無諧振峰隔振緩沖系統(tǒng)簡介

1、§6無諧振峰隔振緩沖系統(tǒng)簡介引言根據(jù)電子裝備抗惡劣環(huán)境設(shè)計的要求。電子裝備必須在全壽命期內(nèi)經(jīng)受振動，沖擊（含三維強(qiáng)沖擊），碰撞，核爆，風(fēng)激勵等力學(xué)環(huán)境的考驗。除了對電子設(shè)備中組件、插箱進(jìn)行應(yīng)力篩選、對整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固以提高其抗力學(xué)環(huán)境能力外，采用隔振緩沖系統(tǒng)來緩和或避免力學(xué)環(huán)境對電子設(shè)備的有害影響，可以達(dá)到降低電子設(shè)備加固成本、提高其可靠性和使用壽命的目的。6 1隔振系統(tǒng)設(shè)計對隔振器的基本要求。a) 隔振系統(tǒng)采用的隔振器，應(yīng)具有變剛度變阻尼特性，并應(yīng)同時具有隔振緩沖兩種功能。通過隔振器傳遞給電子設(shè)備的振動、沖擊量值，必須小于設(shè)備的允許值。b)由于設(shè)備的質(zhì)心不可能與隔振器支承平面的幾何

2、形心完全重合（圖6.7 ），造成圖6.7中m1 , m2 , m3 , m4 不相等。為了避免耦合振動造成的有害影響，隔振器應(yīng)具有在相同外形和安裝尺寸前提下，形成具有固有頻率相近，承載量不同的模塊化系列產(chǎn)品，從而將隔振系統(tǒng)的剛度中心逼近設(shè)備質(zhì)心（甚至相重合） 。加載后，各支承點(diǎn)隔振器的實(shí)際固有頻率f ns 與理論固有頻率f nl 的相對偏差 B f 應(yīng)小于 10（詳見 6.4.2 ）。c ）隔振器應(yīng)具有變阻尼特性，在共振區(qū)內(nèi)有大阻尼以抑制共振峰值，在隔振區(qū)內(nèi)阻尼迅速減小，以達(dá)到較好的隔振效果和無諧振傳遞率特性（v 1 ）圖 6.2 。d) 為了避免前一個碰撞脈沖引起隔振緩沖系統(tǒng)的殘余響應(yīng)，與后

3、一個碰撞脈沖同相位疊加造成的有害影響，隔振器應(yīng)具有足夠阻尼力以耗散沖擊能量，保證在后一個碰撞脈沖到來之前設(shè)備的殘余響應(yīng)為零。并滿足平均碰撞傳遞ba0.8 ，沖擊傳遞率sh0.8 要求。e) 隔振器應(yīng)具有低蠕變、設(shè)備安裝基面調(diào)水平的功能，以及彈性元件失效后設(shè)備仍處于安全支承狀態(tài)的保護(hù)裝置。f) 隔振器自身的抗振動、沖擊性能，抗腐蝕，耐高低溫及穩(wěn)定性和使用壽命等，應(yīng)優(yōu)于被保護(hù)電子設(shè)備。6 2無諧振峰隔振器無諧振峰隔振器是一種彈性特性和阻尼特性主要由金屬構(gòu)件確定的金屬隔振器，其特點(diǎn)如下：1對環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，可在油污，高、低溫惡劣環(huán)境下工作，不易老化，性能穩(wěn)定。2它的動剛度和靜剛度基本上相同。金屬

4、彈簧適用于靜態(tài)位移要求較大的減振器，當(dāng)工作應(yīng)力6-1低于屈服應(yīng)力時，彈簧不會產(chǎn)生蠕變。但是，應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，即使是瞬時，也會使彈簧產(chǎn)生永久變形。因此，應(yīng)有卸荷和限位裝置，以確保動態(tài)應(yīng)力不超過彈性極限。3 金屬彈簧阻尼比過?。?.005 ）容易傳遞高頻振動，或者由于自振（如在150 400Hz之間）而傳遞中頻振動。在經(jīng)過共振區(qū)時，設(shè)備會產(chǎn)生過大的振幅，有時需要另加阻尼器。4金屬彈簧的設(shè)計計算比橡膠彈簧容易，其彈簧剛度可根據(jù)要求確定，不僅設(shè)計資料比較成熟，且其剛度可以制造得相當(dāng)準(zhǔn)確。金屬彈簧種類很多，如圓柱形彈簧、圓錐形彈簧、盤形彈簧等，其中圓柱形彈簧應(yīng)用最廣。目前在軍用電子設(shè)備的隔振系統(tǒng)中，

