第四章 电子设备的减振与缓冲

第四章电子设备的减振与缓冲

4．1振动与冲击对电子设备的危害

4.1.1 机械作用的分类

电子设备在使用和运输过程中，不可避免地会受到振动、冲击等机械力的作用，具体有以下四种类型。

1.周期性振动

这是指机械力的周期性运动对设备产生的振动干扰，并引起设备作周期性往复运动。

表征周期性振动的主要参数有：振动幅度和振动频率。

2.非周期性干扰——碰撞和冲击

这是指机械力在作非周期性扰动对设备的作用。其特点是作用时间短暂，但加速度很大。根据对设备作用的频繁程度和强度大小，非周期性扰动力又可分为：

（1）碰撞设备或元件在运输和使用过程中经常遇到的一种冲击力。这种冲击作用的特点是次数较多，具有重复性，波形一般是正弦波。

（2）冲击设备或元件在运输和使用过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力。。其特点是次数较少，不经常遇到但加速度大。

表征碰撞和冲击的参数：波形、峰值加速度、碰撞或冲击的持续时间、碰撞时间、碰撞次数等。

3.离心加速度

这是指运载工具作非直线运动时设备受到的加速度。

4.随机振动

这是指机械力的无规则运动对设备产生的振动干扰。随机振动在数学分析上不能用确切的函数来表示，只能用概率和统计的方法来描述其规律。随机振动主要是外力的随机性引起的，

4.1.2 振动与冲击对电子设备的危害

上述四种机械作用均会对电子设备造成影响，其中危害最大的是振动与冲击，如果结构设计不当，就会导致电子设备的损坏或无法工作。

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。

振动和冲击电子对电子设备造成的危害具体表现在：

1．没有附加锁紧装置的接插装置会从插座中跳出来，并碰撞其他元器件而造成破坏。

2．电真空器件的电极变形、短路、折断；或者由于各电极作过多的相对运动而产生噪声，不能正常工作。

3．振动引起弹性元件产生变形，使具有触点的元件（电位器、波段开关、插头座等）产生接触不良或开路。

4．指示灯忽亮忽暗，仪表指针不断抖动（或指针脱落），使观察人员读数不准，视觉疲劳。

5．当零部件的固有频率和激振频率相同时，会产生共振现象。例如，可变电容器极片共振时，会使电容量发生周期性变化等。

6．安装导线变形及位移，使其相对位置改变，引起电感量和分布电容发生变化，从而使电感电容的耦合发生变化。

7．机壳和基础变形，脆性材料（如玻璃、陶瓷、胶木、聚苯乙烯）断裂。

8．防潮和密封措施受到破坏。

9．锡焊和熔焊处断开，焊锡屑掉落在电路中间而造成短路故障。

10．螺钉、螺母松开甚至脱落，并撞击其它零部件，造成短路和破坏。有些用来调整电气特性的螺丝受振后会产生偏移。

由此看出，振动与冲击对电子设备的影响是多方面的，一般振动引起的是元器件或材料的疲劳损坏，而冲击则是由于瞬时加速度很大而造成元器件或材料的强度破坏；振动引起的故障约占80%，冲击引起的故障约占20%。

4．2减振和缓冲基本原理

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。

4.2.1隔振的基本原理

1.振动系统的组成

机械振动是物体受交变力的作用，在某一位置附近作往复运动。如电动机放在一简支梁上，当电动机旋转时，由于转子的不平衡，质量的惯性力引起电动机产生上下和左右方向的往复运动，当限制其左右运动时，就构成最简单的单自由度自

由振动系统，其组成有振动物体m和弹性物体k，故又称

为m-k系统。

2.隔振原理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。

（1）主动隔振与被动隔振

主动隔振——在振动物体与安装基础之间安装弹性支承即隔振器，减少机器振动力向基础的传递量，使振动物体的振动得以有效的隔离；这种对振动物体采取隔离的措施称为主动隔振。一般情况下，风机、水泵、压缩机及冲床的隔振都是主动隔振。

被动隔振——在仪器设备与基础之间安装弹性支承即隔振器，以减少基础的振动对仪器设备的影响程度，使仪器设备能正常工作或不受损坏；这种对仪器设备采取隔离的措施，称为被动动隔振。一般情况下，仪器及精密设备的隔振都是被动隔振。

（2）隔振系数

真正危害电子设备正常工作的是受到的外部持续不停的机械作用，因为这种持续不停的机械作用补充了阻尼消耗的能量，使振动一直持续。因此，必须采取隔振措施，使这种持续不停的机械作用对设备的影响降到最小。

主动隔振系数：

设外力Ｆ０＝sin(ωt)垂直作用在物体Ｍ上，通过弹性与阻尼作用使基础同时受到弹簧力及阻尼力，此时物体同样也受到弹簧力及阻尼力，物体按一定的规律运动。把基础所受到的弹簧力及阻尼力的合力ＦＴ与作用在物体上的ＦＯ力相比，这个比值η称为隔振系数，用式(4.1)表示：

η＝ＦＴ／ＦＯ(4.1)

隔振系数的含义是：传到基础上的力是原振动力的百分之几。如果物体直接固定在基础上，那么振动力就全部传到基础上，此时ＦＴ＝ＦＯ，η＝１。所以，只有当η小于１时，才有隔振效果。

隔振系统的隔振系数可由下式计算：

η＝｛［１＋４ξ2（f／f o）２］／［１－（f／f o）２］２＋４ξ2（f／f o）２｝０．５(4.2) 被动隔振系数：

振动来自基础，其运动用U=U o sin(ωt)表示，也是周期振动。与主动隔振一样，被动隔振也可用隔振系数η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），用式(4.3)计算：

η＝x O/ U O

=｛［１＋４ξ2（f／f o）２］／［１－（f／f o）２］２＋４ξ2（f／f o）２｝０．５（4.3）

式中x O——物体的垂向振幅(m)；

U O——基础的垂向振幅(m)。

式中f――振动力的频率（ＨＺ）；

f o――隔振系统的固有频率（ＨＺ）；

k――隔振器的刚度（Ｎ／m）；

m――物体的质量（kg）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

ξ——减振器的阻尼比（橡胶减振器的阻尼比为0.02~0.15）。

被动隔振系数与积极隔振的振动传递率计算表达式完全一样

从η的表达式可以看出，隔振系数η与频率比（f／f o）及阻尼比ξ有关，三者关系如图所示的曲线。

隔振系数η与频率比（f／f o）及阻

尼比ξ关系曲线

从图可以看出：

当f／f o＜＜1时，隔振系数η=1。

此时振动力变化缓慢，且其几乎等值传

递到基础上。

当f／f o =1时，隔振系数η为最大，

振动力有放大现象，此时系统处于共振

状态；对于不同的阻尼比ξ，曲线明显

分开，表明阻尼对共振的影响大，η值随ξ增大而减小，所以，对于启、停频繁