電子設(shè)備隔振技術(shù)及減振器選型

1、電子設(shè)備的隔振技術(shù)及減振器選型 1、概述電子設(shè)備受到的機(jī)械力的形式有多種，其中危害最大的是振動(dòng)和沖擊，它們引起的故障約占80%。它們?cè)斐傻钠茐闹饕袃煞N形式，其一是強(qiáng)度破壞：設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終振動(dòng)加速度所引起的應(yīng)力超過(guò)設(shè)備所能承受的極限強(qiáng)度而破壞；或者由于沖擊所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力超過(guò)設(shè)備的極限強(qiáng)度而破壞。其二是疲勞破壞：振動(dòng)或沖擊引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度，但由于長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)或多次沖擊而產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)其疲勞極限，使材料發(fā)生疲勞損壞。系統(tǒng)的振動(dòng)特性受三個(gè)參數(shù)的影響，即質(zhì)量、剛度和阻尼。對(duì)于電子設(shè)備的振動(dòng)和沖擊隔離來(lái)說(shuō)，隔振系統(tǒng)的質(zhì)量一般是指電子設(shè)備的質(zhì)量，而剛度和阻尼則由設(shè)

2、備的支撐裝置提供。在機(jī)械環(huán)境的作用下，尤其是在艦船、坦克、越野車輛、飛機(jī)等運(yùn)載工具中，設(shè)備及其內(nèi)部的電子器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等都難以承受振動(dòng)沖擊的干擾。表1 各種運(yùn)載工具振動(dòng)、沖擊和離心加速度參數(shù)單位：g9.8m/s2 為了減少或防止振動(dòng)與沖擊對(duì)電子設(shè)備的影響，通常采取兩種措施：a) 通過(guò)材料選用和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)設(shè)備及元器件的耐振動(dòng)耐沖擊能力；b) 在設(shè)備或元器件上安裝減振器，通過(guò)隔離振動(dòng)與沖擊，有效地減少振動(dòng)與沖擊對(duì)電子設(shè)備的影響。2、 隔振技術(shù)2.1隔振 隔振就是通過(guò)在設(shè)備或器件上安裝減振裝置，隔離或減少它們與外界間的機(jī)械振動(dòng)傳遞。 在電子設(shè)備與基礎(chǔ)之間安裝彈性支承即減振器，以減少基礎(chǔ)的振

3、動(dòng)對(duì)電子設(shè)備的影響程度，使電子設(shè)備能正常工作或不受損壞；這種對(duì)電子設(shè)備采取隔離的措施，稱為被動(dòng)隔振。一般情況下，儀器及精密設(shè)備的隔振都是被動(dòng)隔振。 被動(dòng)隔振系數(shù)： 振動(dòng)來(lái)自基礎(chǔ)，其運(yùn)動(dòng)用U=Uosin(t)表示，也是周期振動(dòng)。被動(dòng)隔振也可用隔振系數(shù)表示其隔振效果，它的含義是被隔離的物體振幅與基礎(chǔ)振幅之比（或是振動(dòng)速度幅值、加速度幅值的比值），可用下式計(jì)算： xO/ UO=2（ffo）（ffo）2（ffo） （1） 式中 xO物體的垂向振幅(m)； UO基礎(chǔ)的垂向振幅(m)。式中f振動(dòng)力的頻率（）；fo隔振系統(tǒng)的固有頻率（）；k隔振器的剛度（m）；m物體的質(zhì)量（kg）； g重力加速度（ 9.8m

4、/s2）； 減振器的阻尼比（橡膠減振器的阻尼比為0.020.15）。 從的表達(dá)式可以看出，隔振系數(shù)與頻率比（ffo）及阻尼比有關(guān)。 當(dāng)ffo 1時(shí)，隔振系數(shù)=1。此時(shí)振動(dòng)力變化緩慢，且其幾乎等值傳遞到基礎(chǔ)上。 當(dāng) ffo =1時(shí)，隔振系數(shù)為最大，振動(dòng)力有放大現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)處于共振狀態(tài)；值隨增大而減小，所以，對(duì)于啟、停頻繁的設(shè)備，為防止設(shè)備在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中經(jīng)過(guò)共振區(qū)域時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的共振，減振器選用時(shí)應(yīng)考慮阻尼大一些的。 當(dāng)ffo =時(shí)，隔振系數(shù)=1，振動(dòng)力等值傳遞，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)隔振效果； 當(dāng)ffo時(shí)，隔振系數(shù)1，振動(dòng)力減值傳遞，此時(shí)系統(tǒng)有隔振效果。 因此，要使隔振系統(tǒng)有效果，必須使1，即必須使頻率

