1、电子设备的隔振技术及减振器选型 1、概述电子设备受到的机械力的形式有多种,其中危害最大的是振动和冲击,它们引起的故障约占80%。它们导致的破坏重要有两种形式,其一是强度破坏:设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振,最终振动加速度所引起的应力超过设备所能承受的极限强度而破坏;或者由于冲击所产生的冲击应力超过设备的极限强度而破坏。其二是疲劳破坏:振动或冲击引起的应力虽远低于材料的强度,但由于长时间振动或多次冲击而产生的应力超过其疲劳极限,使材料发生疲劳损坏。系统的振动特性受三个参数的影响,即质量、刚度和阻尼。对于电子设备的振动和冲击隔离来说,隔振系统的质量一般是指电子设备的质量,而刚度和阻尼则由设
2、备的支撑装置提供。在机械环境的作用下,特别是在舰船、坦克、越野车辆、飞机等运载工具中,设备及其内部的电子器件、机械结构等都难以承受振动冲击的干扰。表1 各种运载工具振动、冲击和离心加速度参数单位:g9.8m/s2 为了减少或防止振动与冲击对电子设备的影响,通常采用两种措施:a) 通过材料选用和合理的结构设计,增强设备及元器件的耐振动耐冲击能力;b) 在设备或元器件上安装减振器,通过隔离振动与冲击,有效地减少振动与冲击对电子设备的影响。2、 隔振技术2.1隔振 隔振就是通过在设备或器件上安装减振装置,隔离或减少它们与外界间的机械振动传递。 在电子设备与基础之间安装弹性支承即减振器,以减少基础的振
3、动对电子设备的影响限度,使电子设备能正常工作或不受损坏;这种对电子设备采用隔离的措施,称为被动隔振。一般情况下,仪器及精密设备的隔振都是被动隔振。 被动隔振系数: 振动来自基础,其运动用U=Uosin(t)表达,也是周期振动。被动隔振也可用隔振系数表达其隔振效果,它的含义是被隔离的物体振幅与基础振幅之比(或是振动速度幅值、加速度幅值的比值),可用下式计算: xO/ UO=2(ffo)(ffo)2(ffo) (1) 式中 xO物体的垂向振幅(m); UO基础的垂向振幅(m)。式中f振动力的频率();fo隔振系统的固有频率();k隔振器的刚度(m);m物体的质量(kg); g重力加速度( 9.8m
4、/s2); 减振器的阻尼比(橡胶减振器的阻尼比为0.020.15)。 从的表达式可以看出,隔振系数与频率比(ffo)及阻尼比有关。 当ffo 1时,隔振系数=1。此时振动力变化缓慢,且其几乎等值传递到基础上。 当 ffo =1时,隔振系数为最大,振动力有放大现象,此时系统处在共振状态;值随增大而减小,所以,对于启、停频繁的设备,为防止设备在启动或停机过程中通过共振区域时产生过大的共振,减振器选用时应考虑阻尼大一些的。 当ffo =时,隔振系数=1,振动力等值传递,此时系统无隔振效果; 当ffo时,隔振系数1,振动力减值传递,此时系统有隔振效果。 因此,要使隔振系统有效果,必须使1,即必须使频率
5、比ffo。在电子设备的减振设计中一般取频率比ffo为2.54.5,也就是说要获得满意的隔振效果,应当使隔振支承系统的固有频率为振动力频率的1/2.51/4.5。 阻尼在共振区内,阻尼可以克制传递率的幅值,使物体的振幅不至于过大;在非共振区,阻尼反而使传递率增大。 因此,隔振应强调以下几点: 当ffo 1时,发生共振,应力求避免; 不管阻尼大小,只有ffo,才有隔振效果; 一般情况下,建议把频率比ffo取为2.54.5。 隔振系统中控制振动及其传递重要有三个基本因素:隔振器的刚度k、被隔离物体质量m及系统支承即隔振器的阻尼比。它们各自的影响简述如下: 刚度k隔振器的刚度越大,隔振效果越差,反之隔
