电子设备振动环境设计之系统设计与隔振器03

§3.电子设备隔振缓冲系统设计与隔振器当刚性连接的机箱、机柜、显控台无法满足环境试验要求时，可安装隔振系统帮助设备过关。但在大多数情况下，是为了通过隔振系统降低设备受到的振动冲击激励量值，为设备提供较好的力学环境，从而提高设备的安全性、可靠性和使用寿命。当无军品级商品时，在保证设备正常工作的前提下，可采用低一级(如用工业级代替军品级)元器件来降低设备成本。提高设备结构设计水平和提高设备抗振抗冲击能力是首位的，必须克服完全寄希望于隔振系统的错误设计思想。1.振动与冲击隔离系统设计准则振动与冲击隔离系统(以下简称隔振系统)设计，必须遵循以下准则：1)隔振器的安装方式必须规范化，标准化;2)隔振系统设计模块化、系列化；3)隔离系统的实际传递率必须小于许用传递率，也就是说，隔振系统传递给设备的激励力必须小于设备的许用值；4)隔振系统必须进行稳定性校验。在激励频率范围内，不得出现有害的耦联振动、共振和非线性自激振荡；5)隔振系统必须兼有隔振与缓冲功能；6)所选用的隔振器的抗振、抗冲击特性和环境适应性必须优于被保护设备。在弹性元件失灵后，必须有防护装置。在任何条件下，设备不得处于无支承状态。2.隔离系统设计必备的原始资料在进行隔离系统设计之前，必须对被保护设备、拟选用的隔振器，以及相应的力学环境严酷度等进行摸底，以求获得最佳设计。1)被保护设备的资料a.设备总质量及质心在三维空间位置；b．设备绕各坐标轴的转动惯量；c．设备在各坐标轴向的一阶固有频率，或危险频率；d．各隔振器的实际承载量及安装位置；e．设备与周围设备及舱壁间允许变形空间；f.设备允许的振动、冲击加速度，或允许的传递率g．设备试验和工作环境严酷度等级。2)隔振器资料a．总外形尺寸、安装孔尺寸；b．与设备联接方式及螺钉(螺孔)尺寸；c.刚度或公称载荷下的固有频率；d.承载方向和承载范围；e.动态特性（shabv和,）f.校平特性g.推荐的典型布置方案；h.环境适应性及使用场所；i.极限变形量限值；j.蠕变量值；k.使用年限；l.型号及生产厂商；m.诸如可维性、不适合应用场合以及需特殊说明的其它资料。3.1电子设备振动隔离系统隔振是采用弹性、阻尼器件将电子设备与基础隔离的技术措施。降低基础振动传给设备的振动量值称为被动隔振或消极隔振；降低设备振动传给基础或基础附近其它设备的振动量值，称为主动隔振或积极隔振。采用隔振器、阻尼器、阻尼材料等无源元件进行振动隔离的技术措施，称为无源振动控制；采用附加能源输入，并引进伺服控制系统进行振动控制的技术称为有源振动控制。无源振动控制有二个基本研究方向：加固设计和振动冲击隔离。加固设计是在振动理论分析与振动实验分析基础上，筛选出抗振抗冲击特性较好的结构件和元器件，使电子设备在不加装任何隔振缓冲器的情况下，就能在各种严酷的机械环境条件下安全、可靠地工作，这是加固设计追求的目标。由于受技术条件或经济成本方面的限制，有时很难实现上述加固设计的要求。采用隔振缓冲技术，减少或避免外界激励对电子设备的有害影响，这便是振动冲击隔离技术。振动冲击隔离技术是在环境条件严酷等级(激励值)和电子设备允许响应值(即脆值)已知的前提之下，通过对电子设备附加隔振缓冲器来进行保护的技术措施。其基本设计思想是通过隔振器传递给设备的激励值(即设备的响应值)始终小于设备的许用值。换句话说，即使隔振器的传递率小于设备的许用传递率，若定义设备的许用传递率为pAA环境条件界限设备许可响应值（3.1）那么，当隔振器的实际传递率为实时，则应有AAp实或实﹤式中PA——广义激励的峰值，它可以表示位移、速度、加速度和力；A——广义的许用响应值，它可以表示位移、速度、加速度和力。但传递率应为同一物理参数的峰值比。