机载电子设备机柜减振设计

机载电子设备机柜减振设计
摘要：主要对机载电子设备机柜的减振技术进行了阐述。

首先明确减振设计的必要性，通过设计实践，并参考设备使用情况，总结了减振机柜的设计流程。

参考减振理论和减振设计原则，详细描述减振器布局计算方法，定量的分析振动的功率谱密度曲线并给出振动能量的计算方法。

减振设计流程可以作为指导军用机载电子设备的减振设计依据，具有一定的实际价值。

关键词：减振优化设计减振器布置功率谱密度传递系数
Airborne electronic equipment cabinet vibration reduction design
LIU Feng1,2 CHEN Ken1,3
1.Department of Precision Instrument and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084
2.Intelligence institute of reconnaissance equipment，Equipment Academy of Airforce，Beijing 100086
3.State key Laboratory of Tribology，Tsinghua University，Beijing 100084
Abstract: It’s mainly elaborating Airborne electronic equipment cabinet vibration reduction design. Emphasize the necessity of the design firstly, then list the technological process of vibration reduction design with the help of design practices and the application effect. With the reference of vibration theory and vibration damping design principles, provide a detailed description of shock absorber distribution calculation method. Analyses the vibration power spectral density curves and then put forward the calculation method of vibration energy. The damping design could be used as the basis of vibration reduction design for airborne electronic equipment and has practical value.
Key words: Design optimization for vibration reduction; Shock absorber arrangement; Power spectral density; Transfer coefficient
1、引言
在第二次世界大战期间，美国空军因飞行故障而报废约21000架飞机，这比被击落的还多1.5倍；飞机上的电子设备经运输至远东后，有60%不能继续使用。

这些事实引起美军对环境适应性问题及其可靠性问题的高度重视，其中以振动与冲击环境适应性为重。

衡量军用机载电子设备的优劣，除了衡量设备自身性能指标的好坏外，还必须严格满足国军标的环境适应性指标，即通过环境适应性试验。

振动对电子设备的危害很大,主要表现在振动引起电子产品元器件触点接触不良,指示灯工作不正常,防潮密封性能下降,成型元器件出现裂纹,锡焊和熔焊处断开等等问题。

虽然机载电子设备本身是按照国军标研制的，但大多数电子设备自身并没有减振系统，所以长期安置在振动条件恶劣的环境下会使电子元器件产生疲劳破坏。

机载电子设备的抗振设计主要有两种措施：即加固设计和采用减振缓冲系统。

一般说来，电子侦察机的机载设备众多，将每个设备都加固的投入过大，而且加固技术本身也有一定的限制，所以一般都采用减振系统进行抗振。

将电子设备安置在机柜内部，机柜与机舱固定面进行有效减振。

通过机柜整体隔振，使减振器和机柜的固有频率都尽可能远离机柜自身的固有频率，适当控制阻尼。

通过减小振动频率和振动力为电子设备提供良好的振动环境，使电子设备更好地工作。

从减振方式上区分，现代减振主要分为两种，即积极减振和消极减振[1]。

在消极减振方面，某些专业领域如摩托车、汽车的减振系统（克服路面产生的振动）具有较为理想的减振效果和成熟的减振设计方法。

但是由于该类减振系统使用的减振器尺寸较大，减振频率范围较低，不适合推广到机载电子设备上，故一般机载电子设备减振不采用上述方法。

虽然减振器在我国已经应用了三十多年，但由于减振器种类众多，质量参差不齐，如何正确布置减振器，并没有形成一个完备的标准。

早期许多军用减振设计并不成熟，主要停留在两个层面，一是依靠经验和部分理论指导进行减振设计；二是虽然完全进行理论减振设计，但设计中没有振动实验检验环节，只在最终进行振动试验测试。

上述两种减振设计理念都不完善,综合归纳具有如下局限性:
(1)早期减振机柜的设计只考虑减振器的某一项指标，如：额定负载。

事实上，需要通盘考虑减振器的固有频率、阻尼、实际安装后的挠度、应力值等关键参数；
(2)早期减振机柜的设计只考虑加大支撑点的跨距，对减振器的分布没有优化设计；
(3)早期减振机柜的设计的中间阶段，没有进行振动台测试实验，没有对减振设计进行必要的修正。

由于振动环境复杂,设计计算一定会简化某些环节,所以计算结果必然与实际有一定的误差。

对减振的实际效果不能完全把握，容易造成试制品失败；(4)早期减振机柜的设计研制完成后，不进行振动试验，不考虑设备到底是否减振成功；
2、机载电子设备减振系统设计
2.1减振设计流程
对于机载减振机柜的设计如图2.1所示流程[3][4]进行设计，解释如下：
(1)首先需要整体考虑承载各类电子设备的机柜的尺寸，综合考虑电子设备的前后定位、散热、走线、机载空间、减振方式等问题后，统一确定减振机柜的外形尺寸；
(2)明确每个台位的电子设备重量，在机柜内的质量分布状况，为质心和惯性轴的确定做好准备工作。

