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肖训华：电子设备的振动和冲击隔离设计肖训华深圳市宝慧和科技有限公司（广东深圳518076）内容提要：为了能够减少振动与冲击带来的不良影响，需要与医用电子设备的实际情况结合进行振动与冲击隔离设计。在文中就针对医用电子设备的振动与冲击隔离进行了设计。关键词：电子设备；振动；冲击；隔离；医疗设备医用电子设备的振动与冲击会对医用电子设备带来严重的危害，甚至是会导致诊断结果的误判。这就需要我们通过相关的设计来减少甚至是消除这些影响。1.振动隔离设计医疗设备中的计算实例（所有计算公式来源于参考文献）台式超声产品中，显示器的固定如下图1所示，请计算设备在以0.35mm的振幅，5~100Hz扫频垂直方向振动时显示器的最大振幅，以及验证铸铝件是否可能会在振动中断裂。图1铸铝的阻尼比，D=0.008；E=71000Mpa；I=bh3/12=2500mm4该弹性系统的刚度，K=3EI/L3=1.18X104N/mm=1.18X107N/m根据公式计算共振频率：fo2=171.8Hz可以知道系统在5~100Hz内都没有产生共振，因此隔振系数范围为：η=1.00~1.49（f=5~100Hz），所以最大振幅为：A=ηA0=0.523mm振动相位差：tanθ=2Dγ3/(1-γ2+(2Dγ)2)=0.046（弧度）最大相对振幅计算：Umax==0.174mm键盘在最大相对振幅时有最大的应力，最大振幅时的应力：主机L=200mm键盘键盘的材料为铸铝ADC12，可简化成为厚10mm，宽300的悬臂梁进行计算。(Acosθ-A0)2+(Asinθ)2显示器m=10kgP=kUmax+mg=2053+98=2151N悬臂梁的最大应力产生在悬臂根部：σmax===86Mpa铸铝ADC12的抗拉强度为228MPa，屈服强度σ0.2=154Mpa，所以该产品键盘在振动中理论上不会变形和断裂。只是安全系数不足，加上材料缺陷和疲劳强度，还是可能会出现变形的问题的。也可以用这个方法对主机脖子的根部强度进行计算校核。2、外部激振的隔离设计外部激振，是指支撑基础保持稳定，而外部直接给设备振动部件施加周期性外力的情况。模型如2所示：图2图3医疗设备中的实例计算硬盘振动问题。原来的设计（图3）与机箱刚性连接，振动直接传递到整机，使得操作面板振动的感觉比较明显。我们打算采用橡胶圆柱减振弹簧结构固定硬盘，避免硬盘的振动传递到整机上。橡胶减振柱（Φ12.7X9，橡胶硬度40度，横向负载小于2.5kg）。我们从理论上计算看这款减振柱是否能起到减振作用，以及计算校核在振动实验中是否可能会脱落。硬盘重量为0.78kg。硬盘的振动应该是因为盘片的质量不平衡高速旋转导致的，而硬盘盘片的转动是纵向的，所以振动方向也应该是纵向的，而振动频率就是盘片的转速：f=7200/60=120（7200转/min的硬盘）。我们把硬盘因盘片高速旋转产生的不平衡周期力当作激振外力，硬盘当作主动振动的设备，主机箱是基础。只要硬盘通过减振器传递到主机箱的力足够小，就能起到减振作用了。下面我们来计算硬盘传递给主机箱的力，即计算激振力传递系数η。计算橡胶弹簧横向刚度（动态刚度）：K=7.67x4=30.68N/mm（计算公式和过程请看参考文献。橡胶减振的阻尼比为D=0.08（参考相关书籍上计算例子的橡胶阻尼比）按公式（12）可以计算得η=0.087跟原来的螺钉连接，η=1相比而言，减振效果是相当明显的。实际装配验证，确实效果非常好。下面计算校核振动实验的强度：根据公式（6）计算共振频率：fo2=31.4Hz，mkc设备被动振动承台固定P主机箱硬盘预埋螺柱(P/S)2+(PL/W)2(2151/3000)2+(2151*200/5000)2周期性外力：Fsin(2πft)共振振动频率在5~100Hz范围内，所以硬盘在振动实验中会产生共振，其相对振幅：Ao1=2.2mm校核强度：根据上面计算的橡胶柱刚度（横向，1个），计算橡胶柱变形产生的力：F=kAo1=7.67*2.2=16.9N共振时产生的力小于2.5kgf，所以使用该减振柱是安全的。3、振动隔离设计的误区打螺钉前，加上软垫就能起缓冲作用从前面隔离系数的计算中可以看到，如果减振连接部分在振动方向施加力时不能产生自由变形的化，是不会有减振效果的。