无谐振峰隔振缓冲系统简介

6 无谐振峰隔振缓冲系统简介引言根据电子装备抗恶劣环境设计的要求。电子装备必须在全寿命期内经受振动，冲击（含三维强冲击），碰撞，核爆，风激励等力学环境的考验。除了对电子设备中组件、插箱进行应力筛选、对整机进行结构加固以提高其抗力学环境能力外，采用隔振缓冲系统来缓和或避免力学环境对电子设备的有害影响，可以达到降低电子设备加固成本、提高其可靠性和使用寿命的目的。6. 1.隔振系统设计对隔振器的基本要求。a）隔振系统采用的隔振器，应具有变刚度变阻尼特性，并应同时具有隔振缓冲两种功能。通过隔振器传递给电子设备的振动、冲击量值，必须小于设备的允许值。b）由于设备的质心不可能与隔振器支承平面的几何形心完全重合（图6.7）,造成图 6.7中m1, m2, m3 , m4不相等。为了避免耦合振动造成的有害影响，隔振器应具有在相同外形和安装尺寸前提下，形成具有固有频率相近，承载量不同的模块化系列产品，从而将隔振系统的刚度中心逼近设备质心（甚至相重合）。加载后，各支承点隔振器的实际固有频率岱与理论固有频率 fnl的相对偏差Bf应小于10% （详见6.4.2 ）。c）隔振器应具有变阻尼特性，在共振区内有大阻尼以抑制共振峰值，在隔振区内阻尼迅速减小，以达到较好的隔振效果和无谐振传递率特性（”v E 1 ）图6.2。d）为了避免前一个碰撞脉冲引起隔振缓冲系统的残余响应，与后一个碰撞脉冲同相位叠加造成的有害影响，隔振器应具有足够阻尼力以耗散冲击能量，保证在后一个碰撞脉冲到来之前设备的残余响应为零。并满足平均碰撞传递“ba W0.8,冲击传递率4sh 0.8要求。e）隔振器应具有低蠕变、设备安装基面调水平的功能，以及弹性元件失效后设备仍处于安全支承状态的保护装置。f）隔振器自身的抗振动、冲击性能，抗腐蚀，耐高低温及稳定性和使用寿命等，应优于被保护电子设备。7. 2.无谐振峰隔振器无谐振峰隔振器是一种弹性特性和阻尼特性主要由金属构件确定的金属隔振器，其特点如下：1 .对环境条件反应不敏感，可在油污，高、低温恶劣环境下工作，不易老化，性能稳定。2 .它的动刚度和静刚度基本上相同。金属弹簧适用于静态位移要求较大的减振器，当工作应力低于屈服应力时，弹簧不会产生蠕变。但是，应力超过屈服应力时，即使是瞬时，也会使弹簧 产生永久变形。因此，应有卸荷和限位装置，以确保动态应力不超过弹性极限。3 .金属弹簧阻尼比过小（0 0 0.005）容易传递高频振动，或者由于自振（如在 150400Hz之间）而传递中频振动。在经过共振区时，设备会产生过大的振幅，有时需要另加阻尼器。4 .金属弹簧的设计计算比橡胶弹簧容易，其弹簧刚度可根据要求确定，不仅设计资料比较成熟，且其刚度可以制造得相当准确。金属弹簧种类很多，如圆柱形弹簧、圆锥形弹簧、盘形弹簧等，其中圆柱形弹簧应用最广。目 前在军用电子设备的隔振系统中，应用较广的有两类，其一是具有垂向承载能力的底部隔振器，如 无谐振峰隔缓冲器（GWF、金属网阻尼隔振器（JWZL不锈钢丝绳隔振器（G9等；其二是非承载 的背部隔振器，如 GBJ GDJ型隔振器等。GW理无谐振峰隔振器工作原理由设备质量m、隔振器刚度k、干摩擦阻尼力Fr组成的无谐振峰峰隔振器，其力学模型如图6.1 所示。当基础激励为x0 =A0cosM,X0 = -A0o2 coscct,（6.1 ）设备响应为x = Acos（&t-日）X =-Aco2 coSt-日）（6.2）当Fr之mX = mA2时，阻尼力Fn将m与基础锁住，有人=儿,=1。