6、振效果越好。由于: f=(k/m)0.5/2 (2) k越大,f越大,ffo越小,就越大(在隔振区)隔振效果差; k越小,f越小,ffo越大,就越小(在隔振区)隔振效果好。 因此,就隔振而言,刚度k应尽也许小;必须指出的是,过小的刚度k也许无法承受质量m,就像一个重物将一根弹簧压扁了,无法起到隔振作用,对于一个设计对的的隔振系统,支承的刚度计算既要考虑隔振效果的实现,同时还要兼顾其承载能力。 质量m被隔离物体的质量m使支承系统保持相对静止,物体质量越大,在拟定振动力的作用下物体振动越小。同样从式(2)看出,m越大,则f越小,在隔振区就越小,隔振效果好。增大质量还涉及增大隔振底座的面积,以增大物
7、体的惯性矩,可减小物体的摇摆,但质量往往是拟定的,增长是有限的。阻尼比隔振系统的支承阻尼有以下的作用:在共振区减小共振峰值,克制共振振幅;但是,在隔振区,随着的增大,也变大,隔振效果变差。因此阻尼的作用有利也有弊,设计时应特别注意。2.2隔冲 冲击是一种急剧的瞬间作用。例如飞机的起飞和着陆,火车、汽车的启动与停车,物体的起吊与跌落等都能产生较大的冲击。在冲击发生时,虽然时间相称短,但作用十分强烈。冲击作用下,电子设备的零部件的冲击应力超过其最大允许值时将导致设备损坏,有时也会因多次冲击作用形成疲劳积累,使设备发生疲劳破坏。因此,对冲击的作用也必须进行隔离。 由能量定理可知:当外来冲击能量一定期
8、,若冲击力作用的时间愈长则设备所受的冲击力愈力小,冲击加速度也愈小。因此若能延长冲击力作用的接触时间,就可减轻电子设备所受冲击作用的影响。 电子设备大都属于被动隔冲,在支撑基座与电子设备之间装一减振器进行冲击隔离,当外界冲击力作用在支撑基座上时,由于减振器中的弹性元件和阻尼元件产生变形,吸取能量并延长冲击力作用的接触时间,使传递给设备的冲击力减小了很多,达成缓冲的目的。减振器的刚度越小,阻尼越大,则冲击力的作用接角时间愈长,减振器的变形愈大,设备受到的冲击力也就愈小,缓冲的效果愈好。2.3机柜背部隔振器设计思绪 当设备机柜的高度较高时(一般在12米以上),就要考虑在机桓背部上方加装背部隔振器来
9、减小设备机柜的摇摆。背部隔振器的垂向刚度应趋于零,如无法满足时,应不高于底部隔振器垂向刚度的01倍。3减振器选用原则(1)使用条件振源性质:电子设备使用时所承受到的振动、冲击类型、强度、频率等,从而决定了以隔振为主还是缓冲为主;一般情况下舰用、车用设备以缓冲为主,飞机载设备以减振为主。原环境条件:因橡胶减振器有一定的使用温度范围,过冷会硬化,过热则软化,大多数橡胶减振器遇油及光照易老化,当温度范围超过080或存在油类介质或光照条件下不宜使用橡胶减振器。 外形尺寸:了解设备的外形、重心位置特别是可以供安顿减振器的空间大小,将为选用减振器的类型、数量提供尺寸依据。耐振抗冲能力:设备内的元器件的耐振
10、抗冲能力的强弱,决定了设备允许承受的最大振幅和加速度,也就决定了整个隔振缓冲系统的隔振系数的大小,是选用减振器的重要依据。(2)参数条件 减振器的重要参数涉及阻尼比、刚度(或频率)、额定负荷等。阻尼比:从减振原理分析看出,阻尼的作用是控制和减少共振振幅,由于设备起动与停止要都要通过(=1)共振区,尽管时间很短,但系统阻尼过小时也会产生较大振动。虽然在隔振区阻尼比越小隔振效果越好,但这仅对激振频率为单一频率才适合。当振源较复杂,有多种频率时,必须从多方面防止共振,阻尼比夜莺适当选大一些。从缓冲的角度讲,选用较大的阻尼比也是有利的,综合考虑,减振缓冲系统以选用较大的阻尼比为宜。刚度k:刚度是减振器