5、應(yīng)用較廣的有兩類，其一是具有垂向承載能力的底部隔振器，如無諧振峰隔緩沖器（GWF）、金屬網(wǎng)阻尼隔振器（JWZ），不銹鋼絲繩隔振器（GS）等；其二是非承載的背部隔振器，如GBJ、 GDJ型隔振器等。GWF型無諧振峰隔振器工作原理由設(shè)備質(zhì)量m 、隔振器剛度k 、干摩擦阻尼力F組成的無諧振峰峰隔振器，其力學(xué)模型如圖6.1 所示。當(dāng)基礎(chǔ)激勵為x0A0 cos t , x0A02 cos t ，（6.1 ）設(shè)備響應(yīng)為xA cos t, xA 2 cost（ 6.2）當(dāng) F mx mA02 時 ， 阻 尼 力 F 將 m 與 基 礎(chǔ) 鎖 住 ， 有 AA0, V1。當(dāng)干擾頻率2 n 時，如果干摩擦阻尼力F

6、 無法克服慣性力Fd （ Fd2mAon2 ),即 FFd ，隔振器啟動并開始隔振，從而實(shí)現(xiàn)了隔振傳遞率v1 的無諧振峰傳遞率特性（圖6.2 ）圖 6.2無諧振峰傳遞率曲線圖 6.1 無峰隔振系統(tǒng)力學(xué)模型無諧振峰隔振緩沖器（以下簡稱無峰隔振器）是金屬干摩擦隔振器（SJ260885） GM型的改進(jìn)型產(chǎn)品，是由季馨教授研制開發(fā)的新產(chǎn)品。該隔振器是根據(jù)隔振、緩沖技術(shù)所要求的變剛度、變阻尼特性設(shè)計的新型抗強(qiáng)沖擊型隔振器，它是采用剛度擬合技術(shù)和干磨擦阻尼技術(shù)實(shí)現(xiàn)低固有頻率，無共振放大，并可兼顧緩沖和抗強(qiáng)沖擊的典型實(shí)例之一。在結(jié)構(gòu)上，它采用幾組具有獨(dú)立彈性一阻尼特性組件，從而可以靈活地組裝成具有不同承載量

7、、不同動態(tài)特性的隔振器或阻尼器。由于6-2阻尼可以調(diào)節(jié)，可以很方便地控制振動傳遞率。典型的無諧振峰隔振器如圖6.3 所示。它的彈性特性由隔振簧組件A和阻尼緩沖簧組件B確定。螺旋簧 A5的剛度 kL 確定了隔振器的三向剛度。當(dāng)實(shí)際載荷與公稱載荷不一致時，螺母A4的位置已確定，卡住帽蓋A2調(diào)節(jié)六角圈A1帶動調(diào)節(jié)螺桿A3轉(zhuǎn)動，帶動帽蓋A2上下運(yùn)動，使隔振器加載后的工作高度H 保持規(guī)定值，從而使電子設(shè)備的安裝平面保持水平。旋轉(zhuǎn)上蓋 3使上錐環(huán) B1錐面壓緊 （或松開） 開口內(nèi)錐環(huán) B2、可增大或減小簧片組 B3與帽蓋 A2 間的正壓力，從而對阻尼特性進(jìn)行調(diào)節(jié)?；善MB3是沿帽蓋凸緣對稱布置的不同曲率、

