某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱蘭琴,楊文芳,李　雨

(中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京　100041)

第一作者朱蘭琴女，工程師，1965年生

某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱蘭琴,楊文芳,李雨

(中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京100041)

摘要：為提高機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架的隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。從隔振緩沖系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合機(jī)架的實(shí)際要求目標(biāo)進(jìn)行仿真分析，提出一套將理論計(jì)算、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程。經(jīng)用某機(jī)架的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明方法和流程合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，并節(jié)省了設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本?？蔀轭愃茩C(jī)架在其它動(dòng)態(tài)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)作參考。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備機(jī)架;機(jī)載;隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-05-30

通信作者楊文芳女，碩士，高級(jí)工程師，1978年生

中圖分類號(hào):TN03;O34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

機(jī)載電子設(shè)備是飛機(jī)武器系統(tǒng)的重要組成部分，在航行或作戰(zhàn)中經(jīng)常受到各種各樣的振動(dòng)、沖擊等載荷。如果設(shè)備自身的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力差，在使用過程中就會(huì)因振動(dòng)和沖擊作用產(chǎn)生故障。

機(jī)載電子設(shè)備主要安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜/機(jī)架內(nèi)。其內(nèi)部一般都含有精密的電子部件和較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，在機(jī)柜/機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行專門的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，目前主要采取電子設(shè)備結(jié)構(gòu)自身的加固設(shè)計(jì)和采用隔振緩沖系統(tǒng)將設(shè)備與振源(和沖擊源)隔離兩種措施。

傳統(tǒng)的電子設(shè)備隔振緩沖設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，隔振緩沖系統(tǒng)的選擇也主要依靠經(jīng)驗(yàn)從成品隔振緩沖器(以下簡(jiǎn)稱隔振器)中被動(dòng)選取，選用時(shí)僅考慮隔振器的性能參數(shù)與設(shè)備重量、重心的匹配，而未從設(shè)備自身對(duì)隔振器性能參數(shù)的需求出發(fā)去主動(dòng)選取。經(jīng)常同時(shí)選取幾種隔振器，針對(duì)樣機(jī)采用不同隔振器做振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取一種效果較好的隔振器。這種做法不能保證所選取的隔振器性能最優(yōu)，以及與設(shè)備之間的最佳匹配性。產(chǎn)品研制過程往往需要多次反復(fù)，周期較長(zhǎng)。

隨著環(huán)境平臺(tái)的日益復(fù)雜，研制周期日趨緊張，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難滿足研制要求。因此，很有必要打破傳統(tǒng)電子設(shè)備隔振緩沖設(shè)計(jì)思路，提出一套基于理論計(jì)算、仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的隔振緩沖設(shè)計(jì)方法。

王茂等[1-3]介紹過借助振動(dòng)理論，或通過不同隔振器的對(duì)比進(jìn)行機(jī)柜減振設(shè)計(jì)的方法和過程。楊文芳等[4]提出過基于有限元分析確定減振設(shè)計(jì)目標(biāo)的方法。王平等[5]介紹過金屬橡膠減振器在機(jī)載光電吊艙復(fù)合減振系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文以某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架為例，描述其將理論計(jì)算、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和過程，包括隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、理論基礎(chǔ)、元件布局、元件參數(shù)設(shè)計(jì)、元件選取等內(nèi)容。

1隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖1　隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of vibration and shock isolation design

設(shè)備機(jī)架隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟是(見圖1)：①根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)選擇隔振器的支撐位置和方式，根據(jù)非耦合條件選擇隔振器支撐的布置方式；②借助仿真分析手段，確定機(jī)架隔振緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)，選定機(jī)架各個(gè)方向振動(dòng)、沖擊傳遞率許用值[TA]；③通過振動(dòng)、沖擊傳遞率公式計(jì)算(或查傳遞率曲線)確定隔振緩沖系統(tǒng)的固有頻率fn；④根據(jù)設(shè)備機(jī)架質(zhì)量M、重心和固有頻率fn確定隔振緩沖元件剛度k；⑤選定適當(dāng)?shù)淖枘岜燃跋鄳?yīng)的阻尼元件；⑥根據(jù)計(jì)算得到的各隔振緩沖元件參數(shù)，設(shè)計(jì)或選擇隔振器；⑦試驗(yàn)驗(yàn)證。

