)設(shè)備機(jī)柜的高度較高時(一般在1．2米以上)，就要考慮在機(jī)桓背部上方加裝背部隔振器來減小設(shè)備機(jī)柜的搖晃。背部隔振器的垂向剛度應(yīng)趨于零，如無法滿足時，應(yīng)不高于底部隔振器垂向剛度的0．1倍。 3減振器選用原則 (1)使用條件 振源性質(zhì)：電子設(shè)備使用時所承受到的振動、沖擊類型、強(qiáng)度、頻率等，從而決定了以隔振為主還是緩沖為主；一般情況下艦用、車用設(shè)備以緩沖為主，飛機(jī)載設(shè)備以減振為主。 原環(huán)境條件：因橡膠減振器有一定的使用溫度范圍，過冷會硬化，過熱則軟化，大多數(shù)橡膠減振器遇油及光照易老化，當(dāng)溫度范圍超出0~80℃或存在油類介質(zhì)或光照條件下不宜使用橡膠減振器。 外形尺寸：了解設(shè)備的外形、重心位置特別是可以供安置減振器的空間大小，將為選用減振器的類型、數(shù)量提供尺寸依據(jù)。 耐振抗沖能力：設(shè)備內(nèi)的元器件的耐振抗沖能力的強(qiáng)弱，決定了設(shè)備允許承受的最大振幅和加速度，也就決定了整個隔振緩沖系統(tǒng)的隔振系數(shù)的大小，是選用減振器的主要依據(jù)。 （2）參數(shù)條件 減振器的主要參數(shù)包括阻尼比、剛度（或頻率）、額定負(fù)荷等。 阻尼比ξ：從減振原理分析看出，阻尼的作用是控制和減少共振振幅，由于設(shè)備起動與停止要都要經(jīng)過（γ=1）共振區(qū)，盡管時間很短，但系統(tǒng)阻尼過小時也會產(chǎn)生較大振動。雖然在隔振區(qū)阻尼比越小隔振效果越好，但這僅對激振頻率為單一頻率才適合。當(dāng)振源較復(fù)雜，有多種頻率時，必須從多方面防止共振，阻尼比夜鶯適當(dāng)選大一些。從緩沖的角度講，選用較大的阻尼比也是有利的，綜合考慮，減振緩沖系統(tǒng)以選用較大的阻尼比為宜。 剛度k：剛度是減振器的最主要參數(shù)，就減振而言，剛度的大小可由隔振效果要求，通過計算出固有頻率而求得，選用的減振器的剛度只要等于或小于計算剛度，就能保證隔振效果的實現(xiàn)； 額定負(fù)荷W：各種類型的減振器的額定負(fù)荷都不同，所選減振器的負(fù)荷大小主要根據(jù)設(shè)備重量、重心位置、減振器安裝數(shù)量來決定，要求所選減振器額定負(fù)荷應(yīng)大于實際承載。 4、 常用減震器選型 減振器的作用是隔離或減小振動及沖擊對設(shè)備及元件的影響，通過其材料、結(jié)構(gòu)的特點，吸收振動、沖擊的能量并緩慢地釋放，達(dá)到減振緩沖的目的。 4.1橡膠型減振器 橡膠減震器的特點是在于他的外形能按需要設(shè)計、剛度可調(diào)、提供比彈簧更大的阻尼比、抗剪、抗拉、抗壓、安裝更簡單。他的缺點在于固有頻率較高，使用壽命較短，使用環(huán)境受限多，一般使用環(huán)境溫度應(yīng)控制在-30-70攝氏度之間，一些有化學(xué)腐蝕環(huán)境應(yīng)選擇合適材質(zhì)的橡膠減震器才能使用。 (1)常用E、EA型減振器技術(shù)參數(shù)： 圖1 E\EA型減振器技術(shù)參數(shù) （2）DD型橡膠減振器技術(shù)參數(shù)： 圖2 DD型橡膠減振器技術(shù)參數(shù) 4.2金屬彈簧減振器 金屬彈簧減振器用彈簧鋼板或鋼絲繞制面成。常見的有圓柱形彈簧、圓錐形彈簧及板簧等。這種減振器的優(yōu)點是：對環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，適用于惡劣環(huán)境，如高溫、高寒、油污等；工作性能穩(wěn)定，不易老化；剛度變化范圍寬，可以制作很軟，也可很硬。其缺點是阻尼比很小（ξ≤0.005），共振時很危險。因此必要時還應(yīng)另加阻尼器。這種減振器的固有頻率較高，通常用于載荷大、外激頻率較高及有沖擊的情況。 