电子设备的隔振技术及减振器选型

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%。它们造成的破坏主要有两种形式，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备的支撑装置提供。在机械环境的作用下，尤其是在舰船、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，通常采取两种措施：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，以减少基础的振动对电子设备的影响程度，使电子设备能正常工作或不受损坏；这种对电子设备采取隔离的措施，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(ωt)表示，也是周期振动。被动隔振也可用隔振系数η表示其隔振效果，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：η＝xO/UO=｛［１＋４ξ2（f／fo）２］／［１－（f／fo）２］２＋４ξ2（f／fo）２｝０．５（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（ＨＺ）；fo――隔振系统的固有频率（ＨＺ）；k――隔振器的刚度（Ｎ／m）；m――物体的质量（kg）；g——重力加速度（9.8m/s2）；ξ——减振器的阻尼比（橡胶减振器的阻尼比为0.02~0.15）。从η的表达式可以看出，隔振系数η与频率比（f／fo）及阻尼比ξ有关。当f／fo＜＜1时，隔振系数η=1。此时振动力变化缓慢，且其几乎等值传递到基础上。当f／fo=1时，隔振系数η为最大，振动力有放大现象，此时系统处于共振状态；η值随ξ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经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f／fo=2时，隔振系数η=1，振动力等值传递，此时系统无隔振效果；当f／fo＞2时，隔振系数η＜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η＜1，即必须使频率比f／fo＞2。在电子设备的减振设计中一般取频率比f／fo为2.5~4.5，也就是说要获得满意的隔振效果，应该使隔振支承系统的固有频率为振动力频率的1/2.5~1/4.5。阻尼在共振区内，阻尼可以抑制传递率的幅值，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f／fo≈1时，发生共振，应力求避免；不论阻尼大小，只有f／fo＞2，才有隔振效果；一般情况下，建议把频率比f／fo取为2.5~4.5。隔振系统中控制振动及其传递主要有三个基本因素：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ξ。它们各自的影响简述如下：①刚度k——隔振器的刚度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。因为：f０=(k/m)0.5/2π(2)k越大，f０越大，f／fo越小，η就越大（在隔振区）隔振效果差；k越小，f０越小，f／fo越大，η就越小（在隔振区）隔振效果好。因此，就隔振而言，刚度k应尽可能小；必须指出的是，过小的刚度k可能无法承受质量m，就像一个重物将一根弹簧压扁了，无法起到隔振作用，对于一个设计正确的隔振系统，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。②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，在确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f０越小，在隔振区η就越小，隔振效果好。增大质量还包括增大隔振底座的面积，以增大物体的惯性矩，可减小物体的摇晃，但质量往往是确定的，增加是有限的。③阻尼比ξ——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，抑制共振振幅；但是，在隔振区，随着ξ的增大，η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，虽然时间相当短，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时，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，吸收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，达到缓冲的目的。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路当设备机柜的高度较高时(一般在1．2米以上)，就要考虑在机桓背部上方加装背部隔振器来减小设备机柜的摇晃。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0．1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，当温度范围超出0~80℃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置减振器的空间大小，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，是选用减振器的主要依据。（2）参数条件减振器的主要参数包括阻尼比、刚度（或频率）、额定负荷等。阻尼比ξ：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经过（γ=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：刚度是减振器的最主要参数，就减振而言，刚度的大小可由隔振效果要求，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主要根据设备重量、重心位置、减振器安装数量来决定，要求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，吸收振动、冲击的能量并缓慢地释放，达到减振缓冲的目的。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、安装更简单。他的缺点在于固有频率较高，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能使用。(1)常用E、EA型减振器技术参数：图1E\EA型减振器技术参数（2）DD型橡胶减振器技术参数：图2DD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：对环境条件反应不敏感，适用于恶劣环境，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。其缺点是阻尼比很小（ξ≤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，阻尼层则吸收能量。4.3.3其它阻尼隔振材料近年来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确定形状尺寸的软垫，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；为满足不同要求其尺寸和形状自由选择；具有一定的阻尼性能，可吸收机械能特别是对高频振动能量的吸收效果好；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（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、消极隔振、冲击振动和固体传声的隔离均有明显的效果。是隔离振动降低噪声、治理振动公害、保护环境的理想减振器。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-Ⅱ型为上下均可固定，以适合各种安装需要。图3ZT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-u2×t3h0/k1D2×k42=