5、比f(wàn)fo。在電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)中一般取頻率比f(wàn)fo為2.54.5，也就是說(shuō)要獲得滿意的隔振效果，應(yīng)該使隔振支承系統(tǒng)的固有頻率為振動(dòng)力頻率的1/2.51/4.5。 阻尼在共振區(qū)內(nèi)，阻尼可以抑制傳遞率的幅值，使物體的振幅不至于過(guò)大；在非共振區(qū)，阻尼反而使傳遞率增大。 因此，隔振應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)： 當(dāng)ffo 1時(shí)，發(fā)生共振，應(yīng)力求避免； 不論阻尼大小，只有ffo，才有隔振效果； 一般情況下，建議把頻率比f(wàn)fo取為2.54.5。 隔振系統(tǒng)中控制振動(dòng)及其傳遞主要有三個(gè)基本因素：隔振器的剛度k、被隔離物體質(zhì)量m及系統(tǒng)支承即隔振器的阻尼比。它們各自的影響簡(jiǎn)述如下： 剛度k隔振器的剛度越大，隔振效果越差，反之隔

6、振效果越好。因?yàn)椋?f=(k/m)0.5/2 (2) k越大，f越大，ffo越小，就越大（在隔振區(qū)）隔振效果差； k越小，f越小，ffo越大，就越?。ㄔ诟粽駞^(qū)）隔振效果好。 因此，就隔振而言，剛度k應(yīng)盡可能??；必須指出的是，過(guò)小的剛度k可能無(wú)法承受質(zhì)量m，就像一個(gè)重物將一根彈簧壓扁了，無(wú)法起到隔振作用，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)正確的隔振系統(tǒng)，支承的剛度計(jì)算既要考慮隔振效果的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要兼顧其承載能力。 質(zhì)量m被隔離物體的質(zhì)量m使支承系統(tǒng)保持相對(duì)靜止，物體質(zhì)量越大，在確定振動(dòng)力的作用下物體振動(dòng)越小。同樣從式(2)看出，m越大，則f越小，在隔振區(qū)就越小，隔振效果好。增大質(zhì)量還包括增大隔振底座的面積，以增大物

7、體的慣性矩，可減小物體的搖晃，但質(zhì)量往往是確定的，增加是有限的。阻尼比隔振系統(tǒng)的支承阻尼有以下的作用：在共振區(qū)減小共振峰值，抑制共振振幅；但是，在隔振區(qū)，隨著的增大，也變大，隔振效果變差。因此阻尼的作用有利也有弊，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。2.2隔沖 沖擊是一種急劇的瞬間作用。例如飛機(jī)的起飛和著陸，火車、汽車的啟動(dòng)與停車，物體的起吊與跌落等都能產(chǎn)生較大的沖擊。在沖擊發(fā)生時(shí)，雖然時(shí)間相當(dāng)短，但作用十分強(qiáng)烈。沖擊作用下，電子設(shè)備的零部件的沖擊應(yīng)力超過(guò)其最大允許值時(shí)將導(dǎo)致設(shè)備損壞，有時(shí)也會(huì)因多次沖擊作用形成疲勞積累，使設(shè)備發(fā)生疲勞破壞。因此，對(duì)沖擊的作用也必須進(jìn)行隔離。 由能量定理可知：當(dāng)外來(lái)沖擊能量一定時(shí)

