电子设备的防震设计大学毕设论文Word文档下载推荐.docx

1、从工程角度，人们往往将机电设备产生的振动统称为机械振动。机械振动的分类方法很多，按振动规律可分为：简谐振动、非简谐振动、随机振动；按振动产生的原因可分为：自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动；按自由度多少可以分为：单自由度系统振动、多自由度系统振动；按振动体位移特征可分为：角振动、直线振动；按系统结构参数特征可分为：线性振动、非线性振动。在实际工程应用中，我们应当注意研究和分析振动产生的原因以及它的规律和特性，才能有效地控制，其中也包括监控机电设备运行情况；诊断异常振动原因；防止和隔振方法等。11振动的形成与特性振动的形成，简单地讲就是物体在作运动而产生的。由于运动的形式不同，振动体的结构不

2、同，造成振动的特性也就各不相同。众所周知，机电设备都不是一个简单的物体，而是由若干个零件部件的有机组合而构成复杂的振动系统，因此一个复杂的振动系统在受到某种力的作用时，必然会产生不同的机械振动。产生机械运动的原因可能是确定的，也可能是随机的。而随机的因素包括振动系统本身的特性参数的随机影响，同时也包括外来的激励力影响或干扰力影响。因此，在实际工程应用中，首先应该掌握振动特性的分析与识别，这将对我们制订控制措施提供依据。所谓振动特性，就是描述随机振动频率分布特性和能量特性。这俩个特性分析一般都是用频率域内谱图来描述，简称频谱图。该图的横坐标为频率域；纵坐标为能量（能量可以通过速度、加速度、位移、

3、振幅或相位来表示）。我们可以将机电设备的振动通过频谱图进行分析，从中发现能量的分布。分析时，可以抓住主要的能量成份，略去次要的能量成份，再对造成主要能量成份的影响因素逐一分析，这对控制方案是非常重要的。从力学角度看振动系统，大致可以分为振动体（就是振动源）、激发力（外力或干扰力，这种力可以是恒定的，也可以是瞬间）。振动体的结构越复杂，频率成份就越丰富，而激发力的大小则决定了能量的大小，从中不难看出激发力是相当重要的，在实际工程中对随机振动的分析与应用，远远超出传统的工程领域，这是由于振动控制的领域已经转向海洋工程、航天航空、无线电通讯等重要的国防科技工业。需要提醒的是，在随机振动的谱分析时，要

4、注意振动量的不确定性、不可预估性和不可重复性，其振动规律不能用一个确定函数来描述。我们经常是经过多次测量（尽可能保持重要的条件是相同的或基本相同），进行统计分析，这样可以掌握随机振动的规律性。这方面的事例很多，例如舰船海上航行、车辆的山地运行等。对有关振动的理论知识请大家可以再看一些有关的书，在此不多讲了。总而言之，一个振动系统，在外力激励力作用下，都将会产生动力响应，如内力、位移、速度和加速度。其结果是使整个振动系统的任何构件都会产生动应力而形成振动传递，这种振动响应就是需要限定在一定范围的，这是电子设备所在环境的振动控制。12振动的评价要求各种物体产生振动是自然规律，而振动并非都是有害的，

5、或者说振动并非都需要我们去控制它，而是超出了某种限量或造成某种危害才需要进行有效地控制。对振动的评价要求，同样是一件非常复杂的工作，它涉及到我们所接触到的各个领域，所以评价要求就必须由各个领域的独特要求来确定，到目前为主，尚没有国际公认的振动评价标准。对人体工程而言，国际标准化组织ISO提出了一些建议，例如ISO2631规定了人每日振动暴露的标准限值要求。该标准就是根据人体各器官或各系统（例如呼吸系统、心血管系统）的固有频率对低频振动响应程度给出的限值，这完全是从人体保护要求给出的一种限值要求。所谓人体保护，也只能是指人疲倦或工作效率降低了的稳态振动，对于冲击振动就不包含在内（见图1）。 图1

6、 每日振动暴露的标准我国还制定了“人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则”GB/T13442和“机械振动与冲击对建筑物振动影响的测量和评价基本方法与使用导则”GB/T14124。振动是一种物理性的环境污染，我国早在一九九八年就颁布了“城市区域环境振动标准”GB10070，它规定了城市内不同区域在白天与晚上的振动限值，该项标准是以不影响人工作和睡眠为基础的一种振动限值标准。以上两种评价标准都是以人体工程的基本要求提出的，这对我们在研究机电设备振动控制也是有参考价值的。至于电子设备的防振评价要求或控制标准，由于使用电子设备的领域不同，其要求也不尽相同，甚至还有较大的差异。所以电子设备的防振评价

