洪竹偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第726研究所，上海 201108)

電氣控制設(shè)備隔振系統(tǒng)設(shè)計與探析

洪竹偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第726研究所，上海 201108)

電氣控制設(shè)備在各行各業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，機(jī)柜是電氣控制設(shè)備中不可或缺的部分，機(jī)柜的設(shè)計不僅要滿足設(shè)備的使用性能、還要滿足使用環(huán)境條件要求，而設(shè)備隔振系統(tǒng)的設(shè)計，更是在環(huán)境條件下設(shè)備能夠保證可靠、安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。主要對電氣控制設(shè)備隔振系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及要點進(jìn)行闡述。

電氣控制設(shè)備；隔振系統(tǒng)；隔振器；機(jī)柜設(shè)計

1 沖擊和振對電氣控制設(shè)備的危害

電氣控制設(shè)備中安裝著電子元器件、插件、插箱、風(fēng)扇、顯示器、電源、儲存設(shè)備、精密儀器等物件。在機(jī)械環(huán)境下的作用下，尤其在艦船、列車、飛機(jī)等運(yùn)載工具中，設(shè)備機(jī)柜及內(nèi)部的器件、結(jié)構(gòu)件都難以避免受到?jīng)_擊及振動干擾或影響。

沖擊和振動也是對電氣設(shè)備造成的危害最大的環(huán)境因素，主要產(chǎn)生的危害有兩個方面：

(1)使設(shè)備產(chǎn)生共振，在某個振動頻率激振下產(chǎn)生很大的振幅，振動加速度超出設(shè)備承受極限值，或沖擊力超出設(shè)備承受極限值導(dǎo)致設(shè)備失效或損壞；(2)使設(shè)備材料產(chǎn)生疲勞，因受長期的振動和沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力作用,機(jī)柜及內(nèi)部器件的材料產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致設(shè)備失效或損壞。

機(jī)械環(huán)境造成上述設(shè)備失效或損壞的主要原因，是設(shè)計時沒有充分考慮惡劣環(huán)境條件對設(shè)備產(chǎn)生的影響，或者是隔振系統(tǒng)設(shè)計不合理而造成的。有效的隔振系統(tǒng)是設(shè)備質(zhì)量的重要保證，電氣設(shè)備抗振動沖擊設(shè)計主要包括機(jī)柜設(shè)計和隔振系統(tǒng)設(shè)計。

2 機(jī)柜設(shè)計

在進(jìn)行電氣設(shè)備隔振系統(tǒng)的設(shè)計時，為方便于分析，經(jīng)常把設(shè)備簡化當(dāng)作剛體，這種理論簡化在實際工況中干擾頻率很低時才基本成立。電氣設(shè)備大多都會遭遇頻率在一個寬帶范圍內(nèi)變化的環(huán)境干擾，在這種情況下，大多數(shù)機(jī)柜的內(nèi)部一些結(jié)構(gòu)或零部件就不能當(dāng)作剛體了。隔振器的作用是減弱環(huán)境對設(shè)備的影響或干擾，干擾信號當(dāng)中的殘余信號通過隔振器傳遞到機(jī)柜上，殘余干擾信號就會激發(fā)設(shè)備及內(nèi)部一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一階或多階共振。機(jī)柜設(shè)充分考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)及零部件的自身抗沖擊振動的能力。機(jī)柜設(shè)計要點主要包括以下幾個方面：

(1)按設(shè)備組成確定機(jī)柜的結(jié)構(gòu)外形及安裝尺寸，隔振器安裝形式及位置；

(2)提高設(shè)備的固有頻率,在滿足結(jié)構(gòu)要求、工藝性、重量指標(biāo)的情況下，選擇截面慣性矩較大的截面形狀, 提高機(jī)柜各部分的連接剛度，使許用沖擊應(yīng)力和疲勞極限高于其實際響應(yīng)值,保證電氣設(shè)備的正常工作；

(3)合理分布各安裝物件的位置，盡可能地將重量大的物件安裝在機(jī)柜中心底部區(qū)域，以降低設(shè)備重心位置高度，使機(jī)柜重心盡量靠近支撐隔振器剛度中心；

