車載機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)研究

閆建華，蘇靜

（國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

車載機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)研究

閆建華，蘇靜

（國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

隨著自動(dòng)化控制的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)柜廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。車載機(jī)柜是一種精密的電子設(shè)備，無論是外力經(jīng)載體傳導(dǎo)至車載機(jī)柜，還是車載機(jī)柜體自身的振動(dòng)，都會(huì)對(duì)其中的精密設(shè)備造成危害，甚至影響車載機(jī)柜的正常使用。為保證其即使在振動(dòng)條件下仍然能持續(xù)工作，而并不影響到安全，加大車載機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)是非常必要的。本文將詳細(xì)介紹車載機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)，降低振動(dòng)對(duì)車載機(jī)柜的負(fù)面影響。

車載機(jī)柜；抗振；方案設(shè)計(jì)；隔震緩沖

0 引言

車載機(jī)柜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在軍事、航空、地面交通等領(lǐng)域中，由于這些載體在移動(dòng)或使用的過程中，車載機(jī)柜常常會(huì)受到各種振動(dòng)。車載機(jī)柜是一種精密儀器，頻繁且強(qiáng)度較大的振動(dòng)都會(huì)對(duì)車載機(jī)柜造成致命的傷害，嚴(yán)重影響車載機(jī)柜的正常使用。因此，對(duì)車載機(jī)柜制定有效的抗振系統(tǒng)，是維護(hù)其正常運(yùn)行的重要措施。

1 振動(dòng)對(duì)車載機(jī)柜的危害

機(jī)柜一般由機(jī)柜面板、承重結(jié)構(gòu)、連接件和儀控或者設(shè)備部件組成。車載機(jī)柜常見的載體有飛機(jī)、汽車、地鐵和輪船。車載機(jī)柜能處理這些載體中的一些緊密數(shù)據(jù)，幫助這些工具更好的發(fā)揮作用，提升其運(yùn)行的安全性。但在這期間車載機(jī)柜自身也遭受著內(nèi)在和外在兩個(gè)方面的振動(dòng)。如在飛機(jī)或軍事演習(xí)中，飛機(jī)或軍事設(shè)備（武器）需要進(jìn)行快速的移動(dòng)，這期間必然造成強(qiáng)烈的振動(dòng)，而振動(dòng)又會(huì)對(duì)機(jī)械周圍的地方造成不利反應(yīng)，從而影響到車載機(jī)柜的穩(wěn)定性和可靠性，如果車載機(jī)柜沒有給予有效的抗振措施，勢(shì)必受到損壞。振動(dòng)對(duì)車載機(jī)柜的危害主要集中兩個(gè)方面：一是在某個(gè)激振頻率對(duì)車載機(jī)柜產(chǎn)生較大的共振；二是長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)和沖擊，讓車載機(jī)柜形成的疲勞導(dǎo)致?lián)p壞。無論是那種類型的振動(dòng)都會(huì)對(duì)車載機(jī)柜中的精密零件造成影響，其中的零件一旦出現(xiàn)移位或損壞，將會(huì)影響整個(gè)車載柜機(jī)的正常使用。

2 車載機(jī)柜抗振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)振動(dòng)對(duì)車載柜機(jī)造成影響的方式，可以從兩方面設(shè)計(jì)抗振系統(tǒng)：一是針對(duì)車載機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，加大設(shè)備的固定效果，減小沖擊振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力并提升車載機(jī)柜自身的疲憊極限。二是采用隔振緩沖系統(tǒng)，減低外部對(duì)車載機(jī)柜的振動(dòng)沖擊，維持車載機(jī)柜的正常運(yùn)行。

2.1 車載機(jī)柜的加固抗振方案設(shè)計(jì)

機(jī)柜起著承受載體的重要作用，當(dāng)然也包含上下切面和四周支撐的立柱，對(duì)于立柱的選材要盡量選用鋼型材，用此材料將各分機(jī)和機(jī)架連接起來，所以，機(jī)架立柱的堅(jiān)硬度的質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)架的承重能力，因此，要注重截面形狀和尺寸的應(yīng)用，要和實(shí)際承重能力相符合，足以承受其重量，由材料力學(xué)原理可以推知，當(dāng)所選材料確定時(shí)，則其抗扭、抗彎能力和截面形狀和尺寸有著重大的關(guān)系，基本由截面形狀和尺寸大小來決定，當(dāng)截面大小相同時(shí)，空心截面立柱的剛度跟實(shí)心截面立柱相比，其抗振能力要好上幾十倍。在設(shè)計(jì)車載機(jī)柜加固抗振方案時(shí)應(yīng)遵循層次結(jié)構(gòu)和二倍頻規(guī)則。車載機(jī)柜的結(jié)構(gòu)一般分為主層次結(jié)構(gòu)（機(jī)架）、次層次結(jié)構(gòu)（插箱）和第三層次結(jié)構(gòu)（印制板和電源模塊等）。根據(jù)公式可以了解主要保證其基礎(chǔ)的激振力不被加大或放大，并能夠保證其上一層次的頻率比值不變。在這種情況下，兩個(gè)層次結(jié)構(gòu)形成了剛性連接。根據(jù)二倍頻規(guī)則，各層次結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生局部的共同振動(dòng)，自然也就降低了車載機(jī)柜所承受的振動(dòng)沖擊力。如果實(shí)際上所有層次的結(jié)構(gòu)頻率符合β≥2條件，設(shè)計(jì)方案就能達(dá)到預(yù)期的抗振效果。所以一般取β≥1.5，才能保證局部共振因子λ滿足≤3的要求。下面本文詳細(xì)介紹不同層次的剛性設(shè)計(jì)要求。