水平剛度低，易晃動，不易于精密設(shè)備的隔振。 4.3阻尼隔振材料 4.3.1自由阻尼結(jié)構(gòu) 將阻尼材料覆蓋（粘貼或噴涂）在需要減振的結(jié)構(gòu)物表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形時，阻尼材料能將機(jī)械振動或聲振動轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟?。由于覆蓋在結(jié)構(gòu)物上的阻尼材料層面無約束，故稱為自由阻尼層或自由阻尼結(jié)構(gòu)。被覆蓋的結(jié)構(gòu)物稱為基層，阻尼層可以是單面或雙面。 4.3.2約束阻尼結(jié)構(gòu) 在自由阻尼層面上再覆蓋一層材料，就構(gòu)成約束阻尼結(jié)構(gòu)，而這一覆蓋層稱為約束層。根據(jù)需要也可作成多層，基層與約束層統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)層，它為阻尼結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度，阻尼層則吸收能量。 4.3.3其它阻尼隔振材料 近年來隔振墊已被應(yīng)用于產(chǎn)品的減振緩沖。隔振墊是由具有彈性的材料制成的一種沒有確定形狀尺寸的軟墊，如專用橡膠隔振墊，這種隔振墊具有特久的高彈性，隔振、緩沖性能良好；為滿足不同要求其尺寸和形狀自由選擇；具有一定的阻尼性能，可吸收機(jī)械能特別是對高頻振動能量的吸收效果好；橡膠同金屬表面能實現(xiàn)牢固粘接，易于安裝與制造；與其它減振器比，具有價格低廉等優(yōu)點，目前被動廣泛用于產(chǎn)品的隔振緩沖。 在設(shè)計機(jī)箱及零部件時，盡量選用高阻尼結(jié)構(gòu)材料，如鋁、鋁鎂合金，而鋼和銅的阻尼比小于鋁，不應(yīng)作為首選材料。也可以考慮選擇高阻尼的結(jié)構(gòu)型式，各種結(jié)構(gòu)型式的阻尼比依次為：鑄造、鉚接、螺接、焊接、整體金屬。 (1)ZT型阻尼彈簧減振器（上海青浦振新減振器廠） ZT型阻尼彈簧減振器（又稱預(yù)應(yīng)力彈簧減振器）具有鋼彈簧減振器的低頻率和阻尼大的雙重優(yōu)點，消除鋼彈簧固有的共振振幅現(xiàn)象。該系列產(chǎn)品共29種規(guī)格，其中單只荷載15kg-4800kg各類荷載所應(yīng)對的固有頻率1.6Hz-4.9Hz，阻尼比0.065。該系列減振器荷載范圍廣，便于用戶選擇，固有頻率低，隔振效果好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸較小，安裝更換方便，使用安全可靠，工作壽命長，對工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。對積極隔振、消極隔振、沖擊振動和固體傳聲的隔離均有明顯的效果。是隔離振動降低噪聲、治理振動公害、保護(hù)環(huán)境的理想減振器。 ZT型阻尼彈簧減振器根據(jù)安裝方式不同可分為三種：1、ZT型減振器上下座面有防滑橡膠墊，對于干擾力較小的動力設(shè)備，可直接將ZT型減振器置放于設(shè)備的機(jī)座下，可任意移動調(diào)節(jié)重心，勿需固定。2、ZT-I型為上部固定型。3、ZT-Ⅱ型為上下均可固定，以適合各種安裝需要。 圖3 ZT型阻尼彈簧減振器技術(shù)參數(shù) 參考文獻(xiàn)： [1]邱成悌 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 [2]劉棟 金屬絲阻尼減振器在電子設(shè)備隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用 [3]宋立輝 車載電子設(shè)備振動分析與控制 對合組合碟簧變形量的計算: pc=4E/1-u2t3h0/k1D2k42=