某机载电子设备机架隔振缓冲系统设计

朱兰琴,杨文芳,李　雨

(中国电子科学研究院,北京　100041)

第一作者朱兰琴女，工程师，1965年生

某机载电子设备机架隔振缓冲系统设计

朱兰琴,杨文芳,李雨

(中国电子科学研究院,北京100041)

摘要：为提高机载电子设备的机械环境适应能力，对某机载电子设备机架的隔振缓冲系统设计进行研究。从隔振缓冲系统的基础理论出发，结合机架的实际要求目标进行仿真分析，提出一套将理论计算、仿真分析和试验验证等先进技术相结合的隔振缓冲系统设计方法和流程。经用某机架的试验验证，表明方法和流程合理，达到了设计目标，并节省了设计的时间和成本。可为类似机架在其它动态环境中应用时的设计作参考。

关键词：电子设备机架;机载;隔振缓冲系统设计

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-05-30

通信作者杨文芳女，硕士，高级工程师，1978年生

中图分类号:TN03;O34

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.032

Abstract:In order to improve the mechanical environment adaptability of an airborne electronic equipment, the vibration and shock isolation system of an airborne electronic device rack was designed and studied. Based on the basic theory of vibration and shock isolation, an advanced vibration and shock isolation system’s design method and flow path were proposed combining theoretic calculation, simulation analysis and test verification. The reasonability of the method and flow path was verified with the test results of a certain rack to reach the design goal and save the design time and cost. The results provided a reference for design of similar racks under other dynamic environments.

Vibration and shock isolation system design for an airborne electronic device rack

ZHULan-qin,YANGWen-fang,LIYu(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Key words:electronic equipment rack; airborne; vibration and shock isolation system design

机载电子设备是飞机武器系统的重要组成部分，在航行或作战中经常受到各种各样的振动、冲击等载荷。如果设备自身的机械环境适应能力差，在使用过程中就会因振动和冲击作用产生故障。

机载电子设备主要安装在标准机柜/机架内。其内部一般都含有精密的电子部件和较为复杂的机构，在机柜/机架结构设计中，需要进行专门的机械环境适应性设计，目前主要采取电子设备结构自身的加固设计和采用隔振缓冲系统将设备与振源(和冲击源)隔离两种措施。

传统的电子设备隔振缓冲设计主要依靠经验设计，隔振缓冲系统的选择也主要依靠经验从成品隔振缓冲器(以下简称隔振器)中被动选取，选用时仅考虑隔振器的性能参数与设备重量、重心的匹配，而未从设备自身对隔振器性能参数的需求出发去主动选取。经常同时选取几种隔振器，针对样机采用不同隔振器做振动冲击试验，对比实验结果，选取一种效果较好的隔振器。这种做法不能保证所选取的隔振器性能最优，以及与设备之间的最佳匹配性。产品研制过程往往需要多次反复，周期较长。

随着环境平台的日益复杂，研制周期日趋紧张，传统设计方法很难满足研制要求。因此，很有必要打破传统电子设备隔振缓冲设计思路，提出一套基于理论计算、仿真分析、试验验证等先进技术相结合的隔振缓冲设计方法。

王茂等[1-3]介绍过借助振动理论，或通过不同隔振器的对比进行机柜减振设计的方法和过程。杨文芳等[4]提出过基于有限元分析确定减振设计目标的方法。王平等[5]介绍过金属橡胶减振器在机载光电吊舱复合减振系统中的应用。

本文以某机载电子设备机架为例，描述其将理论计算、仿真分析和试验验证等先进技术相结合的隔振缓冲系统设计方法和过程，包括隔振缓冲系统设计流程、理论基础、元件布局、元件参数设计、元件选取等内容。