对电子设备的结构薄弱环节进行加固设计，而整机则采用隔振缓冲系统加以保护，是目前工程应用中较为普遍而又经济可靠的设计方法。３．１．１单自由度隔振系统1隔振概念现以图3．1所示的单自由度隔振系统为例，说明隔振技术的基本概念。图示系统中，刚性质量块代表电子设备，它通过弹簧k和阻尼c组成的隔振器与基础相联。当设备只能在垂向运动时，系统是一维振动（即单自由度振动）。隔振器的性能可通过对图施加基础正弦激励和对图中的质量m施加正弦力激励的稳态正弦响应特性来评价。评价指标是传递率。绝对传递率传递率是隔振器传递的力或运动衰减能力的评价指标。当振源是基础振动(运动激振)时，绝对传递率是绝对坐标系中电子设备的响应振幅与基础振幅之比。当振源是设备内部的振荡力(力激励)时，绝对传递率是传到基础上的力幅与激励力幅之比。相对传递率相对传递率是隔振器的相对变形幅值与基础激励幅值之比。相对变形量是隔振器容许位移空间的变量。该特性对于消极隔振较为重要。运动响应运动响应有时又称为动力放大因子，它是设备响应的位移振幅与当量静变形(激励力幅除以隔振器静刚度（KF/0)之比。当设备受到激励力作用时，隔振器必须具有使设备自由运动的位移空间。(a)(b)图3.1隔振器系统示意图(a)在基础上施加的运动为0z,传到设备上的运动为x时的隔振；(b)在设备上施加力F，传到基础上的力为FT时的隔振2隔振器的弹性阻尼特性和传递率隔振器的基本特征是它具有弹性承载和能量耗散能力。在某些类型的隔振器中，承载和能量耗散功能由同一个元件来实现，例如天然或合成橡胶，在其它类型的隔振器中，弹性承载元件可能缺少足够的能量耗散功能，例如金属弹簧；所以要另外提供单独的截然不同的能量耗散元件(阻尼器)。为了分析方便，假设弹簧和阻尼器是分开的元件，一般假设弹簧是线性，没有质量的；承载能力的非线性和质量对隔振的影响本章不讨论。表3.1给出了各类阻尼器和理想弹簧组成的隔振器的理想模型。a)刚性连接粘性阻尼器一个粘性阻尼器c被刚性连接在设备和它的基础之间，如表3.1(a)所示。这种阻尼器具有这样的特性，即传递到设备的阻尼力cF与阻尼器中相对速度成正比，即cFC。这种阻尼器有时也称为线性阻尼器。b)刚性连接Coulomb阻尼器表3.1(b)给出了一个具有刚性连接的Coulomb阻尼器的隔振系统，阻尼器加在系统质量上的力fF是常数，和阻尼器的位置与速度无关，但是它的方向总是和阻尼器中的相对速度相反。c)弹性连接的粘性阻尼器弹性连接的粘性阻尼器如表3.1(c)所示。粘性阻尼器c和刚度为k1的弹簧串联；承载弹簧(刚度为k)和阻尼器弹簧之间有关系kkn/1。这类阻尼系统有时也称为粘性松弛系统。d)弹性连接Coulomb阻尼器弹性连接的Coulomb阻尼器如表3.1(d)所示，摩擦元件只能传递在阻尼器弹簧k1中出现的力。当阻尼器滑动时，摩擦力Ff和阻尼器的速度无关，但总m设备隔振器基础隔振器基础设备m向着和速度相反的方向。表3.1中所列各类隔振器的传递率如表3.2所示。表中绝对传递率A是绝对坐标系下响应幅值与激励幅值之比。相对传递率R是激励与响应的相对变形量与激励幅值之比。运动响应M为响应的幅值与当量静变形F／K之比。表3.1理想化的隔振器的类型激振响应频率参数阻尼参数注：1)实质上，这两种激振是相同的，把它们用两种数学形式来表示是为了定义库仑阻尼的阻尼参数时方便一些2)在隔振问题中，我们只对响应的大小感兴趣。所以，相位角通常略去不写，余同。3)表3.1和表3.2中,阻尼比用表示(表示即/cDcc)。