8、，若沖擊力作用的時(shí)間愈長(zhǎng)則設(shè)備所受的沖擊力愈力小，沖擊加速度也愈小。因此若能延長(zhǎng)沖擊力作用的接觸時(shí)間，就可減輕電子設(shè)備所受沖擊作用的影響。 電子設(shè)備大都屬于被動(dòng)隔沖，在支撐基座與電子設(shè)備之間裝一減振器進(jìn)行沖擊隔離，當(dāng)外界沖擊力作用在支撐基座上時(shí)，由于減振器中的彈性元件和阻尼元件產(chǎn)生變形，吸收能量并延長(zhǎng)沖擊力作用的接觸時(shí)間，使傳遞給設(shè)備的沖擊力減小了很多，達(dá)到緩沖的目的。減振器的剛度越小，阻尼越大，則沖擊力的作用接角時(shí)間愈長(zhǎng)，減振器的變形愈大，設(shè)備受到的沖擊力也就愈小，緩沖的效果愈好。2.3機(jī)柜背部隔振器設(shè)計(jì)思路 當(dāng)設(shè)備機(jī)柜的高度較高時(shí)(一般在12米以上)，就要考慮在機(jī)桓背部上方加裝背部隔振器來(lái)

9、減小設(shè)備機(jī)柜的搖晃。背部隔振器的垂向剛度應(yīng)趨于零，如無(wú)法滿足時(shí)，應(yīng)不高于底部隔振器垂向剛度的01倍。3減振器選用原則(1)使用條件振源性質(zhì)：電子設(shè)備使用時(shí)所承受到的振動(dòng)、沖擊類型、強(qiáng)度、頻率等，從而決定了以隔振為主還是緩沖為主；一般情況下艦用、車用設(shè)備以緩沖為主，飛機(jī)載設(shè)備以減振為主。原環(huán)境條件：因橡膠減振器有一定的使用溫度范圍，過(guò)冷會(huì)硬化，過(guò)熱則軟化，大多數(shù)橡膠減振器遇油及光照易老化，當(dāng)溫度范圍超出080或存在油類介質(zhì)或光照條件下不宜使用橡膠減振器。 外形尺寸：了解設(shè)備的外形、重心位置特別是可以供安置減振器的空間大小，將為選用減振器的類型、數(shù)量提供尺寸依據(jù)。耐振抗沖能力：設(shè)備內(nèi)的元器件的耐振

10、抗沖能力的強(qiáng)弱，決定了設(shè)備允許承受的最大振幅和加速度，也就決定了整個(gè)隔振緩沖系統(tǒng)的隔振系數(shù)的大小，是選用減振器的主要依據(jù)。（2）參數(shù)條件 減振器的主要參數(shù)包括阻尼比、剛度（或頻率）、額定負(fù)荷等。阻尼比：從減振原理分析看出，阻尼的作用是控制和減少共振振幅，由于設(shè)備起動(dòng)與停止要都要經(jīng)過(guò)（=1）共振區(qū)，盡管時(shí)間很短，但系統(tǒng)阻尼過(guò)小時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)。雖然在隔振區(qū)阻尼比越小隔振效果越好，但這僅對(duì)激振頻率為單一頻率才適合。當(dāng)振源較復(fù)雜，有多種頻率時(shí)，必須從多方面防止共振，阻尼比夜鶯適當(dāng)選大一些。從緩沖的角度講，選用較大的阻尼比也是有利的，綜合考慮，減振緩沖系統(tǒng)以選用較大的阻尼比為宜。剛度k：剛度是減振器

11、的最主要參數(shù)，就減振而言，剛度的大小可由隔振效果要求，通過(guò)計(jì)算出固有頻率而求得，選用的減振器的剛度只要等于或小于計(jì)算剛度，就能保證隔振效果的實(shí)現(xiàn)；額定負(fù)荷W：各種類型的減振器的額定負(fù)荷都不同，所選減振器的負(fù)荷大小主要根據(jù)設(shè)備重量、重心位置、減振器安裝數(shù)量來(lái)決定，要求所選減振器額定負(fù)荷應(yīng)大于實(shí)際承載。4、 常用減震器選型 減振器的作用是隔離或減小振動(dòng)及沖擊對(duì)設(shè)備及元件的影響，通過(guò)其材料、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，吸收振動(dòng)、沖擊的能量并緩慢地釋放，達(dá)到減振緩沖的目的。4.1橡膠型減振器 橡膠減震器的特點(diǎn)是在于他的外形能按需要設(shè)計(jì)、剛度可調(diào)、提供比彈簧更大的阻尼比、抗剪、抗拉、抗壓、安裝更簡(jiǎn)單。他的缺點(diǎn)在于固有頻