1隔振缓冲系统设计流程

图1　隔振缓冲系统设计流程图Fig.1 Flow chart of vibration and shock isolation design

设备机架隔振缓冲系统设计的步骤是(见图1)：①根据设备结构选择隔振器的支撑位置和方式，根据非耦合条件选择隔振器支撑的布置方式；②借助仿真分析手段，确定机架隔振缓冲设计目标，选定机架各个方向振动、冲击传递率许用值[TA]；③通过振动、冲击传递率公式计算(或查传递率曲线)确定隔振缓冲系统的固有频率fn；④根据设备机架质量M、重心和固有频率fn确定隔振缓冲元件刚度k；⑤选定适当的阻尼比及相应的阻尼元件；⑥根据计算得到的各隔振缓冲元件参数，设计或选择隔振器；⑦试验验证。

2隔振缓冲设计理论

当电子设备在运载工具上工作时，可将运载工具的振动视为对设备的基础激励，设备受基础激励的振动隔离称为被动隔振，其力学模型参见图2。

图2　单自由度强迫振动Fig.2 Forced vibration under single freedom

图2所示的弹性系统，受到基础位移激励x0(t)，系统运动的微分方程为

(1)

将基础运动的位移假定为随时间呈正弦规律变化，x0=A0sinωt，在以固有频率ωn的振动因阻尼作用而衰减之后，系统处于稳态振动，由质量m的位移x定义，

振动绝对传递率定义为

(2)

上述讨论的阻尼为粘性阻尼，而实际系统中的阻尼有许多形式，采用能量等效的方法可将非粘性阻尼等效为粘性阻尼，即可用上述方式描述系统的运动响应，式(2)中阻尼比D改为等效阻尼比De。

冲击是急剧的瞬态运动，激励函数通常是任意非周期性的时间函数。以“半正弦”脉冲为例，激励函数为

(3)

为便于分析，略去阻尼，其响应函数为

(4)

式中，T=2π/ωn是响应系统的固有周期，τ为脉冲持续时间。

3某机载机架隔振缓冲系统设计

3.1某机架结构特性描述

图3　通用机架外形图Fig.3 Appearance of the general rack

某机载机架主体为铝板折弯焊接成形的钣金结构，主要由顶框、底座、前后立柱、拉件、加强筋及插箱、导轨等组成。主要选用高强度的铝合金材料，承载结构件采用强度更高的不锈钢材料。机架外形尺寸为590 mm(宽)×700 mm(深)×1 885 mm(高)(见图3)。机架内部安装工作站、显示器等电子设备。本机架为通用机架，装满设备后各机架质量为150～250 kg。

3.2机械环境条件

某螺旋桨飞机载机平台舱内设备振动频谱范围为10～2 000 Hz，谱型为宽带随机叠加窄带随机(见图4)。

图4　螺旋桨飞机振动谱型Fig.4 Power spectrum density of propeller aircraft

载机舱内设备冲击条件如下：

a)功能冲击：6 g 、11 ms

b坠撞安全冲击:15 g 、11 ms

c)冲击试验波形:半正弦脉冲波形

冲击脉冲波形见图5。

图5　半正弦脉冲波形及其容差限Fig.5 Half sine wave and tolerance limit

3.3.1隔振器布置方式确定

隔振器的支撑方式包括隔振器布局和安装方式，确定过程中主要考虑避免或减少设备耦合振动—解耦设计。

机架安装方式和隔振器的布局需要考虑到机架重量、重心位置，应尽量对称，使系统解耦。图3中机架质量中心位置左右居中(即左右方向关于几何中心对称)，前后方向居机架正面286 mm(即关于几何中心向前偏移64 mm)，上下方向居机架底部800 mm。

理想的非耦合布置方式是将隔振器安装在设备的重心平面。针对图3中的机架来说，机架正前面要进行操作，后面有大量线缆，需要从后面进行设备和线缆维护，因此，只能在机架底部、顶部和顶背部安装隔振器。根据机架高度和载机安装平台结构，机架高度方向尺寸远远大于宽度和深度方向尺寸，因此机架最终选择了底部和顶背部安装方式。

因为加装隔振器后，可以通过隔振器的刚度匹配法实现系统部分解耦，因此机架安装点布置仍考虑几何对称。机架底部底座上布置4个安装点，各安装点关于机架左右和前后方向对称，距机架外轮廓50 mm。在机架上顶框背部左右对称布置两个安装点。在机架内部6个安装点位置增加垫块进行加强。各安装点布局见图6。

