李 健，杭佳棋，張 恒，陸 建，葛 舟

(1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州市金壇區(qū)檢測(cè)檢驗(yàn)中心，江蘇 常州 213200；3.常州賀斯特科技股份有限公司，江蘇 常州 213127)

隨著電子技術(shù)迅速崛起，為了滿足電子設(shè)備系統(tǒng)的高度集成化要求，電子設(shè)備通常采用電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行包裝運(yùn)輸。電子機(jī)柜是高度集成化的電子包裝系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能優(yōu)劣直接影響電子設(shè)備中電信號(hào)傳輸以及電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于軍用艦載電子機(jī)柜所處的環(huán)境比較惡劣，環(huán)境因素是電子設(shè)備失效的主要原因，在溫度、振動(dòng)、濕度三項(xiàng)環(huán)境因素中，振動(dòng)因素影響很大[1]。對(duì)電子機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)主要采取兩個(gè)措施：一是對(duì)機(jī)柜本身進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)；二是對(duì)電子機(jī)柜的隔振緩沖系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來弱化外部的激勵(lì)，讓傳遞給設(shè)備的實(shí)際作用力小于設(shè)備的許用值。而對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行整體的隔振緩沖設(shè)計(jì)是目前工程最為快速、直接和有效的措施。

1 減振系統(tǒng)理論分析

圖1為減振系統(tǒng)的力學(xué)模型[2]。根據(jù)牛頓第二定律，該模型的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為

圖1 減振系統(tǒng)模型

其中m為被減振物體的質(zhì)量；k為減振器的剛度；Fμ為干摩擦力；x、y分別為被減振物體的基礎(chǔ)激勵(lì)位移和響應(yīng)位移，λ=±1是取決于被減振物體的質(zhì)量與基礎(chǔ)相對(duì)速度的符號(hào)函數(shù)。

由非黏性阻尼的等效原理可知：黏性阻尼可以等效為干摩擦阻尼，等效黏性阻尼比系數(shù)為

式中ω為基礎(chǔ)激勵(lì)頻率；x0為阻尼力在一個(gè)周期中的振幅。

若將干摩擦力等效為黏性阻尼，則

設(shè)基礎(chǔ)激勵(lì)作y(t)=y0ejωt的正弦運(yùn)動(dòng)，并令u=x-y代入（3）式，可得系統(tǒng)在基礎(chǔ)激勵(lì)作用下的簡(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng)方程

此時(shí)減振系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

計(jì)算可得到設(shè)備與基礎(chǔ)的相對(duì)位移振幅

其中γ為頻率比，γ=ω/ωn，ωn為系統(tǒng)固有頻率；D為阻尼比，D=c/2mωn。定義φ=Fμ/ky0為摩擦阻尼參數(shù)。

計(jì)算整理可得設(shè)備的絕對(duì)位移幅值x0與基礎(chǔ)位移幅值y0之間的相對(duì)傳遞率

由圖2的無諧振峰隔振傳遞率曲線知：

圖2 隔振傳遞率曲線

因此設(shè)計(jì)減振器在振動(dòng)隔離階段的摩擦力最佳取值為

2 減振器的設(shè)計(jì)

2.1 某機(jī)柜的工作環(huán)境

（1）振動(dòng)參數(shù)如下表1。

表1 艦載電子設(shè)備振動(dòng)量值表

（2）沖擊波的波形半正弦波，峰值加速度為300 m/s2，持續(xù)時(shí)間為 40 ms[3]。

2.2 減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為減振器的結(jié)構(gòu)圖：

軸桿1通過螺栓與電子機(jī)柜底部連接，軸桿1具有微調(diào)功能，當(dāng)載荷不是預(yù)定載荷時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿1從而改變減振器的工作高度（適用于重心不完全在正中心的電子機(jī)柜）；彈簧頂板3與軸桿1螺紋連接，底座6上設(shè)置放有主彈簧的凸臺(tái)，與上蓋4螺紋連接；摩擦塊安裝盤7與軸帽2螺紋連接，主要用于摩擦塊的定位，從而限制摩擦塊的運(yùn)動(dòng)；主彈簧8為系統(tǒng)在振動(dòng)和沖擊時(shí)提供所需要的剛度；摩擦塊9與阻尼座5構(gòu)成摩擦副；10為副彈簧，副彈簧變形的大小反映了摩擦塊對(duì)阻尼座的正壓力，從而決定了系統(tǒng)所需要的摩擦力。

圖3 減振器的結(jié)構(gòu)

該減振器的工作過程如下：在靜載荷下，電子機(jī)柜通過主彈簧的剛度及原長(zhǎng)的設(shè)置使摩擦塊與阻尼座的中間位置接觸。根據(jù)無諧振原理，在“低頻”時(shí)，由于主彈簧的剛度和摩擦塊與阻尼座的摩擦力，此時(shí)電子機(jī)柜處于“鎖定”狀態(tài)，相當(dāng)于和減振器連成一體，不會(huì)產(chǎn)生較大位移，在“高頻”時(shí)，系統(tǒng)受到振動(dòng)或沖擊產(chǎn)生較大位移時(shí)，摩擦塊與阻尼座的上下凸起端接觸摩擦為系統(tǒng)提供更大的摩擦力，從而有效緩和系統(tǒng)受到的較大振動(dòng)或沖擊。