2隔振緩沖設(shè)計(jì)理論

當(dāng)電子設(shè)備在運(yùn)載工具上工作時(shí)，可將運(yùn)載工具的振動(dòng)視為對(duì)設(shè)備的基礎(chǔ)激勵(lì)，設(shè)備受基礎(chǔ)激勵(lì)的振動(dòng)隔離稱為被動(dòng)隔振，其力學(xué)模型參見圖2。

圖2　單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)Fig.2 Forced vibration under single freedom

圖2所示的彈性系統(tǒng)，受到基礎(chǔ)位移激勵(lì)x0(t)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為

(1)

將基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的位移假定為隨時(shí)間呈正弦規(guī)律變化，x0=A0sinωt，在以固有頻率ωn的振動(dòng)因阻尼作用而衰減之后，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，由質(zhì)量m的位移x定義，

振動(dòng)絕對(duì)傳遞率定義為

(2)

上述討論的阻尼為粘性阻尼，而實(shí)際系統(tǒng)中的阻尼有許多形式，采用能量等效的方法可將非粘性阻尼等效為粘性阻尼，即可用上述方式描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，式(2)中阻尼比D改為等效阻尼比De。

沖擊是急劇的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，激勵(lì)函數(shù)通常是任意非周期性的時(shí)間函數(shù)。以“半正弦”脈沖為例，激勵(lì)函數(shù)為

(3)

為便于分析，略去阻尼，其響應(yīng)函數(shù)為

(4)

式中，T=2π/ωn是響應(yīng)系統(tǒng)的固有周期，τ為脈沖持續(xù)時(shí)間。

3某機(jī)載機(jī)架隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1某機(jī)架結(jié)構(gòu)特性描述

圖3　通用機(jī)架外形圖Fig.3 Appearance of the general rack

某機(jī)載機(jī)架主體為鋁板折彎焊接成形的鈑金結(jié)構(gòu)，主要由頂框、底座、前后立柱、拉件、加強(qiáng)筋及插箱、導(dǎo)軌等組成。主要選用高強(qiáng)度的鋁合金材料，承載結(jié)構(gòu)件采用強(qiáng)度更高的不銹鋼材料。機(jī)架外形尺寸為590 mm(寬)×700 mm(深)×1 885 mm(高)(見圖3)。機(jī)架內(nèi)部安裝工作站、顯示器等電子設(shè)備。本機(jī)架為通用機(jī)架，裝滿設(shè)備后各機(jī)架質(zhì)量為150～250 kg。

3.2機(jī)械環(huán)境條件

某螺旋槳飛機(jī)載機(jī)平臺(tái)艙內(nèi)設(shè)備振動(dòng)頻譜范圍為10～2 000 Hz，譜型為寬帶隨機(jī)疊加窄帶隨機(jī)(見圖4)。

圖4　螺旋槳飛機(jī)振動(dòng)譜型Fig.4 Power spectrum density of propeller aircraft

載機(jī)艙內(nèi)設(shè)備沖擊條件如下：

a)功能沖擊：6 g 、11 ms

b墜撞安全沖擊:15 g 、11 ms

c)沖擊試驗(yàn)波形:半正弦脈沖波形

沖擊脈沖波形見圖5。

圖5　半正弦脈沖波形及其容差限Fig.5 Half sine wave and tolerance limit

3.3.1隔振器布置方式確定

隔振器的支撐方式包括隔振器布局和安裝方式，確定過程中主要考慮避免或減少設(shè)備耦合振動(dòng)—解耦設(shè)計(jì)。

機(jī)架安裝方式和隔振器的布局需要考慮到機(jī)架重量、重心位置，應(yīng)盡量對(duì)稱，使系統(tǒng)解耦。圖3中機(jī)架質(zhì)量中心位置左右居中(即左右方向關(guān)于幾何中心對(duì)稱)，前后方向居機(jī)架正面286 mm(即關(guān)于幾何中心向前偏移64 mm)，上下方向居機(jī)架底部800 mm。

理想的非耦合布置方式是將隔振器安裝在設(shè)備的重心平面。針對(duì)圖3中的機(jī)架來說，機(jī)架正前面要進(jìn)行操作，后面有大量線纜，需要從后面進(jìn)行設(shè)備和線纜維護(hù)，因此，只能在機(jī)架底部、頂部和頂背部安裝隔振器。根據(jù)機(jī)架高度和載機(jī)安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)，機(jī)架高度方向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度和深度方向尺寸，因此機(jī)架最終選擇了底部和頂背部安裝方式。

