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电子设备的隔振技术及减振器选型

文章来源:弹簧减震器生产厂家发布时间:2018-09-30 09:21浏览次数:

  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.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,.终振动加速度所引起的应力超过设备所能承受的.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.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.限,使材料发生疲劳损坏。系统的振动.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.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=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>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>。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>,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.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.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.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.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.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.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.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JF、JF-A型减振器技术参数:
  (2)JZ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.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.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.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。