当干扰频率 口之瓜n时，如果干摩擦阻尼力 F.法克服，惯性力 Fd （ Fd nZmAcon/FNC Fd ,隔振器启 动并开始隔振，从而实现了隔振传递率nv E1的无谐振峰传递率特性（图 6.2）图6.1无峰隔振系统力学模型图6.2无谐振峰传递率曲线无谐振峰隔振缓冲器（以下简称无峰隔振器）是金属干摩擦隔振器（SJ2608 85） GMe的改进型产品，是由季馨教授研制开发的新产品。该隔振器是根据隔振、缓冲技术所要求的变刚度、 变阻尼特性设计的新型抗强冲击型隔振器，它是采用刚度拟合技术和干磨擦阻尼技术实现低固有频 率，无共振放大，并可兼顾缓冲和抗强冲击的典型实例之一。在结构上，它采用几组具有独立弹性 一阻尼特性组件，从而可以灵活地组装成具有不同承载量、不同动态特性的隔振器或阻尼器。由于阻尼可以调节，可以很方便地控制振动传递率。典型的无谐振峰隔振器如图6.3所示。它的弹性特性由隔振簧组件A和阻尼缓冲簧组件B确定。螺旋簧A5的冈I度kL确定了隔振器的三向刚度。当实际载荷与公称载荷不一致时，螺母A4的位置已确定，卡住帽盖 A2调节六角圈A1带动调节螺杆A3转动，带动帽盖A2上下 运动，使隔振器加载后的工作高度 H保持规定值，从而使电子设备的安装平面保持水平。旋转上盖3使上锥环B1锥面压紧（或松开）开口内锥环B2、可增大或减小簧片组 B3 与帽盖A2间的正压力，从而对阻尼特性进行调节。簧片组B3是沿帽盖凸缘对称布置的不同曲率、不同根数的簧片组。组件B与底板4和上盖3之间的摩擦力，确定了水平方向的阻尼特性。组件B中的两种簧片的曲率和工作位置如图4所示，a为隔振阻尼簧（直簧片），主要功能是通过它与帽盖间的过盈所产生的摩擦力在A- A区间获得无谐振峰隔振传递率 vM1 （图6.2）。在图6.4中，b为阻尼缓冲簧（变曲率簧片），在AA区间，它不与帽盖A2接触，工作区间为 AR A B，段，其主要功能是吸收和耗散冲击能量。两种簧片BC B。段的主要功能是限制最大的极限变形，保证螺旋簧A5不并圈，可避免冲击载荷对它的有害影响（不发生蠕变）。帽盏&料1/17二，自图6.3 GWF型隔振器结构示意图图6.4阻尼缓冲簧工作原理在相同外形和安装尺寸条件下，使螺旋簧内径相同，改变螺旋簧圈数或钢丝直径d即可获得具有不同承载能力的系列隔振器。此时，对不同承载能力的隔振器配装不同数量的a组，b组弹簧片，即可获得不同的阻尼和缓冲特性。此外，需进行三维强冲击的无谐振峰隔振器还可适当增加b组缓冲簧片或采取其它措施以提高其抗冲击性能。由于无谐振峰隔振器动态特性设计遵循了隔振缓冲隔离系统期望动态特性的设计要求，因此， 具有较好的隔振缓冲效果。此外，无峰隔振器（GWF型）采用了不锈钢构件；对螺旋簧进行了消除蠕变的预处理（蠕变量 小于0.2mm）,在承载量，阻尼力调节到实际需要量后，将螺纹部分使用防松胶封闭；对舱室外设备 隔振器采用了全密封伸缩套等措施后，极大地提高了隔振器的抗恶劣环境能力。其低固有频率、宽 承载范围的系列产品，以及灵活的模块化组合，给用户选用带来极大方便。6. 3.背架隔振系统和背架隔振器安装在舰舱室内的电子设备，一般采用在设备底部安装四只相同特性的隔振器，后背上部安装两只背架隔振器的背架式安装隔振系统，以减小设备的摇晃见图6.5。用于显控台、机柜的背架式隔振系统，为了使垂向解耦，背架隔振器的垂向刚度应为零；为了降低水平方向耦联振动，其自由状态时的水平刚度应在水平面内关於原点对称。