7、要求主要是以满足使用条件而决定的。另外，由于绝大多数的电子设备自身并不产生明显振动，主要是防止设备所在的环境振动不影响电子设备正常工作为准则。这样以来，针对性就很强，很多的评价要求（电子设备抗振要求、环境对电子设备的振动影响）都是内部制定或者是保密的。在此就不过多介绍了。13振动的危害随机振动的危害很大。对人体健康产生直接危害人体是一个复杂的结构系统，身体的各个部分有着各自的固有频率。头颅骨的固有频率大致为300-400赫；腹腔内脏的固有频率大致为30赫左右；胸腔和腹腔以及躯干的固有频率大约在6赫左右；人在坐着的时候其固有频率约为5赫左右。这就是人对低频振动敏感的原因。当随机振动的频率处于这种

8、状态下，人就会有不良反应，对人体健康造成不良影响。对电子设备的危害随机振动影响电子设备、精密仪器仪表的正常工作，从而降低了准确性和可靠性，严重的随机振动甚至破坏了电子设备而造成更严重的不良后果。对各种建筑结构的危害强烈的随机振动将使建筑结构或结构构件产生疲劳破坏，疲劳破坏造成结构强度产生剧烈变化（交变应力）。据称，飞机由于强度原因导致结构破坏的事故，90%以上都是由于强烈的振动而引起的；舰船的结构由于强烈振动受到破坏也时有发生，楼房建筑的例子也是不少的，例如地震的影响或其它强振。强振造成声辐射在舰船、飞机、各种车辆等金属结构的建筑物中，强烈的振动产生的结构噪声辐射，破坏了良好的室内声环境。2.

9、 电子设备的防振要求振动系统涉及的内容不外乎是激励力作用于振动系统，而振动系统被激励力作用而产生了振动，这个过程非常简单的，而要分析这种作用到振动系统上的激励力以及由此形成的响应（振动），就应根据不同情况来加以分析。21防振以及振源分析211防振的目的有两个，其一是使设备的振动力不向外传播；其二是基础的振动不影响设备。前者是指对产生振动较大的机电设备予以自身控制；后者则是对那些要求高的电子设备或人体予以保护。在实际工程中，若保证振动力不外传那是不可能的，只能是给予有效控制；而保护电子设备或人，则是涉及评价方法或评价限值（标准），两者不是孤立的，而是互补的，这也说明振动存在兼容性。因此，在防振技

10、术中，就缺不了过程_室内YSH00_对产生振动的源进行必要的分析。212振源分析在前面的1.1节中我们提到了对振动应作特性分析，分析的方法是用频谱图。振动的产生，是由振动源造成的，分析振动源的特性就离不开振动源所处的环境和振动源自身的构造。以下我们就以船舶结构为例，来介绍如何进行振动分析。2121振源船舶是一种特殊的水上建筑物，船上的各种动力系统、机电设备、管道系统内流体的扰动以及船体外壳受水流场作用等构成了一个复杂的动力学系统。因此在研究如何控制船舶振动时，主要应研究船上各类振动源特性和船舶结构振动传播特性。船舶上的振动源主要有：主动力系统：内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机、推进电机等；辅助系统：

11、通风机、空压机、空调机组、冷藏机组、变流机、离心泵、往复泵、活塞泵、螺杆泵、海水泵；推进装置：轴系、螺旋桨等；管道系统：通风管道、疏水管道、液压管道等；船外装置：舵、附体、流水孔、水流冲击等。这些振动源分别安装在船上各个部位，对船舶振动都有一定影响。2122典型分析船用内燃机振动特性（见图2） 图2 内燃机振动图谱内燃机运转时，其动力源主要靠不间断地供燃油，燃油在气缸内被点火燃烧产生爆炸冲击力推动活塞在气缸内不间断运动。如此多缸不停地运动带动推力轴旋转。由于内燃机运行中需要滑油泵、燃油泵、冷却水泵和进排气系统等辅助机电设备同时运行，使这些设备都构成内燃机的振动源。因而在频谱图中不难看出它的谱成

12、份是相当丰富的，除了带脉冲性质外还具有宽带特性。推动电动机振动特性（见图3和图4） 图3 推进电动机振动频谱 图4 推力轴承处振动频谱推动电动机是依靠电力作为动力源的，转子带动推力轴运转。由于转子的转动、电刷的摩擦、定子和转子之间电磁场不均匀以及转动部件的气动力效应都会产生振动。因而在谱图中呈离散谱特征，主要份量为轴频、冷却风机轴频和叶频、电动机槽频等。通风机振动特性（见图5） 图5 通风机振动频谱通风机是依靠电力起动，除通风管路外无其它机械设备协同运行，所以频谱图呈离散特征和宽带特征。出现宽带的原因主要是旋转体的气体动力效应，离散份量也由旋转体的不平衡和风机叶片与气流的作用产生振动。通风机管

