电子设备的隔振技术及减振器选型

电子设备的隔振技术及减振器选型

1、概述

电子设备受到的机械力的形式有多种，其中危害最大的是振动和冲击，它们引起的故障约占80%。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。系统的振动特性受三个参数的影响，即质量、刚度和阻尼。对于电子设备的振动和冲击隔离来说，隔振系统的质量一般是指电子设备的质量，而刚度和阻尼则由设备的支撑装置提供。在机械环境的作用下，尤其是在舰船、坦克、越野车辆、飞机等运载工具中，设备及其内部的电子器件、机械结构等都难以承受振动冲击的干扰。

表1 各种运载工具振动、冲击和离心加速度参数

单位：g9.8m/s2

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。

2、隔振技术

2.1隔振

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。

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

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。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），可用下式计算：

η＝x O/ U O

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

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。

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；η值随ξ增大而减小，所以，对于启、停频繁的设备，为防止设备在启动或停机过程中经过共振区域时产生过大的共振，减振器选用时应考虑阻尼大一些的。

当f／f o=时，隔振系数η=1，振动力等值传递，此时系统无隔振效果；

当f／f o＞时，隔振系数η＜1，振动力减值传递，此时系统有隔振效果。

因此，要使隔振系统有效果，必须使η＜1，即必须使频率比f ／f o＞。在电子设备的减振设计中一般取频率比f／f o为2.5~4.5，也就是说要获得满意的隔振效果，应该使隔振支承系统的固有频率为振动力频率的1/2.5~1/4.5。

阻尼在共振区内，阻尼可以抑制传递率的幅值，使物体的振幅不

至于过大；在非共振区，阻尼反而使传递率增大。

因此，隔振应强调以下几点：

当f／f o≈1时，发生共振，应力求避免；

不论阻尼大小，只有f／f o＞，才有隔振效果；

一般情况下，建议把频率比f／f o取为2.5~4.5。

隔振系统中控制振动及其传递主要有三个基本因素：隔振器的刚度k、被隔离物体质量m及系统支承即隔振器的阻尼比ξ。它们各自的影响简述如下：

①刚度k——隔振器的刚度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。因为：

f０=(k/m)0.5/2π(2)

k越大，f０越大，f／f o越小，η就越大（在隔振区）隔振效果差；

k越小，f０越小，f／f o越大，η就越小（在隔振区）隔振效果好。

因此，就隔振而言，刚度k应尽可能小；必须指出的是，过小的刚度k可能无法承受质量m，就像一个重物将一根弹簧压扁了，无法起到隔振作用，对于一个设计正确的隔振系统，支承的刚度计算既要考虑隔振效果的实现，同时还要兼顾其承载能力。

②质量m——被隔离物体的质量m使支承系统保持相对静止，物体质量越大，在确定振动力的作用下物体振动越小。同样从式(2)看出，m越大，则f０越小，在隔振区η就越小，隔振效果好。增大质量还包括增大隔振底座的面积，以增大物体的惯性矩，可减小物体的摇晃，但质量往往是确定的，增加是有限的。

③阻尼比ξ——隔振系统的支承阻尼有以下的作用：在共振区减小共振峰值，抑制共振振幅；但是，在隔振区，随着ξ的增大，η也变大，隔振效果变差。因此阻尼的作用有利也有弊，设计时应特别注意。

2.2隔冲

冲击是一种急剧的瞬间作用。例如飞机的起飞和着陆，火车、汽车的启动与停车，物体的起吊与跌落等都能产生较大的冲击。在冲击发生时，虽然时间相当短，但作用十分强烈。冲击作用下，电子设备的零部件的冲击应力超过其最大允许值时将导致设备损坏，有时也会因多次冲击作用形成疲劳积累，使设备发生疲劳破坏。因此，对冲击的作用也必须进行隔离。

由能量定理可知：当外来冲击能量一定时，若冲击力作用的时间愈长则设备所受的冲击力愈力小，冲击加速度也愈小。因此若能延长冲击力作用的接触时间，就可减轻电子设备所受冲击作用的影响。

电子设备大都属于被动隔冲，在支撑基座与电子设备之间装一减振器进行冲击隔离，当外界冲击力作用在支撑基座上时，由于减振器中的弹性元件和阻尼元件产生变形，吸收能量并延长冲击力作用的接触时间，使传递给设备的冲击力减小了很多，达到缓冲的目的。减振器的刚度越小，阻尼越大，则冲击力的作用接角时间愈长，减振器的变形愈大，设备受到的冲击力也就愈小，缓冲的效果愈好。

2.3机柜背部隔振器设计思路

当设备机柜的高度较高时(一般在1．2米以上)，就要考虑在机