電子設備減震與緩沖1

電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害減震和緩沖基本原理常用減震器及選用電子設備減震緩沖的結構措施 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害一 機械作用的分類電子設備在使用和運輸過程中 不可避免地會受到振動 沖擊等機械力的作用 具體有以下四種類型 l 周期性振動指機械力的周期性運動對設備產生的振動干擾 并引起設備作周期性往復運動 產生這一干擾的主要原因是 運載工具發(fā)動機的振動 例如汽車 艦船 飛機 導彈等發(fā)動機工作時產生的強烈振動 設備內部的發(fā)動機 風機 泵產生的振動等 表征周期性振動的主要參數(shù)有振動幅值和振動頻率 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害一 機械作用的分類2 非周期性干擾 碰撞和沖擊指機械力作非周期性擾動時對設備的作用 其特點是作用時間短暫 但加速度很大 根據(jù)對設備作用的頻繁程度和強度大小 非周期性擾動力又可分為 1 碰撞 指設備或元件在運輸和使用過程中經(jīng)常遇到的一種沖擊力 例如車輛在坑洼不平的道路上行駛 飛機的降落 船舶的拋錨等 這種沖擊作用的特點是次數(shù)較多 具有重復性 波形一般是正弦波 2 沖擊 指設備或元件在運輸和使用過程中遇到的非經(jīng)常性 非重復性的沖擊力 例如撞車或急剎車 艦船觸礁 炸彈爆炸 設備跌落等 其特點是次數(shù)較少 不經(jīng)常遇到但加速度大 例如 艦船在一般環(huán)境條件下受到的加速度并不大 但在炸彈或魚雷爆炸時它受到的沖擊加速度可達1000g 5000g g為重力加速度 表征碰撞和沖擊的參數(shù)有波形 峰值加速度 碰撞或沖擊的持續(xù)時間 碰撞次數(shù)等 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害一 機械作用的分類3 離心加速度指運載工具作非直線運動時設備受到的加速度 例如 飛機在急劇轉彎時 除受到振動 沖擊等機械力作用外 還受到離心加速度的作用 一般來說 受離心力作用最大的是機載電子設備 地面或水面的一切移動設備都沒有超過它們 離心力所造成的破壞是嚴重的 例如 具有電接觸點的電器產品 如繼電器 開關等 當離心力作用方向恰好與電路接觸點的開 合方向一致時 若離心力大于電接觸點的接觸壓力 接觸將自動脫開或閉合 造成系統(tǒng)誤動作 信號中斷或電氣線路等故障 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害一 機械作用的分類4 隨機振動指機械力的無規(guī)則運動對設備產生的振動干擾 隨機振動在數(shù)學分析上不能用確切的函數(shù)來表示 只能用概率和統(tǒng)計的方法來描述其規(guī)律 隨機振動主要由外力的隨機性引起 例如 路面的凹凸不平使汽車產生隨機振動 大氣湍流使機翼產生隨機振動 海浪使船舶產生隨機振動以及火箭點火時由于燃燒不均勻引起部件的隨機振動等 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害二 振動與沖擊對電子設備的危害上述四種機械作用均會對電子設備造成影響 其中危害最大的是振動與沖擊 如果結構設計不當 就會導致電子設備損壞或無法工作 它們造成的破壞主要有兩種形式 其一是強度破壞指設備在某一激振頻率下產生振幅很大的共振 因最終振動加速度所引起的應力超過設備所能承受的極限強度而導致破壞 或者由于沖擊所產生的沖擊應力超過設備的極限強度而導致破壞 其二是疲勞破壞 指振動或沖擊引起的應力雖遠低于材料的強度 但由于長時間振動或多次沖擊而產生的應力超過其疲勞極限 使材料發(fā)生疲勞損壞 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害二 振動與沖擊對電子設備的危害設備破壞的原因 除了零部件的設計 制造和裝配質量等不合格以外 主要是在設計整機或零部件時 忽視了環(huán)境對設備造成的影響 沒有充分考慮設備承受環(huán)境條件極限的能力 或是由振動和沖擊的隔離系統(tǒng)設計不正確所致 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害二 振動與沖擊對電子設備的危害電子設備造成的危害具體表現(xiàn)在 1 沒有附加鎖緊裝置的接插裝置會從插座中跳出 并碰撞其他元器件而造成破壞 2 電真空器件的電極變形 短路 折斷 或者由于各電極做過多的相對運動 產生噪聲 使設備不能正常工作 3 振動引起彈性元件變形 使具有觸點的元件 電位器 波段開關 插頭座等 接觸不良或開路 4 指示燈忽亮忽暗 儀表指針不斷抖動 或指針脫落 使觀察人員讀數(shù)不準 視覺疲勞 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害二 振動與沖擊對電子設備的危害 5 當零部件的固有頻率和激振頻率相同時 會產生共振現(xiàn)象 例如 可變電容器極片共振時 會使電容量發(fā)生周期性變化等 6 安裝導線的變形及位移 使其相對位置改變 引起電感量和分布電容發(fā)生變化 從而使電感電容的耦合發(fā)生變化 7 機殼和基礎變形 脆性材料 如玻璃 陶瓷 膠木 