000sinsinXAtFFt002000sinsinsinXAtXAtFFt或000sinsinXAtFFt002000sinsinsinXAtXAtFFt或000sinsinsinTTxAttxxFFt其中0/0kmc0/0fkmF00/01/kmcnkmc00/01/kmcnkmc2//ccckmccfF2//ccckmcc10ffFkF表3.2表3.1中定义的隔振系统的传递率和运动响应（当公式绘有曲线时，在公式下面给出了曲线所在的图号，关于名词的定义可参看表3.1）阻尼器类型绝对传递率00TAFAAF相对传递率00RA运动响应0/AFk刚性连接粘性阻尼器图3.2图3.3图3.4刚性连接Coulomb阻尼器图3.6图3.7弹性连接粘性阻尼器图3.5弹性连接Coulomb阻尼器图3.10图3.111）仅当激振是由位移振幅定义时，这些方程才适用；2）这些曲线仅对最阻佳尼适用；3）这些曲线仅当n=3时适用；4）仅当激振用位移振幅定义时，这个方程才适用。2222221414rrr4222214rrr2222114rr222241121rr242241rr222411r2222222222114411nrnrrnrn222222222224411rrnrrnrn222222222241411rnrrnrn2224111()21nnrnnr422422()1rnrnnr３．１．２标准传递率曲线图3.12IEC标准传递率曲线图3.13GB标准传递率曲线曲线A：适用于仅考虑单自由试时，其共振频率不超过10Hz;曲线B：适用于仅考虑单自度时，其共振频率在10～20HZ之间；曲线C：适用于仅考虑单自度时，其共振频率在20～50HZ之间，具有低回跳特性的有载隔振器。A，B，C曲线的斜率为一12dB／oct。1986年底，电工电子产品环境标准化委员会对国家标准GB2424．7进行修订时，增加了一条反映我国80年代研制的新型隔振器特点的传递率曲线——D曲线。D曲线的斜率规定为一8dB／oct。它适用于仅考虑单自由度时，系统的固有频率小于5Hk，最大共振传递率max)(A≤1.5的高性能隔振器(见图3.13)。综合以上特征）（）（）（实fAffApP，用于电子设备的各类隔振器的隔振传递率应在A，B，C，D曲线中的任一条曲线范围之内。对于传递率超出C曲线范围的隔振器，其传递率用Q(其它)表示，在隔振系统设计中，应避免使用。电子设备实际使用时带隔振器，而在进行环境试验时，因无现成的合适夹具，否则要另行设计专用试验夹具；或因振动台承载能力限制，无法使用带安装隔振器的夹具一起进行试验等客观原因，希望将电子设备直接安装在振动台进行环境试验。从纯理论上讲,根据电子设备等效损伤(等效响应)理论，可将标准传递率曲线)(f作为加权因子，对环境试验的严酷等级)(fA进行修正。但目前没有相关标准规范加以规定,故任何修正是没有法律依据的。显而易见，以上等效理论只有在确认该系统为绝对解耦的一维振动情况下才可使用。3.2多自由度隔振系统设计前面讨论的单自由度系统仅适用于说明隔振的基本原理，但是对于许多实际问题则是过于简化了。弹性支承的质量发生单向位移的条件与许多实际应用的要求是不符的。一般地说，必须按照给定的力和位移以及弹性约束所规定的限制，考虑在所有方向上的运动自由度。由于电子设备自身的固有频率fn1，随着抗振设计水平的提高而不断增大，对于中大型电子设备，其一阶固有频率在铅垂向可达20Hz以上，水平横向可达10Hz以上；对于小型电子设备其一阶固有频率在铅垂向可达30Hz以上。不过，扭转频率一般较低。现在，随着结构、工艺材料等的技术发展，隔振器的固有频率fn2则可达到2～5Hz，两者的比值(fn1／fn2)也越来越大。所以，在工程中，往往把电子设备加装隔振器后所组成的隔振系统简化为单质体多自由度系统来讨论。这种简化尽管有一定局限性，但对工程振动分析而言，还是较为合理的。在讨论多自由度线性振动系统的有关章节中，介绍了矩阵解耦的问题，即将矩阵[M]和[K]转换成对角阵M和K的模