13、壁的振动特性（见图6） 图6 通风机管壁的振动频谱通风机管壁的振动是由通风机产生的强风流激励通风管壁而产生的振动，明显的离散谱特征，主要的份量在空气流体动力上，与通风机振动频谱是不同的。离心泵振动特性（见图7） 图7 离心泵振动频谱离心泵是由电力起动，振动频谱呈宽带特征和离散特征。出现宽带的原因是由于部分轴承和传动机械的旋转和流体紊流形成的涡流引起，离散分量则由泵机械和水动力不平衡以及叶片（齿）与流体不均匀流场相互作用引起的。在船舶上，液压泵、往复泵其振动特征与离心泵基本相似。空压机振动特性（见图8） 图8 空压机振动频谱空压机是由电力起动，通过连杆使活塞组往复运动对空气进行压缩后送到储压器内

14、。振动频谱相当丰富，呈宽带特性和脉冲特性，形成原因是快速旋转和往复运动过程中的机械摩擦、冲击和电磁脉动以及气体动力引起的振动。其频谱特性与内燃机有相同之处。213结构振动的传播 舰船上的主动力设备以及构成振动源的其它机电设备，产生的振动均是通过机座和管道系统向船体结构传递。振动能量在船体结构的传递过程中，由于船体结构的诸多特点，例如船体板、肋骨、舱壁、加强筋等的有机连接和变化，使得振动能量逐渐减小耗散。我们掌握这样的规律，对控制结构振动的传播是有益的，对电子设备的防振设计也有指导作用。22抗冲击的分析 冲击就是一种瞬间突发的外力形成冲击脉动，具有力、位移、速度或加速度的非周期性突然变化。由于突

15、发力的作用使振动在很短的时间内由一恒值升起和衰变的重大扰动，持续时间很短，但破坏作用很大。一般电子设备都应做冲击试验，有关抗冲击方面的信息必须从模拟的冲击试验中获取。对船舶而言，冲击来源于海浪和水中兵器的爆炸。强烈的冲击会造成船体破损和电子仪器设备的损坏。在陆地上常见的冲击来自厂矿企业的冲床、剪切机、锻床、打桩机等重型机械设备。冲击力的影响是一种不确定因素，与距离、受冲击设备的质量等条件有关，若对其做出合适的评估是比较困难的。实际应用中，往往是应用结构动态响应理论以及模拟试验。从本质上讲，这种方法可以提供某些电子设备与机械设备有效的置信级限冲击谱以及设备在船舶上确定这些模拟的最大响应，然后将各

16、模态的最大响应迭加起来，产生一个偏于保守的冲击响应估算值。冲击的频谱分析通过冲击试验的频谱分析，可以知道仪器设备的固有频率，为防止共振提供依据。例外的是若对打击乐器进行冲击频谱分析，则是对该乐器音质、音色的评价提供依据，在此，我们也可以利用它们的冲击谱图来介绍如何分析冲击谱特性。冲击谱分析（见图9图14）。图9 上扭A6（侧音）三维图谱图10 上扭A6音高图图11 下甬F3（侧音）三维图谱图12 下甬F3 音高图图13 中甬A4（隧音）三维图谱图14 中甬A4音高图23防振要求从环境保护角度上讲，噪声与振动同属于环境污染。振动源就是噪声源，声振是两个属性不同而又不可分割的物理现象。从工程应用角

17、度上讲，控制振动源的振动，对噪声控制也是有作用的。所以采用有效控制措施，保护电子仪器设备的安全、可靠同样是工程技术人员的责任，防振要求正是表明了这种目的。如何防振，我们将通过第三章的实例介绍进行说明。3电子设备的防振设计电子设备的防振设计，可以从两个方面去考虑，其一是指电子设备自身应达到承受某种量级的振动或冲击而不影响正常使用；其二是采取有效措施防止电子设备所在环境的振动影响其正常使用。前者是对电子设备自身技术性能要求；后者则是对电子设备的保护。对振动的有效控制大体分为四个方面,一是制定相应的法规、标准、条例、规范，以限制环境振动的量级；二是电子设备和机械设备控制自身的振动或烈度；三是对这些设