8、不同根數(shù)的簧片組。組件B 與底板 4和上蓋 3之間的摩擦力，確定了水平方向的阻尼特性。組件 B中的兩種簧片的曲率和工作位置如圖4 所示， a 為隔振阻尼簧（直簧片），主要功能是通過它與帽蓋間的過盈所產(chǎn)生的摩擦力在A A 區(qū)間獲得無諧振峰隔振傳遞率v1 （圖 6.2 ）。在圖 6.4 中， b 為阻尼緩沖簧（變曲率簧片），在AA區(qū)間，它不與帽蓋A2接觸，工作區(qū)間為AB、A B段，其主要功能是吸收和耗散沖擊能量。兩種簧片BC、B C段的主要功能是限制最大的極限變形，保證螺旋簧A5不并圈，可避免沖擊載荷對它的有害影響（不發(fā)生蠕變）。a)b)圖 6.3 GWF 型隔振器結(jié)構(gòu)示意圖圖 6.4阻尼緩沖簧工

9、作原理在相同外形和安裝尺寸條件下，使螺旋簧內(nèi)徑相同，改變螺旋簧圈數(shù)或鋼絲直徑d 即可獲得具有不同承載能力的系列隔振器。此時，對不同承載能力的隔振器配裝不同數(shù)量的a 組， b 組彈簧片，即可獲得不同的阻尼和緩沖特性。此外，需進(jìn)行三維強(qiáng)沖擊的無諧振峰隔振器還可適當(dāng)增加b 組緩沖簧片或采取其它措施以提高其抗沖擊性能。由于無諧振峰隔振器動態(tài)特性設(shè)計遵循了隔振緩沖隔離系統(tǒng)期望動態(tài)特性的設(shè)計要求，因此，具有較好的隔振緩沖效果。6-3此外，無峰隔振器（GWF型）采用了不銹鋼構(gòu)件；對螺旋簧進(jìn)行了消除蠕變的預(yù)處理（蠕變量小于 0.2mm），在承載量，阻尼力調(diào)節(jié)到實(shí)際需要量后，將螺紋部分使用防松膠封閉；對艙室外設(shè)

10、備隔振器采用了全密封伸縮套等措施后，極大地提高了隔振器的抗惡劣環(huán)境能力。其低固有頻率、寬承載范圍的系列產(chǎn)品，以及靈活的模塊化組合，給用戶選用帶來極大方便。63背架隔振系統(tǒng)和背架隔振器安裝在艦艙室內(nèi)的電子設(shè)備，一般采用在設(shè)備底部安裝四只相同特性的隔振器，后背上部安裝兩只背架隔振器的背架式安裝隔振系統(tǒng)，以減小設(shè)備的搖晃見圖6.5 。用于顯控臺、 機(jī)柜的背架式隔振系統(tǒng)，為了使垂向解耦，背架隔振器的垂向剛度應(yīng)為零；為了降低水平方向耦聯(lián)振動，其自由狀態(tài)時的水平剛度應(yīng)在水平面內(nèi)關(guān)於原點(diǎn)對稱。由振動分析可知，隔振緩沖系統(tǒng)期望的動態(tài)特性（即剛度和阻尼特性）主要要求是：（ 1）振動時應(yīng)具有線性低剛度特性，從而使

11、隔振系統(tǒng)圖 6.5無諧振峰背架隔振系統(tǒng)具有低固有頻率和較高的動態(tài)穩(wěn)定性；在共振區(qū)具有大阻尼比，而在隔振區(qū)具有小阻尼比的變阻尼比特性，以實(shí)現(xiàn)隔振傳遞率v1 的無諧振峰特性。（ 2）在沖擊時，應(yīng)能吸收和耗散沖擊能量，即具有較強(qiáng)的非線性特性。（ 3）背架隔振器的水平剛度特性應(yīng)關(guān)于靜平衡位置的原點(diǎn)對稱。為此，承載隔振器通常不宜作為背架隔振器。根據(jù)上述分析及要求，無諧振峰背架式隔振系統(tǒng)由底部GWF型無諧峰隔振器和背部GBJ背架隔振器組成（如圖6.5 所示）。GWF型無諧峰隔振器是GM型金屬干摩擦隔振器改進(jìn)型，為具有三軸向無共振峰（v 1 ）、能兼顧隔振、緩沖功能（沖擊傳遞率sn0.8）的金屬隔振器。當(dāng)實(shí)