（1）機(jī)柜的設(shè)計(jì)：機(jī)架是車載柜機(jī)的主要承載體，一般由上、下框和與之相聯(lián)的四根立柱等構(gòu)件組成。所以機(jī)架立柱的剛性會(huì)直接決定機(jī)架剛度的大小。在設(shè)計(jì)機(jī)柜時(shí)，應(yīng)從立柱的剛性、橫截面形狀和尺寸、材料力學(xué)的影響等方面進(jìn)行。計(jì)算出其承重指標(biāo)，并滿足結(jié)構(gòu)與技術(shù)的要求。在連接機(jī)柜的各個(gè)部分時(shí)要注重提高整體的剛度。可采用同等焊接的連接方式，并加強(qiáng)左右側(cè)板、面板和框架的連接剛度。在側(cè)板上合理的應(yīng)用加強(qiáng)筋和螺釘，能達(dá)到提升整個(gè)機(jī)柜的剛度的目的。為保證機(jī)柜機(jī)箱起到抗震、抗打擊的能力，在對(duì)機(jī)箱機(jī)柜外殼選材時(shí)一定要選擇使用不銹鋼軋板，這種材質(zhì)堅(jiān)硬不容易變形和擠壓，在進(jìn)行焊接時(shí)拐角處也要做到無縫，這樣就可以保證機(jī)箱機(jī)柜的密封性。

（2）插箱的設(shè)計(jì)：插箱主要通過導(dǎo)軌、面板與機(jī)架形成連接。在進(jìn)行插箱設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)軌必須為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，同時(shí)橫向跨越機(jī)柜的兩邊，借用這種方法來增強(qiáng)機(jī)柜前后的堅(jiān)硬度，為減少其振動(dòng)，可以加個(gè)螺釘，增加其牢固性，由于插箱底板位于車載機(jī)柜的底端，對(duì)于其選材上，盡可能選擇比較薄的鋼板或是鋁板，如果是鋁板，則選擇中厚程度的，在允許范圍內(nèi)，可適當(dāng)增加底板的厚度，根據(jù)抗彎剛度公式計(jì)算出可增加的厚度。

（3）印刷版的設(shè)計(jì)：印刷版三軸向是有固定頻率的。如圖1所示，當(dāng)Z向最低時(shí)，Z向的一階固有頻率不僅受到自身的幾何尺寸影響，還與印制板的支承狀態(tài)有關(guān)。可以通過適當(dāng)縮小印制板的外形大小，來達(dá)到提升其固有頻率的目的。需要注意的是，如果印制板的厚度增加，且固有頻率也會(huì)增加。所以可以通過提升印制板的固有頻率，進(jìn)而改善其支承效果。

圖1 印制板的剛度圖

2.2 車載機(jī)柜的隔振緩沖方案設(shè)計(jì)

由于機(jī)柜背部所出來的弧度稍微有點(diǎn)大，而底部所承受支撐的隔振器對(duì)水平方向的影響要相對(duì)較小，因此，在設(shè)置隔振器時(shí)首先選擇在機(jī)柜背部的位置，這樣可以有效減弱振動(dòng)所帶來的影響。在選擇背部隔振器時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件。

（1）背部隔振器的垂向剛度應(yīng)盡可能的靠近0。

（2）要盡可能使水平剛度和機(jī)柜靜距離維系在相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，以最大限度的減小藕聯(lián)共振所帶來的不良影響。

（3）背部隔振器要匹配底部隔振器剛度阻尼的特性。

隔振器的安裝方式多樣，但不同的安裝方式?jīng)Q定了隔振系統(tǒng)的效果與穩(wěn)定性。較常使用的安裝方式為在框架底部安裝四個(gè)相同的隔振器，然后在上框架的后方放置兩個(gè)同樣的背部隔振器，見圖2。如果車載機(jī)柜是由多個(gè)機(jī)柜拼接而成，可以采用橫向剛度良好的過渡板連接若干個(gè)隔振器。原則上，隔振器在安裝時(shí)要能從六個(gè)自由度方向消除藕聯(lián)運(yùn)動(dòng)，保證電子設(shè)備的機(jī)柜質(zhì)量重心與抗振系統(tǒng)剛度重心的匹配。可以允許機(jī)柜重心出現(xiàn)小幅度的偏移，但需要保證四個(gè)支點(diǎn)的承載量必須在允許的偏差范圍內(nèi)。

圖2 背架式隔振系統(tǒng)模型圖

3 結(jié)論

由于車載機(jī)柜是一種非常精密、非常復(fù)雜的電子設(shè)備，哪怕是較為輕微的振動(dòng)也會(huì)對(duì)其正常使用產(chǎn)生影響。車載機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)對(duì)其正常使用有著非常重要的意義。

根據(jù)車載機(jī)柜的抗振要求進(jìn)行合適的抗振方案設(shè)計(jì)，是其抗振設(shè)計(jì)最為基本的原則。隔振緩沖的設(shè)計(jì)方案具有很大的靈活性，能適應(yīng)于各種類型的車載機(jī)柜；加固抗振的設(shè)計(jì)方案雖然能達(dá)到良好的抗振效果，但需要在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行，且操作工程較為復(fù)雜。隨著人們逐漸了解振動(dòng)對(duì)車載機(jī)柜的危害，出現(xiàn)的隔振抗振的方式會(huì)越來越多，越來越實(shí)用。

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TN02

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1671-0711（2016）11（下）-0074-02