当然，尽可能按照一定的原则放置设备机箱，以保证机柜质量分布具有一定的对称性，能够同时兼顾散热流通原则最好；
(3)确定机柜质心和惯性轴，并明确减振方式，如：只底部平面减振、底部和顶部联合减振、底部和背部联合减振等；
(4)通过反复实验，实际测定将来安装机柜减振器的固定点处的激振频率。

由于飞机经过改造，原机的频率参数发生改变，并不准确，无法作为设计依据，只能作为一个参考值。

该操作需要振动测试仪配合工作，否则无法准确测量出固定点的激振频率。

在测量激振频率时，由于飞机存在气流、发动机等振源，其振动情况复杂，所以振动点的频率并非是一个标准正弦曲线，更不可能是一个恒定值，其振动实际上是一个随机振动。

所以，需要通过软件后处理取一个平均时间段的振动频率有效值来进行后续计算。

该步骤中，振动测试仪及配套软件是核心；
(5)计算各安置点减振器的挠度，计算各减振器安置点的减振器载荷应力；
(6)根据载荷、挠度以及阻尼情况合理选用减振器，并进行布局设计计算；
(7)双通道振动试验测试是将两个双通道振动测试仪的加速度传感器分别固联到激振点和经过减振的电子设备上，两路同时对振动信号进行采样，双通道测振是最简单的情形，如果条件允许，多个通道同时测量综合考虑效果更好；
(8)检验减振设计是否成功，评价减振效果后面有详细描述；
(9)根据上一步的评估结果决定是否需要进一步修正减振设计方案；
(10)如果减振效果不是很理想，则需要进行进一步的减振修正设计；
(11)重新进行试验，如此循环，直到满足减振要求；
2.2减振器布局设计
2.2.1布局原则
采用减振器减振的目的，根据不同情况而异。

比如，有时是为了减少振动应力以延长设备的工作寿命；有时是为了减少振幅，以免因振动而影响到其他设备；有时是为了延长振动周期使人员舒适（如汽车）。

机载电子设备减振主要是为了减小振动频率并减小振动力以保护机载电子设备。

值得一体的是振源的激振频率和基座或减振器自振频率（固有频率）之间的关系，如果激振频率与自振频率相等或接近或成整数倍则会产生共振，共振时振幅剧增，可能引起事故。

减振器布局的设计计算原则[2][8]如下：
(1)尽可能使减振器的负载相等或接近，这样可以采用同一型号的减振器；
(2)如果负载处的载荷确实相差较大，导致不能使用同一型号减振器时，则应尽可能保证在减振器负载需用范围内的各个减振器的变形量相等；
(3)尽可能保证减振器的固有频率与相应的扰动频率之比小于；
(4)尽可能确保各减振器的布置对称于机柜的主惯性轴，或布置在包含机柜重心的平面内，以使减振装置的刚度中心能和机柜中心位于同一垂线或重合，刚度轴和机柜的主惯性轴相互平行或重合。

2.2.2预备条件
一般在设计减振结构时，减振器的选择和布置应遵从上述原则进行设计计算。

下面以工程实践中的一个具体问题为例，对减振器分布进行设计分析。

由于机柜高度较高，该减振结构采用上下减振方式，利用外框架和内机柜配合实现。

这样不但可以有效减振，还可以抵抗飞机起飞和降落时的加减速度。

综合考虑工程设计的一般化和简洁化原则，本问题做如下假设：
(1)内机柜及内机柜上放置的设备总重量为，每个减振器的载荷为，刚度为，挠度为，其中；
(2)减振器成列布置，底部两列，顶部一列，成对布置但关于质心不对称；
(3)外机柜与底座刚性相连，即在任何情况下，上下两层各减振器的支撑面分别在同一平面内，变形量分别为为，，这里为简化计算，令；
(4)减振器和支座的高度和为，内机柜高度为，外机柜内高为，其中与为未知数，其他数据可预先设计好；
(5)各减振器在XY平面内距X轴的距离分别为，距Y轴的距离分别为；
2.2.3设计计算依据
图2.3将上述设计计算原则归纳成计算公式，其中相等代表减振器刚度相等,即选用相同的减振器；相等表示减振器安置后变形量相等。

计算公式从上向下对各参数的要求苛刻性依次降低，当然由于减振器产品的刚度值并不是连续的，而是离散的，故涉及刚度值参与的公式也并不难于确定各参数值。

当然，单纯依靠图2.3所列的公式无法唯一确定和，这就要求结合结构设计其他考虑因素在内，如：
(1)各支撑点的坐标轴的矩的和为0，即：
（1）
(2)减振器变形量：
（2）
(3)总重量：
（3）
(4)如有必要考虑结构稳定性以及刚度问题，对和进行约束；
(5)如方程数量仍然少于未知数，可以考虑同一平面内任意两个减振器的连线如果与其他两个减振器连线相交，则他们的焦点处的挠度相等，这样可以增加一些联立方程[8]；
(6)考虑一些几何关系：
（4）
另外，在需要考虑抗冲击的情况下，YZ平面的受力情况也可以用来确定和；如果需要考虑扭转变形问题，则可以对Z轴取矩。

综上，按照图2.3的计算框架并适当增加联立方程就可以确定减振器的位置，刚度，载荷等问题都会迎刃而解。

工程中，确定了和后，经常会通过诺模图来计算各点载荷。

3、减振效果的定量评价。