电子设备的隔振技术及减振器选型

1、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，其中危害最大的是振动和冲击，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，最终振动加速度所引起的应力超过设备所能承受的极限强度而破坏；或者 由于冲击所产生的冲击应力超过设备的极限强度而破坏。 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极限，使材料发生疲劳损坏。系统的振动特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

2、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火 车汽 车坦 克飞机舰船导 弹火 飞船炸弹 «炸 如m范围低連歼机潜艇水面振 动根值L255.6562015612弋02-100MOO5-5005-10005-3 0005-80冲 击嵐遑度 极值25-305020015-30.特殊时7-200 冰下a 炸时 lobo)时oW时 发炮时疫 大，水下 爆炸时>1 000)s-2d«禅时 达知启动时

3、200>i#时为 1000LOGO.：持掠 时间 /ms411gQ1H251 iJ-ioo离心加速度rn1 nb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

4、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=UoSi n（31）表示，也是周期振动。被 动隔振也可用隔振系数n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:n = xo/ Uo二1+4 E 2 (f / fo) '/!-( f / fo)22 + 4厂(f/fo)r"'(1)式中Xo物体的垂向振幅（m）;Uo基础的垂向振幅（m）。式中振动力的频率（H Z）;fo隔振系统的固有频率（H Z）；k隔振器的刚度（N/ m）；m物体的质量（kg）;g重力加速

5、度（9.8m/s2）;S 减振器的阻尼比（橡胶减振器的阻尼比为0.02-0.15）。从n的表达式可以看出，隔振系数n与频率比（f/fo）及阻尼比S有关。当f/fo << 1时，隔振系数n =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n为最大，振动力有放大现象，此时系 统处于共振状态；n值随S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n =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n &l

6、t; 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 n < 1,即必须使频率比f/。在电子设备的减振设计中一般取频率比f/fo为2.54.5, 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1/2.51/4.5。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>J'2，才有隔振效果;般情况下，建议把频率比f/fo取为2.54.5。隔振系统中控制振动及其传递主要有三个基本因素

7、：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S。它们各自 的影响简述如下: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:fo =(k/m)°.5/2 nk越大，fo越大，f/fo越小，n就越大（在隔振区）隔振效果差;k越小，fo越小，f/fo越大，n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。质量m被隔离物体的质量m使支承系统保持相对静止

8、,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fo越小，在隔振区n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。阻尼比S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 S的增大，n也变大，隔振效果变差。因此阻尼的作用有利也有弊，设计时应特别注 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

9、子设备的零部件的冲击应力超过其最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，贝

10、W中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

11、化， 当温度范围超出 080C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、重心位置特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 设备允许承受的最大振幅和加速度，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S :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(丫 =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

12、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：刚度是减振器的最主要参数，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

13、及元件的影响，通 过其材料、结构的特点，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特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E、EA型减振器技术参数:EAS58503508501 OtOH1850100021I(M23017.325 0E伽120050011f>0cs±o.a3500110021(M23 0is

14、.a21.CEA120120050011O01 5±0.41530eoo1700ieo130130E16016007001500c e±o.355OD1400280029 014.521.0EAlfiO16007001500ID土0440001150245fl25013519.5E2202200eoo1900CG±0.370001500350(se.o130EOQEA22O2200eoo190011 ±0.445001400280ti22 512 51fl.OE20030009002100"±031100C2260S5CM30 013

15、.5215EAM03000SOO210011±O.456001500335021 5HO16.5E4004000100026000710.3nooc240062020 512.020 0EA40O4000IMO260014±0.4B5001700EM30C10517.5EEA型减振器技术参数DD型橡胶减振器技术参数:图2 DD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

16、作很软，也可很硬。其缺点是阻尼 比很小（二0.005）,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431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。432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

17、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。433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 种隔振垫具有特久的高弹性，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，可吸收机械能特别是 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，不应作为首选材料。也可

18、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。（1）ZT型阻尼弹簧减振器（上海青浦振新减振器厂）ZT型阻尼弹簧减振器（又称预应力弹簧减振器）具有钢弹簧减 振器的低频率和阻尼大的双重优点，消除钢弹簧固有的共振振幅现 象。该系列产品共29种规格，其中单只荷载15kg-4800kg各类荷载 所应对的固有频率1.6HZ-4.9HZ,阻尼比0.065。该系列减振器荷载范 围广，便于用户选择，固有频率低，隔振效果好，并且结构紧凑，外形尺寸较小，安装更换方便，使用安全可靠，工作寿命长，对工作环 境适应性强。对积极隔振、消极隔振、冲击振动和固体传声的隔离均 有明显的效果。是