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电子设备的隔振技术及减振器选型

作者:布达佩斯赌场 来源:本站原创 日期:2020-08-29 10:45 点击: 

  电子设备的隔振技术及减振器选型_能源/化工_工程科技_专业资料。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

  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(ω t)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+4ξ 2(f/fo)2]/[1-(f/fo)2]2+4ξ 2(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1 E\EA 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3 ZT 型阻尼弹簧减振器技术参数 参考文献: [1]邱成悌 [2]刘栋 [3]宋立辉 电子设备结构设计原理 金属丝阻尼减振器在电子设备隔振系统中的应用 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=

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