图6　机架隔振器布局Fig.6 Rack isolator layout

3.3.2隔振缓冲设计目标确定

设备隔振缓冲设计目标就是要明确隔振缓冲系统使用环境，设备允许的安装方式，设备与周围设备及舱壁间的允许变形空间，设备允许的振动、冲击量值，或允许的传递率。

在随机振动中，激振频率带宽内所有的频率都是同时存在的，而且幅值和相位关系随机分布。随机振动传递率[6]

(5)

基础和被隔振设备的均方加速度密度可以通过应用于正弦振动的绝对传递率建立联系[7]：

Wr(f)=We(f)TA2

(6)

式中:Wr(f) 和We(f) 分别为设备和基础的均方加速度密度，单位为g2/Hz；TA为隔振系统的绝对传递率。

在半正弦加速度脉冲激励下，响应加速度最大值与脉冲加速度最大值之比为冲击传递率[7]。

(7)

按照通用机架结构，以最大负载250 kg为研究对象，借助有限元分析方法建立刚性连接模型，通过加载图4所示的随机振动谱型进行随机振动谱分析(PSD)，以机架结构所有部位最大应力小于屈服许用应力[σ0.2]和持久极限许用应力[σ-1]，机架内安装设备各部位响应不出现放大为设计目标，确定各方向振动许用传递率如下：

[TA振动-Z]=0.65，[TA振动-X]=1，[TA振动-Y]=0.85

另外，在垂直方向振动时，应满足49 Hz的振动传递率TA<0.3；在左右方向振动时，应满足50.5 Hz的振动传递率TA<0.45；在前后方向振动时，应满足49 Hz的振动传递率TA<0.4。

同理，通过加载图5所示的“半正弦”脉冲冲击波进行瞬态动力学分析，确定各方向冲击传递率许用值。以机架结构中产生的应力不超过设备允许值(即最大应力小于抗拉许用应力[σb]为设计目标)，确定各方向冲击许用传递率如下：

[TA冲击-Z]=0.5，[TA冲击-X]=0.9，[TA冲击-Y]=0.6

机架在载机内呈并排安装方式，为防止相邻机柜之间发生相互碰撞，两相邻机架之间留有20 mm的间隙，将机架左右位移不超过10 mm做为隔振缓冲系统设计另一重要输入。另外，机载环境的其他环境适应性要求和对隔振器的寿命要求也做为隔振器设计的输入条件。

4.3.3确定隔振器固有频率

由公式(2)绘出的振动系统TA-γ振动传递率曲线[8]见图7。

图7　振动传递率Fig.7 Vibration transmission rate

同时，根据“3.3.2”中确定的缓冲设计目标，半正弦冲击响应公式式(3)和图5所示的冲击脉冲曲线联合确定为满足设备缓冲需求，隔振器在各承载方向上固有频率的选取范围：

fz≤12 Hz，fx≤13.6 Hz，fy≤13.6 Hz

综合隔振缓冲需求，初步确定隔振器各承载方向上的固有频率f≤7 Hz。

3.3.4确定隔振器刚度和阻尼

采用隔振器支撑时，振动的耦合情况取决于设备的重心位置、隔振器的安装方式、各隔振器的弹簧刚度等。

解耦设计的基本原理：使刚度矩阵和质量矩阵同时为对角阵，即系统的刚度中心与质量中心重合。一旦偏心已经客观存在，则可用刚度适配法来解耦，即把刚度中心调至质量中心。

图8　机架隔振器等效示意图Fig.8 The equivalent figure of rack isolator

设备机架隔振器布局见图6，为计算各隔振器三个方向的刚度和阻尼值，将每个隔振器简化成三个方向(与坐标轴平行)互相垂直的弹簧阻尼器(见图8)。图8中以机架的几何中心作为坐标原点，左右方向为X轴，前后方向为Y轴，垂直方向为Z轴。则6个隔振器布置点坐标值分别为(-245，-300，-942.5)、(245，-300，-942.5)、(245，300，-942.5)、(-245，300，-942.5)、(-197.5，350，916.5)、(197.5，350，916.5)。质量中心C坐标值为(0，-64，-142.5)，单位：mm。