12、率較高，使用壽命較短，使用環(huán)境受限多，一般使用環(huán)境溫度應(yīng)控制在-30-70攝氏度之間，一些有化學(xué)腐蝕環(huán)境應(yīng)選擇合適材質(zhì)的橡膠減震器才能使用。(1)常用E、EA型減振器技術(shù)參數(shù)：圖1 EEA型減振器技術(shù)參數(shù)（2）DD型橡膠減振器技術(shù)參數(shù)：圖2 DD型橡膠減振器技術(shù)參數(shù)4.2金屬?gòu)椈蓽p振器金屬?gòu)椈蓽p振器用彈簧鋼板或鋼絲繞制面成。常見(jiàn)的有圓柱形彈簧、圓錐形彈簧及板簧等。這種減振器的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，適用于惡劣環(huán)境，如高溫、高寒、油污等；工作性能穩(wěn)定，不易老化；剛度變化范圍寬，可以制作很軟，也可很硬。其缺點(diǎn)是阻尼比很?。?.005），共振時(shí)很危險(xiǎn)。因此必要時(shí)還應(yīng)另加阻尼器。這種減振器的固有

13、頻率較高，通常用于載荷大、外激頻率較高及有沖擊的情況。水平剛度低，易晃動(dòng)，不易于精密設(shè)備的隔振。4.3阻尼隔振材料 4.3.1自由阻尼結(jié)構(gòu) 將阻尼材料覆蓋（粘貼或噴涂）在需要減振的結(jié)構(gòu)物表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí)，阻尼材料能將機(jī)械振動(dòng)或聲振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟?。由于覆蓋在結(jié)構(gòu)物上的阻尼材料層面無(wú)約束，故稱為自由阻尼層或自由阻尼結(jié)構(gòu)。被覆蓋的結(jié)構(gòu)物稱為基層，阻尼層可以是單面或雙面。 4.3.2約束阻尼結(jié)構(gòu) 在自由阻尼層面上再覆蓋一層材料，就構(gòu)成約束阻尼結(jié)構(gòu)，而這一覆蓋層稱為約束層。根據(jù)需要也可作成多層，基層與約束層統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)層，它為阻尼結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度，阻尼層則吸收能量。4.3.3其它阻尼隔振材料 近年來(lái)

14、隔振墊已被應(yīng)用于產(chǎn)品的減振緩沖。隔振墊是由具有彈性的材料制成的一種沒(méi)有確定形狀尺寸的軟墊，如專用橡膠隔振墊，這種隔振墊具有特久的高彈性，隔振、緩沖性能良好；為滿足不同要求其尺寸和形狀自由選擇；具有一定的阻尼性能，可吸收機(jī)械能特別是對(duì)高頻振動(dòng)能量的吸收效果好；橡膠同金屬表面能實(shí)現(xiàn)牢固粘接，易于安裝與制造；與其它減振器比，具有價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前被動(dòng)廣泛用于產(chǎn)品的隔振緩沖。 在設(shè)計(jì)機(jī)箱及零部件時(shí)，盡量選用高阻尼結(jié)構(gòu)材料，如鋁、鋁鎂合金，而鋼和銅的阻尼比小于鋁，不應(yīng)作為首選材料。也可以考慮選擇高阻尼的結(jié)構(gòu)型式，各種結(jié)構(gòu)型式的阻尼比依次為：鑄造、鉚接、螺接、焊接、整體金屬。(1)ZT型阻尼彈簧減振器（上海青浦振新減振器廠） ZT型阻尼彈簧減振器（又稱預(yù)應(yīng)力彈簧減振器）具有鋼彈簧減振器的低頻率和阻尼大的雙重優(yōu)點(diǎn)，消除鋼彈簧固有的共振振幅現(xiàn)象。該系列產(chǎn)品共29種規(guī)格，其中單只荷載15kg-4800kg各類荷載所應(yīng)對(duì)的固有頻率1.6Hz-4.9Hz，阻尼比0.065。該系列減振器荷載范圍廣，便于用戶選擇，固有頻率低，隔振效果好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸較小，安裝更換方便，使用安全可靠，工作壽命長(zhǎng)，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)積極隔振、消極隔振、沖擊振動(dòng)和固體傳聲的隔離均有明顯的效果。是隔離振動(dòng)降低噪聲、治理振動(dòng)公害、保護(hù)環(huán)境的理想減振器。 ZT型阻尼彈簧減振器根據(jù)安裝方式不同可分為