2.3 減振參數(shù)的設(shè)計(jì)與仿真分析

（1）減振器剛度參數(shù)的確定

在設(shè)計(jì)減振器剛度參數(shù)時(shí)，為了使系統(tǒng)在頻率較高時(shí)避免共振的影響，應(yīng)將系統(tǒng)本身的固有頻率設(shè)計(jì)得低些，一般將整個(gè)減振系統(tǒng)的固有頻率設(shè)定為5 Hz[4]。以揚(yáng)州723研究所研制的一次性鑄鋁電子機(jī)柜為例，該電子機(jī)柜總重210 kg，在電子機(jī)柜底部安裝4個(gè)減振器，由于電子機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)規(guī)則，則每個(gè)減振器承受的質(zhì)量為52.5 kg。為了滿足系統(tǒng)的固有頻率為5 Hz即10πrad/s，根據(jù)剛度公式

其中k為單個(gè)減振器系統(tǒng)的剛度，m為單個(gè)減振器所承受的質(zhì)量，f為系統(tǒng)的固有頻率。因此，求得單個(gè)減振器的剛度k≈51.8 N/mm。

(2)減振器阻尼參數(shù)

在減振器的結(jié)構(gòu)中，阻尼座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“弓”形，因此該減振器阻尼采取分段阻尼的方式，取值形式如圖4所示。

采取分段阻尼可以實(shí)現(xiàn)減振器的阻尼可變性，當(dāng)振動(dòng)或沖擊位移較小的時(shí)給系統(tǒng)提供較小的阻尼，當(dāng)振動(dòng)或沖擊位移較大時(shí)給系統(tǒng)提供較大的阻尼從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

如圖5為“弓”形阻尼座和摩擦塊相互作用的示意圖。在剛開始的“低頻”振動(dòng)階段（圖5的Ⅰ階段），摩擦副提供的靜摩擦力將減振器和電子機(jī)柜“鎖”成一個(gè)整體(設(shè)此時(shí)副彈簧的壓縮量為x1)，當(dāng)振動(dòng)頻率比γ達(dá)到一定值后，系統(tǒng)所受的慣性力將突破摩擦副的最大靜摩擦力，即阻尼座和摩擦塊之間開始滑動(dòng)摩擦消耗能量進(jìn)行隔振。當(dāng)系統(tǒng)受到較大位移的沖擊時(shí)，促使摩擦塊和阻尼座的上下凸起端接觸（以圖5中Ⅱ階段的上凸起端為例，下凸起端同理），此時(shí)副彈簧被壓縮（設(shè)此時(shí)副彈簧的壓縮量為x2），摩擦塊對(duì)阻尼座的正壓力增大，即摩擦副為系統(tǒng)提供了更大的摩擦力。

圖4 分段摩擦力曲線

圖5 阻尼座和摩擦塊作用示意

根據(jù)無諧振原理-a1、a1段的單個(gè)減振器所需的摩擦力利用 ANSYS Workbench對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析：

建立如圖6所示的仿真模型。

鑄鋁電子機(jī)柜即需要減振的物體，電子機(jī)柜底下安裝4個(gè)減振器，在這里將減振器等效為彈簧單元來進(jìn)行仿真分析[5–6]，并在電子機(jī)柜和減振器之間設(shè)置摩擦副，在摩擦副上可以設(shè)置動(dòng)摩擦系數(shù)，電子機(jī)柜和減振器有相對(duì)位移時(shí)即產(chǎn)生摩擦力。根據(jù)電子機(jī)柜工作環(huán)境對(duì)柜體施加激勵(lì)，同時(shí)對(duì)4個(gè)減振器的底部進(jìn)行固定約束，最后劃分網(wǎng)格對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，仿真曲線如下列圖7所示。

圖6 減振器的仿真模型

圖7 電子機(jī)柜位移響應(yīng)

由圖7可知：在1 Hz～7 Hz內(nèi)系統(tǒng)的響應(yīng)振幅約為0.8 mm～1.25 mm，在5 Hz左右系統(tǒng)最大響應(yīng)振幅為1.257 mm，這與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的固有頻率為5 Hz相符，但由于摩擦副提供的摩擦力，電子機(jī)柜和減振器沒有發(fā)生較大的相對(duì)位移即沒有出現(xiàn)明顯的峰值諧振，系統(tǒng)在大約為7 Hz（倍的激勵(lì)頻率）后，開始“啟用”摩擦副提供的摩擦力消耗能量并開始隔振。根據(jù)仿真結(jié)果：在振動(dòng)隔離階段，減振器的摩擦力取值F1=81.3 N。