聚苯乙烯 斷裂 8 防潮和密封措施受到破壞 9 錫焊和熔焊處斷開 焊錫屑掉落在電路中間而造成短路故障 10 螺釘 螺母松開甚至脫落 并撞擊其他零部件 造成短路和破壞 有些用來調整電氣特性的螺釘受振后會產生偏移 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害二 振動與沖擊對電子設備的危害由此看出 振動與沖擊對電子設備的影響是多方面的 一般振動會引起元器件或材料的疲勞損壞 而沖擊則會因瞬時加速度很大而造成元器件或材料的強度破壞 振動引起的故障約占80 沖擊引起的故障約占20 電子設備減震與緩沖 振動與沖擊對電子設備的危害減震和緩沖基本原理常用減震器及選用電子設備減震緩沖的結構措施 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理為了減少或防止振動與沖擊對電子設備的影響 通常采取兩種措施 增強設備及元器件的耐振動 耐沖擊能力 材料選用和合理的結構設計來實現(xiàn)如增加結構尺寸 提高設備及元器件的強度與剛度 從而增強設備及元器件的耐振動 耐沖擊能力 安裝減振器來隔離振動與沖擊對電子設備的影響 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理1 振動系統(tǒng)的組成機械振動是指物體受交變力的作用 在某一位置附近作往復運動 如電動機放在一簡支梁上 當電動機旋轉時 由于轉子的不平衡 質量的慣性力將引起電動機產生上下和左右方向的往復運動 當限制其左右運動時 就構成最簡單的單自由度自由振動系統(tǒng) 其組成有振動體m和彈性體K 故又稱為m K系統(tǒng) 見圖所示 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理1 振動系統(tǒng)的組成 圖a 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理減振就是通過在設備或器件上安裝隔振裝置 隔離或減少它們與外界間的機械振動傳遞 包括 主動隔振與被動隔振 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 1 主動隔振與被動隔振主動隔振是指在振動體與安裝基礎之間安裝彈性支承即減振器 減少機器振動力向基礎的傳遞量 使振動體的振動得以有效的隔離一般情況下 風機 水泵 壓縮機及沖床的隔振都是主動隔振 被動隔振是指在儀器設備與基礎之間安裝彈性支承即隔振器 以減少基礎的振動對儀器設備的影響程度 使儀器設備能正常工作或不受損壞 被動隔振對儀器設備采取隔離措施 一般情況下 儀器及精密設備的隔振都是被動隔振 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)圖 b 是一質量為m 剛度為K 黏性阻尼系數(shù)為c的單自由度振動系統(tǒng) 主動隔振 與圖 a 相比 該系統(tǒng)多了一個阻尼器 阻尼器是指發(fā)生變形時能產生能量消耗的裝置物體變形時的能量消耗多少用阻尼系數(shù)c 或阻尼比 來表示 c 或 越大 表明該物體變形時的能量消耗越多 反之就越少 電子設備減震與緩沖 K b 主動隔振 b 被動隔振 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)圖 b 中的物體若沒有阻尼作用 即阻尼系數(shù)c 0 就成為圖 a 的無阻尼單自由度振動只要碰一下 給一個初始能量 根據(jù)能量守恒定理 由于運動過程中沒有能量損失 它將永遠上下振動下去 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)實際上 振動過程中不可能沒有阻尼 即沒有能量損失 如空氣阻尼 彈性體變形時的阻尼等 都會引起能量損失 由于有能量消耗 上述振動會很快停下來 這種可以及時停歇的振動對電子設備的影響不大 真正危害電子設備正常工作的是受到外部持續(xù)不停的機械作用 因為這種持續(xù)不停的機械作用補充了阻尼消耗的能量 使振動一直持續(xù) 因此 必須采取隔振措施 將這種作用對設備的影響降到最小 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)設外力F Fmsin t 垂直作用在物體上 通過彈性與阻尼作用使基礎同時受到彈簧力及阻尼力 此時物體同樣也受到彈簧力及阻尼力 物體按一定的規(guī)律運動 把基礎所受到的彈簧力與阻尼力的合力Ft與作用在物體上的力F 相比 這個比值 稱為隔振系數(shù) 用下式表示 Ft F 隔振系數(shù)的含義是傳到基礎上的力與原振動力的百分比 如果物體直接固定在基礎上 那么振動力就全部傳到基礎上 此時Ft F l 所以 只有當 小于1時 才有隔振效果 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù) Ft F f振動力的頻率f0隔振系統(tǒng)的固有頻率 減震器的阻尼比 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)隔振系數(shù) 與頻率比f f 及阻尼比 有關 三者的關系可畫成圖 c 所示的曲線 當f f 1時 隔振系數(shù) 1 此時振動力變化緩慢 且?guī)缀醯戎祩鬟f到基礎上 當f f l時 隔振系數(shù) 