18、备所处的环境振动加以有效控制；四是电子设备具备一定的抗振、抗冲击能力。以上四个方面是互补的，可见，振动控制是一项系统控制工程。31抗振设计的基本方法抗振设计就意味着对振动的有效控制。基本方法是利用隔振（减振）技术、阻尼减振技术。311隔振技术隔振就是在机械设备（振动源）与基座之间安装隔振器，形成弹性支撑而改变振源与基座之间的阻抗，使振源的振动得到有效隔离。在仪器设备（电子设备）与基座之间安装弹性支撑，可以减小环境振动对仪器设备的影响程度。隔振器的种类很多，就船舶而言，原则上采用橡胶型隔振器、钢质弹性体隔振器、空气弹簧隔振器，或上述隔振器的组合使用。其中橡胶型隔振器中还包括：圆筒型、平板型、剪切

19、型、双板型、保护型等型式隔振器。这些隔振器都是适用于船舶动力设备和各种机械设备的隔振和缓冲，其中剪切型、保护型、平板型适用于电子仪器设备和仪表的隔振和缓冲。随着船舶的振动控制技术不断发展，近几年来又研制了新型的隔振器钢丝绳隔振器，是用多股不锈钢钢丝绳制成。具有隔振与隔冲击的特点；它是利用材料软化刚性的特点，既振动幅值越大，刚度越低，隔振效果越明显；适合恶劣环境下长期使用。利用隔振器降低振动能量的振动隔离技术，是振动控制中应用最广泛的一项技术。在船舶行业内，利用隔振器隔振的技术已经日益完善，也取得了良好的效果。现将隔振器在选用时应注意的几个问题提示如下：对振动源应做必要的频谱分析，如果振动源有数

20、个频率成份时，可对频率最低的或振动能量最强的频率进行频率进行隔离，可以产生良好而有效的结果；注意将振动力频率与支撑系统的固有频率控制在一个良好范围内，因为当振动力频率与支撑系统固有频率的比等于1时，则振动传递率最大，传递力有放大现象，此时的隔振系统处于共振状态；当两者的比值等于时，传递率等于1，则振动传递力不放大，此时隔振系统没有隔振效果；当两者的比值大于时，传递率小于1，传递力有衰减，也就具有一定的隔振效果；在同一个隔振系统中，应尽可能使用同规格、同型号的隔振器，如果机电设备的形状或质量不对称而不得不采用不同规格型号的隔振器时，则应使各隔振器的支撑点受力均匀、静压缩量的位移保持一致，以保持机

21、电设备在振动时处于水平状态；不要盲目选择非标准化或刚度较大的隔振器，因为这种选择会破坏良好的弹性支撑或弹性联接而产生不良后果，因为刚度越大，隔振效果越小；机电设备的基座是传递振动的结构件，而隔振装置的隔振效果与基座结构存在着密切关系。也就是说隔振系统固有频率越低，基座阻抗就应越大，隔振效果就会越好。悬臂型基座应直接安装在加强安装板架的垂向加强筋上，因为加强筋的阻抗至少比基座安装平板的阻抗大3倍，对电子设备最适用；不要使用超过保质期的隔振器，应选用符合标准要求的隔振器；在对隔振效果进行评价时，一般是用测量的方法。测量方法有插入损失法和振级落差法两种。由于插入损失法实施比较困难，我们建议使用振级落

22、差法。测量振动加速度或振动加速度级均可以方便的达到评价要求。312阻尼减振技术物体振动受三个参数的影响，即与势能有关的刚度、与动能有关的质量、与能量消耗有关的阻尼。振动控制中，通过改变刚度和质量可以避免共振；采用隔振技术可以减小振动能量的传递；提高机械零件的加工精度、减小活动零部件的互相摩擦和增强其润滑机制，可以减小振动能量。但如何改变金属结构的自身阻抗能力，或者无法使用隔振技术的情况下，尤其是薄板结构以及宽频带随机激励等场合，则采用增加部件或结构的阻尼来控制振动是非常有效的。一般金属结构的损耗因子都很小，特别是大量采用焊接工艺也大大减小了系统的连接阻尼，这对振动能量在结构中的传递起到了畅通无

23、阻的作用。增加部件或结构的阻尼，最方便最有效的办法就是在部件表面粘贴或涂刷高分子粘弹性阻尼材料。当结构振动时，阻尼材料产生拉伸压缩变形，把振动能转化为热能，起到抑止振动的作用，阻尼可以使共振峰下降；在非共振区，阻尼可以有效降低振幅，使结构振动在传播过程中逐渐衰减，达到减振目的。另外也可以有效降低结构振动的声辐射而同时又获得降低空气噪声的作用。阻尼减振技术按工程应用可以分为三类：第一类利用阻尼器件作为机电设备、管路等系统的隔振和抗冲击装置；第二类是利用附加的阻尼材料控制金属结构的板、梁中的结构振动。如自由阻尼结构、约束阻尼结构、复合阻尼结构；第三类则是利用夹板层、非金属阻尼材料等组成的结构性材料

