医用电子设备的振动和冲击隔离设计

2016-12-16肖训华深圳市宝慧和科技有限公司广东深圳518076

中国医疗器械信息 2016年12期

关键词：曲线图电子设备硬盘

肖训华深圳市宝慧和科技有限公司（广东深圳 518076）

医用电子设备的振动和冲击隔离设计

肖训华深圳市宝慧和科技有限公司（广东深圳 518076）

为了能够减少振动与冲击带来的不良影响，需要与医用电子设备的实际情况结合进行振动与冲击隔离设计。在文中就针对医用电子设备的振动与冲击隔离进行了设计。

电子设备振动冲击隔离医疗设备

医用电子设备的振动与冲击会对医用电子设备带来严重的危害，甚至是会导致诊断结果的误判。这就需要我们通过相关的设计来减少甚至是消除这些影响。

1.振动隔离设计

医疗设备中的计算实例（所有计算公式来源于参考文献）

台式超声产品中，显示器的固定如下图1所示，请计算设备在以0.35mm的振幅，5～100Hz扫频垂直方向振动时显示器的最大振幅，以及验证铸铝件是否可能会在振动中断裂。

铸铝的阻尼比，D=0.008；E=71000 Mpa；I=bh3/12 =2500 mm4

图1.

该弹性系统的刚度，

根据公式计算共振频率：

可以知道系统在5～100Hz内都没有产生共振，因此隔振系数范围为：

所以最大振幅为：

振动相位差：

最大相对振幅计算：

键盘在最大相对振幅时有最大的应力，最大振幅时的应力：

悬臂梁的最大应力产生在悬臂根部：

铸铝ADC12的抗拉强度为228MPa，屈服强度σ0.2=154Mpa，所以该产品键盘在振动中理论上不会变形和断裂。只是安全系数不足，加上材料缺陷和疲劳强度，还是可能会出现变形的问题的。

也可以用这个方法对主机脖子的根部强度进行计算校核。

2.外部激振的隔离设计

算激振力传递系数η。

图2.

图3.

外部激振，是指支撑基础保持稳定，而外部直接给设备振动部件施加周期性外力的情况。模型如2所示：

医疗设备中的实例计算

硬盘振动问题。原来的设计（图3）与机箱刚性连接，振动直接传递到整机，使得操作面板振动的感觉比较明显。我们打算采用橡胶圆柱减振弹簧结构固定硬盘，避免硬盘的振动传递到整机上。橡胶减振柱（Φ12.7×9，橡胶硬度40度，横向负载小于2.5kg）。我们从理论上计算看这款减振柱是否能起到减振作用，以及计算校核在振动实验中是否可能会脱落。

硬盘重量为0.78kg。硬盘的振动应该是因为盘片的质量不平衡高速旋转导致的，而硬盘盘片的转动是纵向的，所以振动方向也应该是纵向的，而振动频率就是盘片的转速：f=7200/60=120（7200转/min的硬盘）。

我们把硬盘因盘片高速旋转产生的不平衡周期力当作激振外力，硬盘当作主动振动的设备，主机箱是基础。只要硬盘通过减振器传递到主机箱的力足够小，就能起到减振作用了。下面我们来计算硬盘传递给主机箱的力，即计

计算橡胶弹簧横向刚度（动态刚度）：

K=7.67×4=30.68N/mm（计算公式和过程请看参考文献。

橡胶减振的阻尼比为D=0.08（参考相关书籍上计算例子的橡胶阻尼比）

按公式（12）可以计算得

跟原来的螺钉连接，η=1相比而言，减振效果是相当明显的。实际装配验证，确实效果非常好。

下面计算校核振动实验的强度：

根据公式（6）计算共振频率：

共振振动频率在5～100Hz范围内，所以硬盘在振动实验中会产生共振，其相对振幅：

校核强度：

根据上面计算的橡胶柱刚度（横向，1个），计算橡胶柱变形产生的力：

共振时产生的力小于2.5kgf，所以使用该减振柱是安全的。

3.振动隔离设计的误区

打螺钉前，加上软垫就能起缓冲作用

从前面隔离系数的计算中可以看到，如果减振连接部分在振动方向施加力时不能产生自由变形的化，是不会有减振效果的。如下图A、B所示的例子，用软垫然后打上螺钉，螺钉拧紧后就变成刚性连接了。即使螺钉不打死，但是螺钉的垂直方向的拉力也是很大的，比如M4螺钉打紧后有50～60kg的拉力，半紧状态也有20～30kg拉力。除非部件在振动时的力远超过螺钉的拉力，否则起不到减振缓冲作用的。而象下图C、D、E所示，设备和基础部分完全用弹性材料隔离，才有可能起到振动或冲击的隔离作用。

刚性连接都不利于振动隔离

当我们使用图6所示方案C、D、E试图进行振动隔离时，需要进行隔振系数的计算。考虑到刚度的情况，有可能根本无法设计出合适的结构，使得隔振系数小于1。如果是这样的话，还不如用刚性连接，刚性连接隔振系数至多等于1，而不会扩大振动。

只要是加了弹性环节，就有减振作用

和上面一点的情况相似，增加的弹性环节，通过减振

计算（或实验验证），隔振系数有可能大于1，则不但没有起到减振左右，反而把振动放大了。所有的减振措施都是有针对性的，对不同质量，不同振动频率的隔离都是有区别的。