如下图A、B所示的例子，用软垫然后打上螺钉，螺钉拧紧后就变成刚性连接了。即使螺钉不打死，但是螺钉的垂直方向的拉力也是很大的，比如M4螺钉打紧后有50~60kg的拉力，半紧状态也有20~30kg拉力。除非部件在振动时的力远超过螺钉的拉力，否则起不到减振缓冲作用的。而象下图C、D、E所示，设备和基础部分完全用弹性材料隔离，才有可能起到振动或冲击的隔离作用。压板设备软垫预埋螺柱预埋螺柱螺钉固定软板设备设备软垫螺钉固定预埋螺柱橡胶柱预埋螺柱设备螺钉固定螺钉固定软垫设备图4刚性连接都不利于振动隔离当我们使用图所示方案C、D、E试图进行振动隔离时，需要进行隔振系数的计算。考虑到刚度的情况，有可能根本无法设计出合适的结构，使得隔振系数小于1。如果是这样的话，还不如用刚性连接，刚性连接隔振系数至多等于1，而不会扩大振动。只要是加了弹性环节，就有减振作用和上面一点的情况相似，增加的弹性环节，通过减振计算（或实验验证），隔振系数有可能大于1，则不但没有起到减振左右，反而把振动放大了。所有的减振措施都是有针对性的，对不同质量，不同振动频率的隔离都是有区别的。4、振动隔离设计的基本形式如图4所示C、D、E，是比较常用的减振结构方案。其中的橡胶柱、软板、软垫可以用其它弹性结构和材料代替。注意减振器的设计，一般减振器还要一定的阻尼，否则在共振点会产生非常大的振动，造成结构的破坏。如果振动不能隔离，就一定要保证振动源与设备的连接刚度，还有设备各部件之间的刚度，避免振动被放大。比如上面所说的硬盘振动问题，其实硬盘本身振动比较小，但是因为硬盘固定在刚度不好的机箱薄板上，还有操作面板与主机的连接有一定的弹性环节，使得振动被放大了。我们在设计中经常使用EVA垫，其实有时并不是真的起缓冲减振作用，而是增加强度的。如图所示方案B的软垫就起到加强设备安装板的作用。因为如果设备安装板比较薄，或面积大导致刚度比较低，使用EVA弹垫是增加刚度的一个好办法，并为弹性环节增加阻尼，可以明显减少振动的放大系数。5、冲击隔离设计我们说冲击隔离，包括包装对设备的保护，和设备内部对精密易损件的隔离保护。我们这里只考虑冲击时间比较短的情况（撞击时间1/10缓冲材料固定周期），比如跌落、撞击。这种情况都可以转化成速度阶跃的冲击计算。图55.1线性缓冲系统速度阶跃冲击的计算冲击试验方法采用标准IEC68-2-27，加速度为5g,脉冲时间为11msec,波形为半正弦波,每轴向正负方向各3次冲击。下面我们用冲击计算法计算产品案例1中的键盘结构是否满足垂直方向的冲击强度要求。跟静态计算不同，静态计算只是简单地将显示器的重量乘上加速度来计算负载，冲击计算要考虑脉冲时间。首先根据冲击实验的条件计算脉冲完成后的速度：V=a(t)dt=amsin(πt/τ)dt=2τam/π=0.34m/s速度跃变，从V~0按无阻尼、有阻尼进行计算：mkc需保护的设备承台的速度瞬间从0变为V0τ0τumax=0.313mm（公式13），有阻尼时0.309mm（公式16）amax=369m/s2=37.7g（公式14），有阻尼37.2g（公式15）P=kumax+mg=3646+98=3744N（静态计算的负荷：P=ma=10*5*9.8=490N，相对来讲小很多！）σmax=151Mpa根据计算结果，该键盘在冲击实验中可能会产生变形，如果材料有缺陷，也有可能会产生断裂。计算amax的意义在于，如果显示器内部有些器件只能承受30g的加速度冲击（即元器件的脆值），而在本计算中，amax=37.2g，因此可以判断该器件在冲击实验中可能会损坏。5.2非线性缓冲系统弹性系统的变形-力函数不是线性关系时，也可以利用速度阶跃的能量法进行计算。由于计算复杂，这里介绍比较简单有效的图解法步骤。基本步骤：1）根据变形-力函数绘制变形-力曲线图（如果有现成的参考曲线则略过这步，也可以用实验数据绘制曲线）2）根据变形-力函数和能量积分公式绘制变形-变形能曲线图，或根据变形-力曲线图绘制变形-变形能曲线图（变形-力的面积即为变形能）3）根据冲击条件计算V值或表达式，然后根据1/2mv2（或积分公式）计算变形能4）根据变形能和变形-变形能曲线图查到变形值5）根据变形值和变形-力曲线图查到负载力6）根据公式a=F/m计算最大加速度由于篇幅有限，本文不在详细描述。[1]参考文献：邱成悌，赵惇殳，蒋全兴编著《电子设备结构设计原理》修订版。南京：东南大学出版社，2005.1