12、際承載量與公稱載荷不一致時，其支承高度及相應(yīng)的阻尼力均可調(diào)整。多年的應(yīng)用表明，它是一種較好的底部隔振器1。GBJ 型背架隔振器是水平剛度和阻尼連續(xù)可調(diào)、專門與GWF型匹配使用的專用背架隔振器。GBJ 背架隔振器的垂向剛度近似為零，并且其水平剛度應(yīng)與底部隔振器的水平剛度相匹配。當(dāng)兩臺電子設(shè)備的重量相等時，它們可選用相同的底部隔振器，當(dāng)它們的重心高度不同或背架隔振器的安裝位置不同時，則可選用不同剛度特性的背架隔振器與之相匹配。選用時，在先確定底部隔振器型號如GWF30型，則背部隔振器為GBJ30型。當(dāng)有偏心時，按底部（承載）最重的GWF型選型如表 6.2 所示系統(tǒng)應(yīng)選GBJ100型。6-464隔振

13、系統(tǒng)設(shè)計中幾個問題說明6 4 1關(guān)于蠕變影響問題蠕變是指材料受到外力作用時發(fā)生永久性形變，橡膠等高分子材料制成的隔振器，受設(shè)備自重及外激勵作用，蠕變量往往超過2mm，有時會甚至達(dá)到5 6mm，較大的蠕變量使原先留給隔振系統(tǒng)的自由動變形空間變小，且關(guān)于靜平衡位置不對稱，此時可能會造成如下不良影響：1如果預(yù)留的導(dǎo)線，軟波導(dǎo)等自由變形長度不夠長，沖擊時引起扯斷、開裂；2設(shè)備下沉后，設(shè)備與緩沖墊之間的自由變形空間變小，沖擊時易引起剛性碰撞；3振動時，易引發(fā)自激振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象；4當(dāng)各隔振器的蠕變量不等時，設(shè)備會發(fā)生傾斜；5設(shè)備下沉后，背架隔振器自由變形空間不夠，會引起背架隔振器的局部剛性碰撞和自激振蕩

14、現(xiàn)象。因此，選用蠕變量較大的橡膠隔振器時，應(yīng)在設(shè)備底部與隔振器上部之間加一個墊圈，預(yù)留足夠的設(shè)備自由變形空間；預(yù)先留足導(dǎo)線及軟波導(dǎo)可自由變形的長度；預(yù)先降低背架隔振器的安裝位置，予留下沉量等措施。同時還應(yīng)選擇蠕變量相等或相近的底部隔振器，使其下沉量相近，以保持設(shè)備垂向直立狀態(tài)。這些措施均可降低隔振系統(tǒng)對蠕變量的敏感度。無諧振峰隔振器已對主承載彈簧采取了消除蠕變量的預(yù)處理措施，使蠕變量0.2 mm。同時，用片彈簧的 BC段來確保主承載彈簧受沖擊時不并圈，從而避免了強(qiáng)沖擊時過應(yīng)力引起的永久變形。以上措施可避免諸如鋼絲繩隔振器、橡膠隔振器等受強(qiáng)沖擊后發(fā)生較大蠕變的缺點(diǎn)。6 42關(guān)于隔振器選型和固有頻

15、率相對偏差時問題要求電子設(shè)備的質(zhì)心與支承隔振器的剛度中心完全重合是很難實(shí)現(xiàn)的。也就是說，在工程中，出現(xiàn)偏心現(xiàn)象是必然的。在圖6.7 中，當(dāng)質(zhì)心 C 偏離幾何形心O有 ex 和 e 時，這將會造成設(shè)備的動y態(tài)穩(wěn)定性下降，隔振效果變壞。當(dāng)各隔振器相對固有頻率偏差Bf 滿足下列條件：fnLf ns100% 10%（6.3 ）B ff nL式中， f ns 隔振器實(shí)際固有頻率f nL 隔振器理論固有頻率。就可以將隔振器的實(shí)際支承剛度中心自幾何形心O向質(zhì)心 c 逼近，從而達(dá)到解耦設(shè)計的目的。當(dāng) ex ,ey 較大時，則應(yīng)選用不同剛度的隔振器與之相匹配，但外形尺寸和安裝尺寸還必需相同。6-5例：假設(shè)某機(jī)柜