(4)機(jī)柜內(nèi)部可快速安裝、拆卸的部件和插件以及可移動的插箱要采用牢固裝置加以緊固，避免在振動或沖擊過程中脫落；

(5)容量大的存儲器芯片、高速CPU等易損件可采用輕質(zhì)高分子新型材料封裝加以保護(hù)；

(6)機(jī)柜內(nèi)部的脆性元件與金屬零件的連接處可用膠狀的軟彈性物充填，可起到減震效果。

3 隔振系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械環(huán)境中消除振源通常是不現(xiàn)實的，對于艦船中電氣控制設(shè)備機(jī)柜來說，安裝基礎(chǔ)就是振源，減弱振源對設(shè)備的干擾比較可行的方法就是隔離振源，使基礎(chǔ)的激勵通過隔振系統(tǒng)緩沖及衰減后，傳遞給設(shè)備的作用力小于許用值。因此采用隔振器進(jìn)行隔離就成為減弱沖擊振動對設(shè)備干擾或影響的一種主要措施 。

隔振原理是強(qiáng)迫振動理論的應(yīng)用，基礎(chǔ)激振隔離的隔振傳遞率(響應(yīng)振幅與激勵振幅之比)為：

(1)

式中η——隔振傳遞率；B——響應(yīng)振幅；A0——激勵振幅；D——阻尼比；γ——頻率比(響應(yīng)頻率/激勵頻率)。

隔振傳遞率曲線如圖1所示。

圖1 隔振傳遞率曲線

傳遞率曲線頻幅響應(yīng)特性分析：

隔振系統(tǒng)的設(shè)計首先要根據(jù)機(jī)柜外形和結(jié)構(gòu)確定隔振器的支承方式和位置，確保隔振器的安裝支承面有足夠的強(qiáng)度和剛度。為了避免機(jī)柜在載荷下產(chǎn)生彎曲形變，隔振器之間的距離不能過大，如各支承點位置載荷不同且相差較大，最好選用型號相同而剛度不同的隔振器，有些隔振器載荷是可以在一定范圍進(jìn)行調(diào)整的，在采購時只要把所需的載荷值標(biāo)明，就能選用到與設(shè)計載荷剛度一致的隔振器。其次要根據(jù)非耦合條件選擇隔振器的支承的布置方式，把隔振器安裝在設(shè)備重心平面，對于重心比較高的設(shè)備，可以用降低重心(設(shè)備重量允許的話可增加底部質(zhì)量)、在設(shè)備的上方背面或側(cè)面加裝隔振器等方法，來減弱耦合振動，使設(shè)備的動態(tài)穩(wěn)定性得到改善。隔振器的性能決定了設(shè)備在機(jī)械環(huán)境中受保護(hù)的程度，選用時要充分了解隔振器的隔振和隔沖性能，隔振器中的阻尼值應(yīng)根據(jù)設(shè)備的環(huán)境條件、系統(tǒng)所允許的最大加速度綜合衡量。

隔振器應(yīng)有固有頻率低、阻尼可變的特性 ，在共振區(qū)阻尼大,不會發(fā)生共振，而在隔振區(qū)阻尼小，傳遞率小，隔振和抗沖的效果好。主要從以下4方面來考慮：

(1)隔振器應(yīng)與設(shè)備的使用環(huán)境條件相一致，耐腐蝕能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定；(2)各隔振器的載荷要力求均勻，以便采用相同型號的隔振器，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；(3)各支承點的載荷相差較大時，隔振器的撓度要力求相等，使設(shè)備處于水平狀態(tài)，取得較好的隔振效果；(4)選用隔振器必須考慮共振參數(shù)，以滿足設(shè)備的使用性能要求，如激勵頻率范圍很寬，可采用“無諧振”特性的隔振器。