由振动分析可知，隔振缓冲系统期望的动态特性 （即刚GWF图6.5无谐振峰背架隔振系统度和阻尼特性）主要要求是：（1）振动时应具有线性低刚度特性，从而使隔振系统具有低固有频率和较高的动态稳定性；在共振区具有大阻尼比，而在隔振区具有小阻尼比的变阻尼 比特性，以实现隔振传递率 nv 1的无谐振峰特性。（2）在冲击时，应能吸收和耗散冲击能量，即具有较强的非线性特性。（3）背架隔振器的水平刚度特性应关于静平衡位置的原点对称。为此，承载隔振器通常不宜作 为背架隔振器。根据上述分析及要求，无谐振峰背架式隔振系统由底部GW理无谐峰隔振器和背部 GBJ背架隔振器组成（如图6.5所示）。GW理无谐峰隔振器是 GM型金属干摩擦隔振器改进型，为具有三轴向无共振峰（v W1）、能兼顾隔振、缓冲功能（冲击传递率*0 0.8）的金属隔振器。当实际承载量与公称载荷不一致时，其支承高度及相应的阻尼力均可调整。多年的应用表明，它是一种较好的底部隔振器1。GBJ型背架隔振器是水平刚度和阻尼连续可调、专门与GW理匹配使用的专用背架隔振器。GBJ背架隔振器的垂向刚度近似为零，并且其水平刚度应与底部隔振器的水平刚度相匹配。当两台电子设备的重量相等时，它们可选用相同的底部隔振器，当它们的重心高度不同或背架隔振器的安装位置不同时，则可选用不同刚度特性的背架隔振器与之相匹配。选用时，在先确定底部隔振器型号如GWF30S,则背部隔振器为 GBJ30型。当有偏心时，按底部（承载）最重的GW理选型如表6.2所示系统应选GBJ100型。6. 4.隔振系统设计中几个问题说明6. 4. 1关于蠕变影响问题蠕变是指材料受到外力作用时发生永久性形变，橡胶等高分子材料制成的隔振器，受设备自重及外激励作用，蠕变量往往超过2mm有时会甚至达到 56mm较大的蠕变量使原先留给隔振系统的自由动变形空间变小，且关于静平衡位置不对称，此时可能会造成如下不良影响：1 .如果预留的导线，软波导等自由变形长度不够长，冲击时引起扯断、开裂；2 .设备下沉后，设备与缓冲垫之间的自由变形空间变小，冲击时易引起刚性碰撞；3 .振动时，易引发自激振荡等不稳定现象；4 .当各隔振器的蠕变量不等时，设备会发生倾斜；5 .设备下沉后，背架隔振器自由变形空间不够，会引起背架隔振器的局部刚性碰撞和自激振荡现象。因此，选用蠕变量较大的橡胶隔振器时，应在设备底部与隔振器上部之间加一个垫圈，预留足够的设备自由变形空间；预先留足导线及软波导可自由变形的长度；预先降低背架隔振器的安装位置，予留下沉量等措施。同时还应选择蠕变量相等或相近的底部隔振器，使其下沉量相近，以保持设备垂向直立状态。这些措施均可降低隔振系统对蠕变量的敏感度。无谐振峰隔振器已对主承载弹簧采取了消除蠕变量的预处理措施，使蠕变量6 E 0.2 mm同时，用片弹簧的BC段来确保主承载弹簧受冲击时不并圈， 从而避免了强冲击时过应力引起的永久变形。 以上 措施可避免诸如钢丝绳隔振器、橡胶隔振器等受强冲击后发生较大蠕变的缺点。6. 4. 2关于隔振器选型和固有频率相对偏差时问题要求电子设备的质心与支承隔振器的刚度中心完全重合是很难实现的。也就是说，在工程中，出现偏心现象是必然的。在图 6.7中，当质心C偏离几彳S形心。有ex和ey时，这将会造成设备的动态稳定性下降，隔振效果变坏。