24、。下面我们重点介绍第二类。3121自由阻尼结构自由阻尼结构就是将高分子粘弹性阻尼材料直接粘贴在基础结构表面上。当结构被激振动时，随着基础结构层的弯曲振动，自由阻尼层产生交变的拉压变形，粘弹性阻尼材料内部产生交变的拉压应力和应变，由于应变滞后于拉压应力，导致振动能量的耗损。自由阻尼层结构简单，施工方便，对薄壁薄板结构有很好的效果。在实际应用中，要求自由阻尼层和基础结构达到一定的厚度比。人们为了提高阻尼效果而又不致使自由阻尼厚度增加太大，往往在阻尼层与基础结构之间粘合一种抗剪刚度极大而抗变刚度极小的材料，作为自由阻尼层的中间垫高层。这种材料可以使用硬质泡沫塑料或铝蜂窝板，形成有隔离层的自由阻尼结构

25、，由于垫高层使得阻尼层的拉压变形增大，从而使能量损耗也增大。3122约束阻尼结构约束阻尼结构就是在自由阻尼层的上面再粘贴一层弹性层，就构成了约束阻尼层，这时，基础结构层与约束层之间不允许有任何刚性联接。当基础结构层受弯曲振动而使阻尼层伸长时，约束层的伸长远小于阻尼层的伸长，因此它就阻止了阻尼层的伸长；相反当阻尼层压缩时，约束层又阻止阻尼层的压缩。由于约束层阻碍阻尼层的伸长和压缩，使阻尼层上下表面各自产生压缩和拉伸的不同变形，因而在阻尼层内部产生剪切应力和剪切应变，由于剪切应变滞后于剪切应力，导致振动能量的耗损。这里要注意自由阻尼结构和约束阻尼结构在阻尼机理方面是不同的。3123复合阻尼结构当约

26、束阻尼结构的约束层采用具有较大刚度并且具有一定的阻尼损耗因子的材料时，则约束层一方起到阻碍阻尼层的伸长与压缩，使其产生剪切变形，同时自身也在拉压变形中消耗振动能量。复合阻尼结构是在约束阻尼层的基础上发展起来的，具有更好的阻尼降噪效果。3124其它阻尼在舰船上，根据船舶机电设备及与之相连的管道系统采取隔振阻尼措施，还有一些离散型的阻尼器件。这些器件包括：空气弹簧减振器、阻尼吸振器、阻尼动力吸振器、冲击阻尼吸振器等；还可以根据结构特点和实际需要采取其它的设计技术，达到阻尼隔振效果。对金属结构的连接方式不采用焊接方法，而是采用搭接的方法，即在两个需要连接的金属结构之间，增垫高分子阻尼材料并用螺栓紧固

27、，能达到理想的隔振阻尼要求。另外，对机电设备提出相关的技术要求，以降低这些振动源自身的振动量级。根据使用需要，规定某些机电设备的振动量级指标（工程上用振动烈度来评价）；提高设备的平衡性设计；提高零部件加工质量和加工精度以减小零部件在相互运动中的摩擦；保持运动机械的良好润滑等，这些要求在工程应用中不能忽视。3125阻尼应用效果评价阻尼效果的评价一般是采用插入损失测量法来评价，对于某些复杂的结构或环境无法使用插入损失评价时，也可以利用模拟试验给出的信息或计算值来评价。32抗冲击设计的基本方法对舰船而言，冲击来自水中非接触性爆炸；接触性爆炸；空中非接触性爆炸；自己的武器发射所产生的气浪；船舶碰撞；海浪拍击等。对于接触性爆炸和碰撞，往往会造成严重破坏，在此我们不予讨论。而对非接触性爆炸所产生的突然施加的较大能量的冲击波（力），使船体结构发生的突发位移是广泛分布的，由此而形成的振动响应是比较复杂的，除对船体结构提出了抗冲击的设计要求外，对电子设备的抗冲击同样也提出了要求，这就使得装在船舶上的电子设备应该具备一定的抗冲击能力。321电子设备的抗冲击设计在设计抗冲击的电子设备中，一个主要的原则就是尽可能地减小设备元件的重量，尽可能地提高设备构件的强度和质量。因为在冲击的影响下，施加到设备构件上的力，大部分是由惯