16、總質(zhì)量m0 =250Kg，在無偏心條件時（O與 C 重合），每個隔振器承受62.5Kg ，可選用相同型號的隔振器。當(dāng)設(shè)備需進(jìn)行三維強(qiáng)沖擊試驗（即模擬艦艇縱搖30，橫搖 30，使設(shè)備重量偏向某一個隔振器）時，應(yīng)選用GWF80HQ型，否則可選用GWF80H型。用戶在訂貨時應(yīng)說明設(shè)備是否進(jìn)行三維強(qiáng)沖擊。當(dāng)質(zhì)心 C 偏心較大時，各點(diǎn)實(shí)際支承質(zhì)量相差也較大，按表6.2 選用不同型號的隔振器組成低耦合隔振系統(tǒng)，此時m2 和 m4 的固有頻率偏差較小，當(dāng)m1 m4 質(zhì)量值如表6.1 所示，各隔振器之間實(shí)際固有頻率偏差Bf 為：4.454.05B f100%10%4.05外形尺寸， 安裝尺寸相同的GWF35H

17、 GWF100H的動態(tài)特性如表6.2 所示。 這四種規(guī)格的無峰隔振器，可組成低耦合隔振系統(tǒng)（設(shè)備重量在112Kg500Kg）。表 6.1 按模塊化理論設(shè)計的GWF系列隔振器隔振器型號GWF35HGWF50HGWF80HGWF100H公稱載荷 W （ N）3505008001000理論固有頻率 f nl (HZ)4.754.454.154.15彈簧剛度 K （ N/mm）32487283載荷范圍（ N）280 420400 640640960850 1250fn 變化范圍（ HZ）5.144.355.46 4.35.28 4.314.924.06fn 相對偏差 Bf （）+8.2-8.7+12

18、-8.5+11.6 -8.7+12 -8.1假設(shè)電子設(shè)備質(zhì)心存在嚴(yán)重偏心情況，各支承點(diǎn)質(zhì)量m1 , m2, m3 ,m4如表 6.2 所示，此時可選用四種不同型號的隔振器匹配組成鮮耦隔振系統(tǒng)。表 6.2偏心設(shè)備隔振器選型表各支點(diǎn)實(shí)際載荷（Kg）M1=40M2=50M3=90M4=110隔振器型號GMF35HGMF50HGMF80HGMF100H實(shí)際固有頻率fns (Hz)4.464.884.464.33由表 6.2 可知，各隔振器fns 最大差異小于0.55，在掃頻頻率f p7。 F2mAon2 ，隔振傳遞率v1，系統(tǒng)不出現(xiàn)共振。f p7后各隔振器均已進(jìn)入隔振區(qū)，固有頻率fns 差異的影響較小

19、，系統(tǒng)很穩(wěn)定。這個特點(diǎn)是其它隔振器難以達(dá)到的。6-66 43關(guān)于設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心位置和各隔振器承載量的簡易測定方法。電子設(shè)備由離散質(zhì)量組成，精確計算出質(zhì)心位置，較為繁雜，現(xiàn)介紹一種簡易測定方法供用戶參考。測量工具由磅秤、兩根角鐵和千斤頂組成。6 43 1測量方法和步驟：1.先用兩根角鐵置于磅秤上，放上設(shè)備，稱出設(shè)備總重量W。2.抽去一根角鐵，按圖6.6 將設(shè)備底部安裝隔振器的1， 4螺釘孔中心連線對準(zhǔn)角鐵直角邊。將千斤頂支承在2， 3 螺釘孔中心連線中間附近位置（如圖6.7 中 A 點(diǎn)）。調(diào)節(jié)千斤頂，使設(shè)備底平面調(diào)平后，測出W14 ， W14W1W4 。抬升千斤頂h 高度，測出W14W1W4 。3將設(shè)備轉(zhuǎn)90°，將角鐵支承在1.2 螺孔中心連線，千斤頂支承在3.4 螺釘孔中心線的中間附近圖6.6稱重法示意圖圖6.7質(zhì)心位置