4 隔振系統(tǒng)設(shè)計實例

船用電氣設(shè)備隔振系統(tǒng)的安裝方式，一般采用機(jī)柜底部安裝四個型號相同的承載型隔振器, 背部安裝兩個型號相同的非承載型隔振器。某船電氣控制設(shè)備隔振系統(tǒng)機(jī)柜底部選用GWF-HQ型海用無諧振峰隔振器，該型隔振器采用不銹鋼等防腐材料制造而成，滿足使用環(huán)境條件，具有變剛度、變阻尼特性，固有頻率≤5 HZ、無共振區(qū)，公稱載荷可以調(diào)整，是一種用于沖擊環(huán)境下的高性能隔振器。圖2為該型隔振器傳遞率曲線圖。背部選用GBJ-BK背架隔振器，以減小設(shè)備的搖晃，由于背部隔振器是非承載型隔振器，它的垂直方向的剛度為零，水平剛度與所選底部GWF-HQ型隔振器相匹配。

圖3為無諧振峰隔振系統(tǒng)示意圖。

圖2 無諧振傳遞率曲線

工程上設(shè)備的質(zhì)心是很難與支承隔振器系統(tǒng)剛度中心完全重合的，一般都會存在或多或少的偏心現(xiàn)象，圖4為設(shè)備載荷分布示意圖。質(zhì)心G偏離幾何中心,設(shè)備動態(tài)穩(wěn)定性就要下降, 造成隔振效果差。選用不同剛度而相同型號的隔振器，使各隔振器的撓度相等，以保持設(shè)備靜平衡下處于水平狀態(tài)，取得較好的隔振效果。已知各支承點的受力(質(zhì)心偏心位置及各支承點的受力求解方法此處不作介紹)分別為：M1=75 kg、M2=80 kg、M3=70 kg、M4=65 kg，如隔振器公稱載荷為Won=kMn，通常載荷系數(shù)k=1.05～1.1，取k=1.08(綜合設(shè)備的結(jié)構(gòu)及組成選取)，經(jīng)計算各隔振器公稱載荷分別為：Wo1—GWF80HQ(81kg)、Wo2—GWF80HQ(86 kg)、Wo3—GWF80HQ(76 kg)、Wo4—GWF80HQ(70 kg)，背部選用與GWF80HQ匹配型號為GBJ80-BK型背架隔振器。由底部隔振器和背架隔振器組成的無諧振峰隔振系統(tǒng)，在受振動干擾時具備線性低剛度的特性，動態(tài)穩(wěn)定性較高。在受沖擊干擾時具備非線性的特性，能夠耗散和吸收沖擊能量。設(shè)備通過振動和沖擊試驗驗證，分別符合GJB-150.16-2009和GJB-150.18-2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 無諧振峰隔振系統(tǒng)

圖4 載荷分布示意圖

5 結(jié)語

機(jī)械振動的基本理論可以用來指導(dǎo)和解決很多問題，但由于電氣設(shè)備的功能、規(guī)模、外形尺寸、安裝方式、使用環(huán)境各不相同，加上內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，想要把設(shè)備內(nèi)部各零部件關(guān)系的力學(xué)模型十分精確的描述出來是不太容易的，隔振系統(tǒng)設(shè)計是否正確、合理、有效，需要通過試驗來驗證，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。只有通過實踐，才能發(fā)現(xiàn)和暴露設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)，修改完善結(jié)構(gòu)參數(shù)，積累經(jīng)驗，提高設(shè)計水平和質(zhì)量。

DesignandAnalysisofElectricalControlEquipmentVibrationIsolationSystem

HONGZhu-wei

(No.726ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Shanghai201108,China)

Electricalcontrolequipmenthasaverywiderangeofapplicationsinallwalksoflife,andthecabinetisitsintegralpart,whosedesignshouldnotonlysatisfytheequipmentapplicationperformance,butalsomeettheenvironmentalrequirements.Therefore,thedesignoftheequipmentvibrationisolationsystemisespeciallyimportantforthereliableandsafeequipmentoperationundervariousenvironmentalconditions.Thispaperelaboratesthekeypointsofthedesign.

electricalcontrolequipment;vibrationisolationsystem;vibrationisolator;cabinetdesign

10.11973/dlyny201606031

洪竹偉(1958)，男，高級工程師，從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TM

A

2095-1256(2016)06-0801-03