电子设备的隔振技术及减振器选型.docx
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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/s
次车
汽车
坦克
•一
飞机
靓招
弹
火ff
飞船
炸弹
如m范围
低連
歼击*
潜艇
r
面雇
水舰
振动
加速度摄值
1.25
5.6
5.6
20|
15
6
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频率/Hz
2-80
2-100
5-500
5-1000
5-2000
5^80
冲击
嵐速度扱值
25-30
50
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0.Z2
离心加速度
11
11
<102
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=Usin(31)表示,也是周期振动。
被动隔振也可用隔振系数n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:
n=xo/Uo
={[1+4E2(f/fo)2]/[l-(f/fo)2「+4E2(f/fo)2}“
(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/s);
E――减振器的阻尼比(橡胶减振器的阻尼比为0.02~0.15)。
从n的表达式可以看出,隔振系数n与频率比(f/f。
)及阻尼比E有关。
当f/fo«1时,隔振系数n=l。
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n为最大,振动力有放大现象,此时系统处于共振状态;n值随E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n=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n<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n<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E。
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:
fo=(k/m)0.5/2n
(2)
k越大,fo越大,f/fo越小,n就越大(在隔振区)隔振效果差;k越小,fo越小,f/f。
越大,n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fo越小,在隔振区n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E――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E的增大,n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
J八
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,贝S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0~80C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E:
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(丫=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:
*3nH«
e毬萼純fi'm'tt'
EA^9SI
型邑
L
L1
L2
E10
70
54
40
E15
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6B
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140
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145
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145
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155
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38
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155
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175
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96
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外闿尺寸和连接尺寸mm
B
B1
B2
H
H1
35
35
40
27
40
40
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27
40
40
40
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4B
40
40
27
55
55
46
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63
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0.72
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2-q>11
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M22
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340
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型号
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z
X
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Z
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Z
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150
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150
0710.3
450
430
660
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27.0
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250
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750
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150
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1000
230
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25.0
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600
250
600
07±0.3
1600
900
1+00
255
19.5
240
EA60
600
250
600
1.2±0.4
1500
900
1900
25.0
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2000
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500
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2500
1100
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23.0
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500
1100
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153&
800
1700
值0
13,0
190
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1600
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1500
0S±0.3
5500
1400
2800
250
145
21.0
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1600
700
1500
1.0±0.4
4000
1150
2450
25.0
135
19.5
E220
2200
SOO
1900
05±03
7000
1500
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200
EA220
2200
aoa
1900
1.110.4
4503
1400
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18.0
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11000
2260
5500
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3000
900
2100
1.110.4
5600
1500
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21.5
110
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4000
11X)0
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07±03
13000
2400
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4000
1000
2600
14±0.4
6500
1700
5000
2C.0
10.5
17.5
图1E\EA型减振器技术参数
(2)DD型橡胶减振器技术参数:
H
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