電氣控制設備隔振系統設計與探析

洪竹偉

(中國船舶重工集團公司第726研究所，上海 201108)

電氣控制設備隔振系統設計與探析

洪竹偉

(中國船舶重工集團公司第726研究所，上海 201108)

電氣控制設備在各行各業的應用非常廣泛，機柜是電氣控制設備中不可或缺的部分，機柜的設計不僅要滿足設備的使用性能、還要滿足使用環境條件要求，而設備隔振系統的設計，更是在環境條件下設備能夠保證可靠、安全運行的重要環節。主要對電氣控制設備隔振系統設計的內容及要點進行闡述。

電氣控制設備；隔振系統；隔振器；機柜設計

1 沖擊和振對電氣控制設備的危害

電氣控制設備中安裝著電子元器件、插件、插箱、風扇、顯示器、電源、儲存設備、精密儀器等物件。在機械環境下的作用下，尤其在艦船、列車、飛機等運載工具中，設備機柜及內部的器件、結構件都難以避免受到沖擊及振動干擾或影響。

沖擊和振動也是對電氣設備造成的危害最大的環境因素，主要產生的危害有兩個方面：

(1)使設備產生共振，在某個振動頻率激振下產生很大的振幅，振動加速度超出設備承受極限值，或沖擊力超出設備承受極限值導致設備失效或損壞；(2)使設備材料產生疲勞，因受長期的振動和沖擊產生的應力作用,機柜及內部器件的材料產生疲勞，導致設備失效或損壞。

機械環境造成上述設備失效或損壞的主要原因，是設計時沒有充分考慮惡劣環境條件對設備產生的影響，或者是隔振系統設計不合理而造成的。有效的隔振系統是設備質量的重要保證，電氣設備抗振動沖擊設計主要包括機柜設計和隔振系統設計。

2 機柜設計

在進行電氣設備隔振系統的設計時，為方便于分析，經常把設備簡化當作剛體，這種理論簡化在實際工況中干擾頻率很低時才基本成立。電氣設備大多都會遭遇頻率在一個寬帶范圍內變化的環境干擾，在這種情況下，大多數機柜的內部一些結構或零部件就不能當作剛體了。隔振器的作用是減弱環境對設備的影響或干擾，干擾信號當中的殘余信號通過隔振器傳遞到機柜上，殘余干擾信號就會激發設備及內部一些結構產生一階或多階共振。機柜設充分考慮設備的結構及零部件的自身抗沖擊振動的能力。機柜設計要點主要包括以下幾個方面：

(1)按設備組成確定機柜的結構外形及安裝尺寸，隔振器安裝形式及位置；

(2)提高設備的固有頻率,在滿足結構要求、工藝性、重量指標的情況下，選擇截面慣性矩較大的截面形狀, 提高機柜各部分的連接剛度，使許用沖擊應力和疲勞極限高于其實際響應值,保證電氣設備的正常工作；

(3)合理分布各安裝物件的位置，盡可能地將重量大的物件安裝在機柜中心底部區域，以降低設備重心位置高度，使機柜重心盡量靠近支撐隔振器剛度中心；

(4)機柜內部可快速安裝、拆卸的部件和插件以及可移動的插箱要采用牢固裝置加以緊固，避免在振動或沖擊過程中脫落；

(5)容量大的存儲器芯片、高速CPU等易損件可采用輕質高分子新型材料封裝加以保護；

(6)機柜內部的脆性元件與金屬零件的連接處可用膠狀的軟彈性物充填，可起到減震效果。

3 隔振系統設計

機械環境中消除振源通常是不現實的，對于艦船中電氣控制設備機柜來說，安裝基礎就是振源，減弱振源對設備的干擾比較可行的方法就是隔離振源，使基礎的激勵通過隔振系統緩沖及衰減后，傳遞給設備的作用力小于許用值。因此采用隔振器進行隔離就成為減弱沖擊振動對設備干擾或影響的一種主要措施 。

隔振原理是強迫振動理論的應用，基礎激振隔離的隔振傳遞率(響應振幅與激勵振幅之比)為：

(1)

式中η——隔振傳遞率；B——響應振幅；A0——激勵振幅；D——阻尼比；γ——頻率比(響應頻率/激勵頻率)。

隔振傳遞率曲線如圖1所示。

圖1 隔振傳遞率曲線

傳遞率曲線頻幅響應特性分析：

隔振系統的設計首先要根據機柜外形和結構確定隔振器的支承方式和位置，確保隔振器的安裝支承面有足夠的強度和剛度。為了避免機柜在載荷下產生彎曲形變，隔振器之間的距離不能過大，如各支承點位置載荷不同且相差較大，最好選用型號相同而剛度不同的隔振器，有些隔振器載荷是可以在一定范圍進行調整的，在采購時只要把所需的載荷值標明，就能選用到與設計載荷剛度一致的隔振器。其次要根據非耦合條件選擇隔振器的支承的布置方式，把隔振器安裝在設備重心平面，對于重心比較高的設備，可以用降低重心(設備重量允許的話可增加底部質量)、在設備的上方背面或側面加裝隔振器等方法，來減弱耦合振動，使設備的動態穩定性得到改善。隔振器的性能決定了設備在機械環境中受保護的程度，選用時要充分了解隔振器的隔振和隔沖性能，隔振器中的阻尼值應根據設備的環境條件、系統所允許的最大加速度綜合衡量。