最大 振動力有放大現(xiàn)象 此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài) 對于不同的阻尼比 曲線明顯分開 表明阻尼對共振的影響大 值隨 增大而減小 所以 對于啟 停頻繁的設備 為防止設備在啟動或停機過程中經(jīng)過共振區(qū)域時產生過大的振動 減振器選用時應考慮采用大阻尼的減振器 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)隔振系數(shù) 與頻率比f f 及阻尼比 有關 三者的關系可畫成圖 c 所示的曲線 當f f 2時 隔振系數(shù) l 振動力等值傳遞 此時系統(tǒng)無隔振效果 當f f 2時 隔振系數(shù) 1 振動力減值傳遞 此時系統(tǒng)有隔振效果 值可按式計算或從圖中的曲線查出 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 2 隔振系數(shù)隔振系數(shù) 與頻率比f f 及阻尼比 有關 三者的關系可畫成圖 c 所示的曲線 因此 要使隔振系統(tǒng)有效果 必須使 2在電子設備的隔振設計中一般取頻率比f f 為2 5 4 50也就是說 要獲得滿意的隔振效果 應該使隔振支承系統(tǒng)的固有頻率為振動力頻率的1 2 5 1 4 5 阻尼的作用在振動傳遞率曲線上看得很清楚 在共振區(qū)內 阻尼可以抑制傳遞率的幅值 使物體的振幅不至于過大 在隔振區(qū) 阻尼大反而使傳遞率增大 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振如圖 b 所示 此時振動來自基礎 其運動用U U sin t 表示 也是周期振動 與主動隔振一樣 被動隔振也可用隔振系數(shù) 表示其隔振效果 它的含義是被隔離物體的振幅x0與基礎振幅U 之比 或是振動速度幅值 加速度幅值的比值 被動隔振系數(shù)與主動隔振的振動傳遞率計算表達式完全一樣 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振被動隔振與主動隔振 都應強調以下幾點 當f f 1時 發(fā)生共振 應力求避免 不論阻尼大小 只有f f 2 才有隔振效果 一般情況下 建議把頻率比f f 取為2 5 4 5 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振被動隔振與主動隔振 都應強調以下幾點 當f f 1時 發(fā)生共振 應力求避免 不論阻尼大小 只有f f 2 才有隔振效果 一般情況下 建議把頻率比f f 取為2 5 4 5 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振隔振系統(tǒng)中主要有三個基本因素控制振動及其傳遞 減振器的剛度K 被隔離物體質量m及系統(tǒng)支承即減振器的阻尼比 它們各自的影響簡述如下 f K m 0 5 2 剛度K 減振器的剛度越大 隔振效果越差 反之隔振效果越好 K越大 f 越大 f f 越小 就越大 在隔振區(qū) 隔振效果差 K越小 f 越小 f f 越大 就越小 在隔振區(qū) 隔振效果好 因此 就隔振而言 剛度K應盡可能小 必須指出的是 過小的剛度K可能無法承受質量m 就像一個重物將一根彈簧壓扁了 無法起到隔振作用 對于一個設計正確的隔振系統(tǒng) 支承的剛度計算既要考慮隔振效果的實現(xiàn) 同時還要兼顧其承載能力 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振隔振系統(tǒng)中主要有三個基本因素控制振動及其傳遞 減振器的剛度K 被隔離物體質量m及系統(tǒng)支承即減振器的阻尼比 它們各自的影響簡述如下 f K m 0 5 2 質量m 被隔離物體的質量m使支承系統(tǒng)保持相對靜止 物體質量越大 在確定振動力的作用下物體振動越小 同樣 從式看出 m越大 則f 越小 在隔振區(qū) 就越小 隔振效果好 增大質量還包括增大隔振底座的面積 以增大物體的慣性矩 這樣可減小物體的搖晃 但質量往往是確定的 其增加是有限的 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理2 減振原理 3 被動隔振隔振系統(tǒng)中主要有三個基本因素控制振動及其傳遞 減振器的剛度K 被隔離物體質量m及系統(tǒng)支承即減振器的阻尼比 它們各自的影響簡述如下 f K m 0 5 2 阻尼比 隔振系統(tǒng)的支承阻尼有在共振區(qū)減小共振峰值 抑制共振振幅的作用 但是 在隔振區(qū) 隨著 的增大 也變大 隔振效果將變差 因此阻尼的作用有利也有弊 設計時應特別注意 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理3 隔沖的基本原理沖擊是一種急劇的瞬間作用 例如飛機的起飛和著陸 火車 汽車的啟動與停車 物體的起吊與跌落等都能產生較大的沖擊 沖擊發(fā)生時 雖然時間相當短 但作用十分強烈 在沖擊作用下 電子設備零部件的沖擊應力超過其最大允許值時將導致設備損壞 有時也會因多次沖擊作用形成疲勞積累 使設備發(fā)生疲勞破壞 因此 對沖擊的作用也必須進行隔離 電子設備減震與緩沖 減震和緩沖基本原理3 隔沖的基本原理由