肖训华：电子设备的振动和冲击隔离设计

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。显示器 m=10k」I山-1L^OOm.,键盘 键盘的材料为铸铝ADC12，L=200m:键盘可简化成为厚10mm，宽300的悬臂梁进行计算。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。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.振动隔离设计主机图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:n=1.00〜1.49(f=5〜100Hz)，所以最大振幅为：A=nA0=0.523mm振动相位差：tanO=2Dy3/(1-Y2+(2DY)2)=0.046(弧度)最大相对振幅计算：Umax=x/(Acos0-A0)2+(Asin0)2=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:

P=kUmax+mg=2053+98=2151N悬臂梁的最大应力产生在悬臂根部：”max='J（P/S）2+（PL/W）2^-^（2151/3000）2+（2151*200/5000）2 =86Mpa铸铝ADC12的抗拉强度为228MPa,屈服强度。02=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模型如2所示:图2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（④12.7X9，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n。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n=0.087跟原来的螺钉连接，n=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：静3项，

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=kAo「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螺钉固定一橡胶柱一&设备螺钉固定一预埋螺柱-压板一E螺钉固定一橡胶柱一&设备螺钉固定一预埋螺柱-压板一E•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。螺钉固定一软垫一螺钉固定一 软垫一F预埋螺柱一方• 设备1 | 预埋螺柱—上 设备1 |■fl n 湖图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。需保护的设备需保护的设备承台的速度瞬间从0变为V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话。68-2-27,加速度为5g,脉冲时间为〃msec,波形为半正弦波，每轴向正负方向鞭次冲击。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=Ja(t)dt= amsin(nt/T)dt=2Tam/n=0.34m/s速度跃变，从V~0按无阻尼、有阻尼进行计算：umax=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！）g=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