油田車載設(shè)備的抗振設(shè)計

王延浩

（四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024）

油田現(xiàn)場車載石油鉆采設(shè)備的操作實際中，經(jīng)常出現(xiàn)控制箱體內(nèi)的硬連接線掉落、設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)元器件掉線等現(xiàn)象，這些問題給石油鉆采工作增加了許多麻煩。發(fā)生上述問題的原因初步斷定是設(shè)備運行時振動過于強烈而導致的。因此，需要從電子設(shè)備加固和隔振2個方面進行抗振設(shè)計。

1 電子設(shè)備加固設(shè)計

電子設(shè)備的加固設(shè)計應(yīng)遵循層次結(jié)構(gòu)和二倍頻規(guī)則。一般的電子設(shè)備都有3層結(jié)構(gòu)，分別是機柜、插箱、插箱內(nèi)的元器件。按線性系統(tǒng)振動理論，當下層次的一階固有頻率與上一層次的一階固有頻率的比值β不小于2時，其基礎(chǔ)的激勵力不會放大，此時可將此結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)，這就是倍頻法則。在此情況下可保證不發(fā)生局部共振，但是實際情況中β≥2很難實現(xiàn)，一般取β≥1.5［1］。

1.1 機柜的剛性設(shè)計

機柜是設(shè)備的承載體，機架的四周立柱的剛性大小直接影響到整個機柜的強度大小。機柜的剛性大小直接影響到機柜的動態(tài)特性和整體隔振效果。增加機柜剛性的方法有很多，比較常見的是增加矩形截面立柱以減少薄壁面積的方法。

1.2 插箱的抗振設(shè)計

插箱一般通過面板、導軌與機柜相連，導軌必須選用高強度結(jié)構(gòu)，插箱底板是電子設(shè)備的安裝平臺，條件允許的情況下增加限位措施，可減少振動面積，同時增加壁厚，可大幅度地提高抗彎剛度，有效地提高其固有頻率。經(jīng)過對機柜各部分連接處進行加固后，掉線情況有所好轉(zhuǎn)。

2 隔振設(shè)計

2.1 試驗

圖1 加裝硅膠體和隔振器示意圖

第1次在機柜外部加裝了一組底部隔振器，經(jīng)過運行，出現(xiàn)類似的問題，尤其是PLC電路板的元器件掉線情況。第2次在PLC電路板增加4只硅膠體減震器，對該機柜的核心部分 （計算機模塊）起二次隔振作用 （見圖1）。共檢測了5次，筆者選擇其中有代表性的3次波形進行分析:①試驗1。柴油機轉(zhuǎn)速750r／min，空檔，測點布置見圖2；②試驗2。柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min，4檔，測點布置見圖2；③試驗3。柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min，3檔，測點布置見圖3。其中測點1為振動輸入，測點2為振動輸出。

圖2 試驗1和試驗2的測點布置

圖3 試驗3的測點布置

1）試驗1 空檔、柴油機轉(zhuǎn)速750r／min的取點數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，除50Hz外，其他頻域各點的振動加速度均有不同程度的衰減。說明鋼絲繩隔振器的非線性剛度和干摩擦阻尼起到了有效的彈性隔離與耗散振動能量的作用，使振動加速度得到有效的衰減。50Hz處產(chǎn)生放大現(xiàn)象的原因，基本可斷定為箱體結(jié)構(gòu)本身薄板部位的結(jié)構(gòu)共振所致，結(jié)構(gòu)共振頻率應(yīng)在40～60Hz之間，是由發(fā)動機產(chǎn)生的四階頻激勵的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，解決方法是提高薄板部位的結(jié)構(gòu)剛度。

表1 空檔、柴油機轉(zhuǎn)速750r／min的取點數(shù)據(jù)

2）試驗24檔、柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min的取點數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出，除去62.5Hz頻率點外，其他各點振動加速度均有不同程度的衰減。根據(jù)整個頻域的響應(yīng)分析，鋼絲繩隔振器在該工況下依然有明顯振動隔離作用。62.5Hz的頻率點的放大，是由發(fā)動機產(chǎn)生的二階頻激勵的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同樣也是由于箱體薄板件結(jié)構(gòu)共振所致。

表2 4檔、柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min的取點數(shù)據(jù)

3）試驗33檔、柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min的取點數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出，低頻段響聲呈放大趨勢，47.5Hz以后開始出現(xiàn)明顯的隔振效果。其中15Hz放大168%，22.5Hz放大266%，32.5Hz放大33%，初步推斷是由于二級隔振器剛性過大，導致低頻段放大。但當頻率達到47.5Hz以后出現(xiàn)明顯的隔振效果，隔振效果可以達到80%，在47.5～250Hz頻段內(nèi)，對比數(shù)據(jù)表中的振動加速度數(shù)值，隔振后最大的振動加速度出現(xiàn)在160Hz，為0.12639m／s2，此時的隔振效率為85%，可以發(fā)現(xiàn)隔振效果很好。現(xiàn)場試驗過程中，在高頻段實際觸摸手感為計算機箱低頻晃動明顯，但無高頻振動感覺。高頻振動衰減明顯。

表3 3檔、柴油機轉(zhuǎn)速1850r／min的取點數(shù)據(jù)

2.2 二次隔振設(shè)計

所謂的二次隔振系統(tǒng)即是在被隔離的機械設(shè)備和基礎(chǔ)之間再插入一個彈性支承著的中間質(zhì)量，對應(yīng)于設(shè)備來看，將圖1中的硅膠體換成鋼絲繩隔振器。

鋼絲繩隔振器的剛度滿足如下關(guān)系式:

式中，m1為PLC電路板的質(zhì)量；k1、k2是鋼絲繩隔振器的剛度；ω是干擾信號圓頻率；n為減振系數(shù)。

其設(shè)計程序如下:

3 結(jié)語

車載電子設(shè)備的隔振是個非常常見的問題，有一定的技術(shù)難度。電子設(shè)備對于振動環(huán)境的要求比較苛刻，而車載環(huán)境由于路況和車載動力設(shè)備的振動特性比較復(fù)雜，呈現(xiàn)多頻率、大量級的特征，這就要求車載電子設(shè)備的隔振系統(tǒng)必須兼顧較好的隔振效果和較強的抗沖擊能力。通過筆者的不斷嘗試和改進，通過改變隔振器的組合方式以及剛度特性，在被隔離的機械設(shè)備和基礎(chǔ)之間再插入一個彈性支承著的鋼絲繩隔振器，最終找到了較好的解決方法。

［1］張亞峰 .車載電子設(shè)備的抗振設(shè)計 ［J］.電子機械工程，2003，19（2）:6－8.

［2］姜克城 .二次積極隔振在ZD型單軸振動篩上的應(yīng)用 ［J］.煤礦設(shè)計，1988（4）:19－22，11.

［3］清華大學工程力學系 .機械振動 ［M］.北京:清華大學出版社，1980.