电气控制设备隔振系统设计与探析

洪竹伟

(中国船舶重工集团公司第726研究所，上海 201108)

电气控制设备隔振系统设计与探析

洪竹伟

(中国船舶重工集团公司第726研究所，上海 201108)

电气控制设备在各行各业的应用非常广泛，机柜是电气控制设备中不可或缺的部分，机柜的设计不仅要满足设备的使用性能、还要满足使用环境条件要求，而设备隔振系统的设计，更是在环境条件下设备能够保证可靠、安全运行的重要环节。主要对电气控制设备隔振系统设计的内容及要点进行阐述。

电气控制设备；隔振系统；隔振器；机柜设计

1 冲击和振对电气控制设备的危害

电气控制设备中安装着电子元器件、插件、插箱、风扇、显示器、电源、储存设备、精密仪器等物件。在机械环境下的作用下，尤其在舰船、列车、飞机等运载工具中，设备机柜及内部的器件、结构件都难以避免受到冲击及振动干扰或影响。

冲击和振动也是对电气设备造成的危害最大的环境因素，主要产生的危害有两个方面：

(1)使设备产生共振，在某个振动频率激振下产生很大的振幅，振动加速度超出设备承受极限值，或冲击力超出设备承受极限值导致设备失效或损坏；(2)使设备材料产生疲劳，因受长期的振动和冲击产生的应力作用,机柜及内部器件的材料产生疲劳，导致设备失效或损坏。

机械环境造成上述设备失效或损坏的主要原因，是设计时没有充分考虑恶劣环境条件对设备产生的影响，或者是隔振系统设计不合理而造成的。有效的隔振系统是设备质量的重要保证，电气设备抗振动冲击设计主要包括机柜设计和隔振系统设计。

2 机柜设计

在进行电气设备隔振系统的设计时，为方便于分析，经常把设备简化当作刚体，这种理论简化在实际工况中干扰频率很低时才基本成立。电气设备大多都会遭遇频率在一个宽带范围內变化的环境干扰，在这种情况下，大多数机柜的内部一些结构或零部件就不能当作刚体了。隔振器的作用是减弱环境对设备的影响或干扰，干扰信号当中的残余信号通过隔振器传递到机柜上，残余干扰信号就会激发设备及内部一些结构产生一阶或多阶共振。机柜设充分考虑设备的结构及零部件的自身抗冲击振动的能力。机柜设计要点主要包括以下几个方面：

(1)按设备组成确定机柜的结构外形及安装尺寸，隔振器安装形式及位置；

(2)提高设备的固有频率,在满足结构要求、工艺性、重量指标的情况下，选择截面惯性矩较大的截面形状, 提高机柜各部分的连接刚度，使许用冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值,保证电气设备的正常工作；

(3)合理分布各安装物件的位置，尽可能地将重量大的物件安装在机柜中心底部区域，以降低设备重心位置高度，使机柜重心尽量靠近支撑隔振器刚度中心；

(4)机柜內部可快速安装、拆卸的部件和插件以及可移动的插箱要采用牢固装置加以紧固，避免在振动或冲击过程中脱落；

(5)容量大的存储器芯片、高速CPU等易损件可采用轻质高分子新型材料封装加以保护；

(6)机柜內部的脆性元件与金属零件的连接处可用胶状的软弹性物充填，可起到减震效果。

3 隔振系统设计

机械环境中消除振源通常是不现实的，对于舰船中电气控制设备机柜来说，安装基础就是振源，减弱振源对设备的干扰比较可行的方法就是隔离振源，使基础的激励通过隔振系统缓冲及衰减后，传递给设备的作用力小于许用值。因此采用隔振器进行隔离就成为减弱冲击振动对设备干扰或影响的一种主要措施 。

隔振原理是强迫振动理论的应用，基础激振隔离的隔振传递率(响应振幅与激励振幅之比)为：

(1)

式中η——隔振传递率；B——响应振幅；A0——激励振幅；D——阻尼比；γ——频率比(响应频率/激励频率)。

隔振传递率曲线如图1所示。

图1 隔振传递率曲线

传递率曲线频幅响应特性分析：

隔振系统的设计首先要根据机柜外形和结构确定隔振器的支承方式和位置，确保隔振器的安装支承面有足够的强度和刚度。为了避免机柜在载荷下产生弯曲形变，隔振器之间的距离不能过大，如各支承点位置载荷不同且相差较大，最好选用型号相同而刚度不同的隔振器，有些隔振器载荷是可以在一定范围进行调整的，在采购时只要把所需的载荷值标明，就能选用到与设计载荷刚度一致的隔振器。其次要根据非耦合条件选择隔振器的支承的布置方式，把隔振器安装在设备重心平面，对于重心比较高的设备，可以用降低重心(设备重量允许的话可增加底部质量)、在设备的上方背面或侧面加装隔振器等方法，来减弱耦合振动，使设备的动态稳定性得到改善。隔振器的性能决定了设备在机械环境中受保护的程度，选用时要充分了解隔振器的隔振和隔冲性能，隔振器中的阻尼值应根据设备的环境条件、系统所允许的最大加速度综合衡量。