接下來設(shè)計(jì)沖擊隔離下減振器所需要的摩擦力，即-a3、-a2和a3、a2段的摩擦力F2。由于振動(dòng)和沖擊隔離時(shí)所需要的摩擦力都是由副彈簧提供，所以在副彈簧剛度k1一定的情況下，在“弓”型阻尼座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參數(shù)a（見圖5）的取值決定了沖擊隔離時(shí)所需要的摩擦力值。

由前面計(jì)算可知-a1、a1段的摩擦力（系統(tǒng)開始隔振的最大靜摩擦力，取動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.25）

由此可以得出-a3、-a2和a3、a2段的摩擦力

該減振器的副彈簧的選用20 N/mm剛度的彈簧，由于整個(gè)減振器的結(jié)構(gòu)尺寸和主彈簧自身的特性，主彈簧的最大彈性變形不能超過24 mm[7]。所以對(duì)a進(jìn)行取值計(jì)算F2直到滿足在沖擊隔離過程中主彈簧的最大變形不超過24 mm且在較短時(shí)間內(nèi)將沖擊的能量消耗掉。

對(duì)電子機(jī)柜施加沖擊激勵(lì)，如圖所示為a=5 mm時(shí)電子機(jī)柜的響應(yīng)位移見圖8。

圖8 電子機(jī)柜受沖擊激勵(lì)下的響應(yīng)位移

由圖8可知：在按要求設(shè)置的沖擊激勵(lì)下，彈簧的最大變形為18.996 mm，小于彈簧的允許變形，且在0.7 s～0.8 s左右將沖擊能量消耗掉。根據(jù)仿真結(jié)果：沖擊隔離階段的摩擦力取值：F2=181.3 N。

(3)減振器主要性能表

在艦載環(huán)境下，對(duì)某電子機(jī)柜的減振器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)減振器的振動(dòng)隔離階段和沖擊隔離階段進(jìn)行了分析，現(xiàn)將減振器性能總結(jié)如下表2。

表2 減振器的主要性能參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果比較

實(shí)驗(yàn)采用某型號(hào)振動(dòng)測(cè)試臺(tái)及配套的電荷放大器、控制器、加速度傳感器。將4個(gè)減振器先和電子機(jī)柜安裝好然后通過螺釘連接到振動(dòng)臺(tái)面，臺(tái)面上放置兩個(gè)傳感器作為激勵(lì)信號(hào)采集點(diǎn)，在電子機(jī)柜頂面也放置兩個(gè)傳感器作為響應(yīng)信號(hào)的采集點(diǎn)。所有信號(hào)通過控制器進(jìn)行分析處理。

GJB振動(dòng)實(shí)驗(yàn)條件[8]：按艦船正弦振動(dòng)，1 Hz～16 Hz單振幅1 mm，16 Hz～60 Hz加速度1 g。在選定范圍內(nèi)，以每分鐘一個(gè)倍頻程速度進(jìn)行掃頻；在危險(xiǎn)頻率上（若無，則在60 Hz上），耐振實(shí)驗(yàn)2小時(shí)。記錄測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9。

接下來對(duì)測(cè)試臺(tái)設(shè)置沖擊參數(shù)如下：

沖擊波形：半正弦；

沖擊加速度：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求輸入30 g；

脈沖寬度：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求輸入40 ms；

波形補(bǔ)償方式：普通；通道靈敏度:100 mV/g；

頻率范圍：60 Hz；

沖擊速率（10～200次/分）：通常輸入30；

圖9 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)幅頻特性曲線

沖擊水平數(shù)（1～10）：3。

設(shè)置完以上參數(shù)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)試結(jié)果如圖10。

從圖9中可以看出減振系統(tǒng)在共振頻率5 Hz處達(dá)到了最大位移值，約為1.17 mm，在7 Hz處系統(tǒng)啟用摩擦副開始隔振，在整個(gè)過程中系統(tǒng)沒有出現(xiàn)明顯的諧振。

圖10 沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)域特性曲線

從圖10中可以看出減振系統(tǒng)在受到40 ms寬度的脈沖時(shí)，響應(yīng)位移到達(dá)了最大值20.5 mm，脈沖過后系統(tǒng)迅速利用摩擦副提供的摩擦力消耗沖擊能量，在0.8 s左右基本消耗完，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

以上進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)均沒有發(fā)生機(jī)柜變形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞的情況。

4 結(jié)語

本文基于無諧振原理，針對(duì)艦載電子機(jī)柜的工作環(huán)境設(shè)計(jì)了一種新型阻尼可變的減振器結(jié)構(gòu)，計(jì)算了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用ANSYS Workbench軟件對(duì)整個(gè)減振系統(tǒng)進(jìn)行了有限元仿真分析，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)比較吻合。該減振器固有頻率低，能夠很好地避免高頻時(shí)段的共振，而且阻尼的可變性不僅可以滿足艦船上一般的振動(dòng)要求，還可以滿足艦船上的沖擊要求。本文介紹的艦載電子機(jī)柜減振器的設(shè)計(jì)方法同樣可以運(yùn)用于機(jī)載、車載或其他環(huán)境平臺(tái)上的電子機(jī)柜的減振器設(shè)計(jì)上，為以后新型減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的參考。

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