令a=300，b=245，c=942.5，c1=916.5，b1=197.5，e1=0，e2=64，e3=142.5，M=250 kg。

通过正刚度适配法，可以使机架主承载方向(Z向)、前后方向(Y向)振动与其他方向解耦，隔振元件刚度需要满足以下要求：

k1z×(b-e1)+k4z×(b-e1)+k5z×(b1-e1)=

k2z×(b+e1)+k3z×(b+e1)+k6z×(b1+e1)

(8a)

k1z×(a-e2)+k2z×(a-e2)=k3z×(a+e2)+

k4z×(a+e2)+k5z×(350+e2)+k6z×(350+e2)

(8b)

k1y×(c-e3)+k2y×(c-e3)+k3y×(c-e3)+

k4y×(c-e3)=k5y×(c1+e3)+k6y×(c1+e3)

(8c)

k2y×(b+e1)+k3y×(b+e1)+k6y×(b1+e1)

(8d)

另外，Z方向的总刚度满足

(9)

为满足解耦，令背部两个隔振器垂直方向刚度k5z=k6z=0，求解上述方程组，解得

k1z=k2z≤175 927.5 N/m

k3z=k4z≤114 239 N/m

隔振器水平刚度与垂直刚度之比推荐值为0.25～0.5[9]，考虑横向稳定性和3.3.3节的水平固有频率要求，本文取刚度比kx/kz=ky/kz=0.45，则

k1y=k2y=k1x=k2x≤79 167 N/m

k3y=k4y=k3x=k4x≤51 408 N/m

k5y=k6y=k5x=k6x≤98 640 N/m

4隔振器选择

按照上述确定的隔振器固有频率、刚度和阻尼等参数，综合考虑其他环境适应性和寿命等要求，选择隔振器。另外，由于我们设计的是标准机架，内装设备的重量有较大差别，重心也会有些偏差，因此选择隔振器还要考虑的模块化的要求(外形和尺寸统一，承载重量、刚度、阻尼等可调)。经过多方比较，我们最终选定某型无谐振峰隔振器(见表1)。

表1　某型隔振器参数

注：表中带星号项为估算值，其他项摘自产品手册

其振动传递率[10]参见式(10)，振动传递率曲线参见图9。根据式(10)单独校核由“3.3.2”中确定的危险频率点(垂直方向为49 Hz，左右方向为50.5 Hz，前后方向为49 Hz)上振动传递率，能够满足隔振设计需求。

(10)

图9　无谐隔振传递率Fig.9 Resonance-free vibration transmission rate

5试验验证

将装有某型隔振器的电子设备机架安装在V984LS型电磁振动台上，按照“3.2”节振动、冲击试验量值进行试验考核。各项试验均以工装底板上一点为控制点，试验容差满足GJB150的要求。试验后，均未发现任何松动、裂纹等机械损伤。试验中，用加速度传感器分别测了中间和最上层分机安装处的响应值。相比各测点响应值，在垂直方向上中层分机安装处加速度响应最大，其加速度均方根值为2.039 g，振动衰减达50%以上(输入加速度均方根值为4.66 g)。冲击在三个方向上，最大响应峰值约为7 g，缓冲量值能够达到50%以上(输入峰值为15 g)。对比“3.3.2”，满足隔振缓冲设计目标。

目前，该型号机架(含隔振器)已装载整套电子装备完成装机、试飞、交付、使用等。在整个过程中未发生机架强度方面的破坏和因机架振动冲击问题导致的电子装备的失效。

试验和实践证明，根据本文描述的理论计算和仿真分析方法进行隔振器参数设计和选型，达到了预期隔振缓冲设计目标。

6结论

本文以某机载电子设备机架为例，描述了机载电子设备机架隔振缓冲设计的过程。

此方法能够满足设计要求，且在试验中得到了验证。此方法同样可以运用于舰载、地面或其它环境平台上的电子设备隔振缓冲设计上。

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