11、的最重要参数,就减振而言,刚度的大小可由隔振效果规定,通过计算出固有频率而求得,选用的减振器的刚度只要等于或小于计算刚度,就能保证隔振效果的实现;额定负荷W:各种类型的减振器的额定负荷都不同,所选减振器的负荷大小重要根据设备重量、重心位置、减振器安装数量来决定,规定所选减振器额定负荷应大于实际承载。4、 常用减震器选型 减振器的作用是隔离或减小振动及冲击对设备及元件的影响,通过其材料、结构的特点,吸取振动、冲击的能量并缓慢地释放,达成减振缓冲的目的。4.1橡胶型减振器 橡胶减震器的特点是在于他的外形能按需要设计、刚度可调、提供比弹簧更大的阻尼比、抗剪、抗拉、抗压、安装更简朴。他的缺陷在于固有频
12、率较高,使用寿命较短,使用环境受限多,一般使用环境温度应控制在-30-70摄氏度之间,一些有化学腐蚀环境应选择合适材质的橡胶减震器才干使用。(1)常用E、EA型减振器技术参数:图1 EEA型减振器技术参数(2)DD型橡胶减振器技术参数:图2 DD型橡胶减振器技术参数4.2金属弹簧减振器金属弹簧减振器用弹簧钢板或钢丝绕制面成。常见的有圆柱形弹簧、圆锥形弹簧及板簧等。这种减振器的优点是:对环境条件反映不敏感,合用于恶劣环境,如高温、高寒、油污等;工作性能稳定,不易老化;刚度变化范围宽,可以制作很软,也可很硬。其缺陷是阻尼比很小(0.005),共振时很危险。因此必要时还应另加阻尼器。这种减振器的固有
13、频率较高,通常用于载荷大、外激频率较高及有冲击的情况。水平刚度低,易晃动,不易于精密设备的隔振。4.3阻尼隔振材料 4.3.1自由阻尼结构 将阻尼材料覆盖(粘贴或喷涂)在需要减振的结构物表面,当结构件发生变形时,阻尼材料能将机械振动或声振动转变为热能消耗。由于覆盖在结构物上的阻尼材料层面无约束,故称为自由阻尼层或自由阻尼结构。被覆盖的结构物称为基层,阻尼层可以是单面或双面。 4.3.2约束阻尼结构 在自由阻尼层面上再覆盖一层材料,就构成约束阻尼结构,而这一覆盖层称为约束层。根据需要也可作成多层,基层与约束层统称为结构层,它为阻尼结构提供强度,阻尼层则吸取能量。4.3.3其它阻尼隔振材料 近年来
14、隔振垫已被应用于产品的减振缓冲。隔振垫是由具有弹性的材料制成的一种没有拟定形状尺寸的软垫,如专用橡胶隔振垫,这种隔振垫具有特久的高弹性,隔振、缓冲性能良好;为满足不同规定其尺寸和形状自由选择;具有一定的阻尼性能,可吸取机械能特别是对高频振动能量的吸取效果好;橡胶同金属表面能实现牢固粘接,易于安装与制造;与其它减振器比,具有价格低廉等优点,目前被动广泛用于产品的隔振缓冲。 在设计机箱及零部件时,尽量选用高阻尼结构材料,如铝、铝镁合金,而钢和铜的阻尼比小于铝,不应作为首选材料。也可以考虑选择高阻尼的结构型式,各种结构型式的阻尼比依次为:铸造、铆接、螺接、焊接、整体金属。(1)ZT型阻尼弹簧减振器(
15、上海青浦振新减振器厂) ZT型阻尼弹簧减振器(又称预应力弹簧减振器)具有钢弹簧减振器的低频率和阻尼大的双重优点,消除钢弹簧固有的共振振幅现象。该系列产品共29种规格,其中单只荷载15kg-4800kg各类荷载所应对的固有频率1.6Hz-4.9Hz,阻尼比0.065。该系列减振器荷载范围广,便于用户选择,固有频率低,隔振效果好,并且结构紧凑,外形尺寸较小,安装更换方便,使用安全可靠,工作寿命长,对工作环境适应性强。对积极隔振、悲观隔振、冲击振动和固体传声的隔离均有明显的效果。是隔离振动减少噪声、治理振动公害、保护环境的抱负减振器。 ZT型阻尼弹簧减振器根据安装方式不同可分为三种:1、ZT型减振器上下座面有防滑橡胶垫,对于干扰力较小的动力设备,可直接将ZT型减振器置放于设备的机座下,可任意移动调节重心,勿需固定。2、ZT-I型为上部固定型。3、ZT-型为上下均可固定,以适合各种安装需要。图3 ZT型阻尼弹簧减振器技术参数参考文献:1邱成悌 电子设备结构设计原理2刘栋 金属丝阻尼减振器在电子设备隔振系统中的应用3宋立辉 车载电子设备振动分析与控制对合组合碟簧变形量的计算:pc=4E/1-u2t3h0/k1D2k42=