当各隔振器相对固有频率偏差Bf满足下列条件：Bf = fnL - fns X 100% 10%（63）fnL式中，fns隔振器实际固有频率fnL隔振器理论固有频率。就可以将隔振器的实际支承刚度中心自几何形心O向质心C逼近，从而达到解耦设计的目的。当ex,ey较大时，则应选用不同刚度的隔振器与之相匹配，但外形尺寸和安装尺寸还必需相同。例：假设某机柜总质量m0 =250Kg,在无偏心条件时(。与C重合)，每个隔振器承受62.5Kg ,可选用相同型号的隔振器。当设备需进行三维强冲击试验(即模拟舰艇纵摇30C,横摇30,使设备重量偏向某一个隔振器)时，应选用GWF80HQ1,否则可选用 GWF80HL用户在订货时应说明设备是否进行三维强冲击。当质心C偏心较大时，各点实际支承质量相差也较大，按表 6.2选用不同型号的隔振器组成 低耦合隔振系统，此时 m2和m4的固有频率偏差较小，当 m1m4质量值如表6.1所示，各隔振器 之间实际固有频率偏差 Bf为：4.45 -4.05Bf = x 100% 7Hz后各隔振器均已进入隔振区，固有频率fns差异的影响较小，系统很稳定。这个特点是其它隔振器难以达到的。6. 4. 3关于设备质量、质心位置和各隔振器承载量的简易测定方法。电子设备由离散质量组成，精确计算出质心位置，较为繁杂，现介绍一种简易测定方法供用户参 考。测量工具由磅秤、两根角铁和千斤顶组成。7. 4. 3. 1测量方法和步骤：1 .先用两根角铁置于磅秤上，放上设备，称出设备总重量 W2 .抽去一根角铁，按图 6.6将设备底部安装隔振器的 1, 4螺钉孔中心连线对准角铁直角边。将千 斤顶支承在2, 3螺钉孔中心连线中间附近位置(如图 6.7中A点)。调节千斤顶，使设备底平面调 平后，测出W14 , W4=W+W4。抬升千斤顶h高度，测出 Wi4 =Wi+W4。3 .将设备转90。，将角铁支承在 1.2螺孔中心连线，千斤顶支承在3.4螺钉孔中心线的中间附近图6.6称重法示意图图6.7质心位置求解示意图位置(如图6.7中B点)。设备调平，称出 W2 =W| +W2 ,将千斤顶升高 h，测出W2 = W； + W26. 4. 3. 2确定质心位置和各隔振器承载量计算。1 .求a将W4、W寸2.3支承点取矩：2b.W4W(bey)(6.4)则有W - 2W14 一 bW(6.5 )2 .求ex将W2和W寸3.4支承点取矩2aW=W(a ex)2皿2 -Wex 二aW(6.(6)(6.(7)3.确定各支承点实际载荷将W1、w2对c取矩，且w2 =w2 -W1时，可求出Wb -eyW1=W122bW2二W12-W1W34=WW12W4-W14W1W3-W34-W4(6.(8)(6.(9)(6.10 )(6.11 )(6.12 )4 .求 ezC的水平面设备水平放置时，1, 4支点重量为 W4, yc=b ey （图6.7）质心高度为ezo位置ex,e yO设备抬高h后，1, 4支点的重量 W14 o设备重心c在水平向投影为y；。由图6.8可知，h sin 工=一2bR = 2b cos 二yc = yc cs a + ez sin a图6.8求解质心高度ez示意图Vc =b - ey对2.3支承点取矩，有W14R = W ycW142b cos 二=W，ccs 二: ez sin，】整理后有(6.13 )2bW14 -WYc ezctg )W将机柜转90 ,支在1.2点上，重复上述步骤也可求出ez进行对比校核。季馨 2007.1.24