隔振器應有固有頻率低、阻尼可變的特性 ，在共振區阻尼大,不會發生共振，而在隔振區阻尼小，傳遞率小，隔振和抗沖的效果好。主要從以下4方面來考慮：

(1)隔振器應與設備的使用環境條件相一致，耐腐蝕能力強，性能穩定；(2)各隔振器的載荷要力求均勻，以便采用相同型號的隔振器，盡量選用標準產品；(3)各支承點的載荷相差較大時，隔振器的撓度要力求相等，使設備處于水平狀態，取得較好的隔振效果；(4)選用隔振器必須考慮共振參數，以滿足設備的使用性能要求，如激勵頻率范圍很寬，可采用“無諧振”特性的隔振器。

4 隔振系統設計實例

船用電氣設備隔振系統的安裝方式，一般采用機柜底部安裝四個型號相同的承載型隔振器, 背部安裝兩個型號相同的非承載型隔振器。某船電氣控制設備隔振系統機柜底部選用GWF-HQ型海用無諧振峰隔振器，該型隔振器采用不銹鋼等防腐材料制造而成，滿足使用環境條件，具有變剛度、變阻尼特性，固有頻率≤5 HZ、無共振區，公稱載荷可以調整，是一種用于沖擊環境下的高性能隔振器。圖2為該型隔振器傳遞率曲線圖。背部選用GBJ-BK背架隔振器，以減小設備的搖晃，由于背部隔振器是非承載型隔振器，它的垂直方向的剛度為零，水平剛度與所選底部GWF-HQ型隔振器相匹配。

圖3為無諧振峰隔振系統示意圖。

圖2 無諧振傳遞率曲線

工程上設備的質心是很難與支承隔振器系統剛度中心完全重合的，一般都會存在或多或少的偏心現象，圖4為設備載荷分布示意圖。質心G偏離幾何中心,設備動態穩定性就要下降, 造成隔振效果差。選用不同剛度而相同型號的隔振器，使各隔振器的撓度相等，以保持設備靜平衡下處于水平狀態，取得較好的隔振效果。已知各支承點的受力(質心偏心位置及各支承點的受力求解方法此處不作介紹)分別為：M1=75 kg、M2=80 kg、M3=70 kg、M4=65 kg，如隔振器公稱載荷為Won=kMn，通常載荷系數k=1.05～1.1，取k=1.08(綜合設備的結構及組成選取)，經計算各隔振器公稱載荷分別為：Wo1—GWF80HQ(81kg)、Wo2—GWF80HQ(86 kg)、Wo3—GWF80HQ(76 kg)、Wo4—GWF80HQ(70 kg)，背部選用與GWF80HQ匹配型號為GBJ80-BK型背架隔振器。由底部隔振器和背架隔振器組成的無諧振峰隔振系統，在受振動干擾時具備線性低剛度的特性，動態穩定性較高。在受沖擊干擾時具備非線性的特性，能夠耗散和吸收沖擊能量。設備通過振動和沖擊試驗驗證，分別符合GJB-150.16-2009和GJB-150.18-2009標準要求。

圖3 無諧振峰隔振系統

圖4 載荷分布示意圖

5 結語

機械振動的基本理論可以用來指導和解決很多問題，但由于電氣設備的功能、規模、外形尺寸、安裝方式、使用環境各不相同，加上內部結構比較復雜，想要把設備內部各零部件關系的力學模型十分精確的描述出來是不太容易的，隔振系統設計是否正確、合理、有效，需要通過試驗來驗證，獲取相關數據。只有通過實踐，才能發現和暴露設備中的薄弱環節，修改完善結構參數，積累經驗，提高設計水平和質量。

DesignandAnalysisofElectricalControlEquipmentVibrationIsolationSystem

HONGZhu-wei

(No.726ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Shanghai201108,China)

Electricalcontrolequipmenthasaverywiderangeofapplicationsinallwalksoflife,andthecabinetisitsintegralpart,whosedesignshouldnotonlysatisfytheequipmentapplicationperformance,butalsomeettheenvironmentalrequirements.Therefore,thedesignoftheequipmentvibrationisolationsystemisespeciallyimportantforthereliableandsafeequipmentoperationundervariousenvironmentalconditions.Thispaperelaboratesthekeypointsofthedesign.

electricalcontrolequipment;vibrationisolationsystem;vibrationisolator;cabinetdesign

10.11973/dlyny201606031

洪竹偉(1958)，男，高級工程師，從事電子設備結構設計工作。

TM

A

2095-1256(2016)06-0801-03