隔振器应有固有频率低、阻尼可变的特性 ，在共振区阻尼大,不会发生共振，而在隔振区阻尼小，传递率小，隔振和抗冲的效果好。主要从以下4方面来考虑：

(1)隔振器应与设备的使用环境条件相一致，耐腐蚀能力强，性能稳定；(2)各隔振器的载荷要力求均匀，以便采用相同型号的隔振器，尽量选用标准产品；(3)各支承点的载荷相差较大时，隔振器的挠度要力求相等，使设备处于水平状态，取得较好的隔振效果；(4)选用隔振器必须考虑共振参数，以满足设备的使用性能要求，如激励频率范围很宽，可采用“无谐振”特性的隔振器。

4 隔振系统设计实例

船用电气设备隔振系统的安装方式，一般采用机柜底部安装四个型号相同的承载型隔振器, 背部安装两个型号相同的非承载型隔振器。某船电气控制设备隔振系统机柜底部选用GWF-HQ型海用无谐振峰隔振器，该型隔振器采用不锈钢等防腐材料制造而成，满足使用环境条件，具有变刚度、变阻尼特性，固有频率≤5 HZ、无共振区，公称载荷可以调整，是一种用于冲击环境下的高性能隔振器。图2为该型隔振器传递率曲线图。背部选用GBJ-BK背架隔振器，以减小设备的摇晃，由于背部隔振器是非承载型隔振器，它的垂直方向的刚度为零，水平刚度与所选底部GWF-HQ型隔振器相匹配。

图3为无谐振峰隔振系统示意图。

图2 无谐振传递率曲线

工程上设备的质心是很难与支承隔振器系统刚度中心完全重合的，一般都会存在或多或少的偏心现象，图4为设备载荷分布示意图。质心G偏离几何中心,设备动态稳定性就要下降, 造成隔振效果差。选用不同刚度而相同型号的隔振器，使各隔振器的挠度相等，以保持设备静平衡下处于水平状态，取得较好的隔振效果。已知各支承点的受力(质心偏心位置及各支承点的受力求解方法此处不作介绍)分别为：M1=75 kg、M2=80 kg、M3=70 kg、M4=65 kg，如隔振器公称载荷为Won=kMn，通常载荷系数k=1.05～1.1，取k=1.08(综合设备的结构及组成选取)，经计算各隔振器公称载荷分别为：Wo1—GWF80HQ(81kg)、Wo2—GWF80HQ(86 kg)、Wo3—GWF80HQ(76 kg)、Wo4—GWF80HQ(70 kg)，背部选用与GWF80HQ匹配型号为GBJ80-BK型背架隔振器。由底部隔振器和背架隔振器组成的无谐振峰隔振系统，在受振动干扰时具备线性低刚度的特性，动态稳定性较高。在受冲击干扰时具备非线性的特性，能够耗散和吸收冲击能量。设备通过振动和冲击试验验证，分别符合GJB-150.16-2009和GJB-150.18-2009标准要求。

图3 无谐振峰隔振系统

图4 载荷分布示意图

5 结语

机械振动的基本理论可以用来指导和解决很多问题，但由于电气设备的功能、规模、外形尺寸、安装方式、使用环境各不相同，加上内部结构比较复杂，想要把设备内部各零部件关系的力学模型十分精确的描述出来是不太容易的，隔振系统设计是否正确、合理、有效，需要通过试验来验证，获取相关数据。只有通过实践，才能发现和暴露设备中的薄弱环节，修改完善结构参数，积累经验，提高设计水平和质量。

DesignandAnalysisofElectricalControlEquipmentVibrationIsolationSystem

HONGZhu-wei

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

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

electricalcontrolequipment;vibrationisolationsystem;vibrationisolator;cabinetdesign

10.11973/dlyny201606031

洪竹伟(1958)，男，高级工程师，从事电子设备结构设计工作。

TM

A

2095-1256(2016)06-0801-03