因?yàn)榧友b隔振器后，可以通過隔振器的剛度匹配法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分解耦，因此機(jī)架安裝點(diǎn)布置仍考慮幾何對(duì)稱。機(jī)架底部底座上布置4個(gè)安裝點(diǎn)，各安裝點(diǎn)關(guān)于機(jī)架左右和前后方向?qū)ΨQ，距機(jī)架外輪廓50 mm。在機(jī)架上頂框背部左右對(duì)稱布置兩個(gè)安裝點(diǎn)。在機(jī)架內(nèi)部6個(gè)安裝點(diǎn)位置增加墊塊進(jìn)行加強(qiáng)。各安裝點(diǎn)布局見圖6。

圖6　機(jī)架隔振器布局Fig.6 Rack isolator layout

3.3.2隔振緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)確定

設(shè)備隔振緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要明確隔振緩沖系統(tǒng)使用環(huán)境，設(shè)備允許的安裝方式，設(shè)備與周圍設(shè)備及艙壁間的允許變形空間，設(shè)備允許的振動(dòng)、沖擊量值，或允許的傳遞率。

在隨機(jī)振動(dòng)中，激振頻率帶寬內(nèi)所有的頻率都是同時(shí)存在的，而且幅值和相位關(guān)系隨機(jī)分布。隨機(jī)振動(dòng)傳遞率[6]

(5)

基礎(chǔ)和被隔振設(shè)備的均方加速度密度可以通過應(yīng)用于正弦振動(dòng)的絕對(duì)傳遞率建立聯(lián)系[7]：

Wr(f)=We(f)TA2

(6)

式中:Wr(f) 和We(f) 分別為設(shè)備和基礎(chǔ)的均方加速度密度，單位為g2/Hz；TA為隔振系統(tǒng)的絕對(duì)傳遞率。

在半正弦加速度脈沖激勵(lì)下，響應(yīng)加速度最大值與脈沖加速度最大值之比為沖擊傳遞率[7]。

(7)

按照通用機(jī)架結(jié)構(gòu)，以最大負(fù)載250 kg為研究對(duì)象，借助有限元分析方法建立剛性連接模型，通過加載圖4所示的隨機(jī)振動(dòng)譜型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)譜分析(PSD)，以機(jī)架結(jié)構(gòu)所有部位最大應(yīng)力小于屈服許用應(yīng)力[σ0.2]和持久極限許用應(yīng)力[σ-1]，機(jī)架內(nèi)安裝設(shè)備各部位響應(yīng)不出現(xiàn)放大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定各方向振動(dòng)許用傳遞率如下：

[TA振動(dòng)-Z]=0.65，[TA振動(dòng)-X]=1，[TA振動(dòng)-Y]=0.85

另外，在垂直方向振動(dòng)時(shí)，應(yīng)滿足49 Hz的振動(dòng)傳遞率TA<0.3；在左右方向振動(dòng)時(shí)，應(yīng)滿足50.5 Hz的振動(dòng)傳遞率TA<0.45；在前后方向振動(dòng)時(shí)，應(yīng)滿足49 Hz的振動(dòng)傳遞率TA<0.4。

同理，通過加載圖5所示的“半正弦”脈沖沖擊波進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，確定各方向沖擊傳遞率許用值。以機(jī)架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力不超過設(shè)備允許值(即最大應(yīng)力小于抗拉許用應(yīng)力[σb]為設(shè)計(jì)目標(biāo))，確定各方向沖擊許用傳遞率如下：

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

機(jī)架在載機(jī)內(nèi)呈并排安裝方式，為防止相鄰機(jī)柜之間發(fā)生相互碰撞，兩相鄰機(jī)架之間留有20 mm的間隙，將機(jī)架左右位移不超過10 mm做為隔振緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一重要輸入。另外，機(jī)載環(huán)境的其他環(huán)境適應(yīng)性要求和對(duì)隔振器的壽命要求也做為隔振器設(shè)計(jì)的輸入條件。

4.3.3確定隔振器固有頻率

由公式(2)繪出的振動(dòng)系統(tǒng)TA-γ振動(dòng)傳遞率曲線[8]見圖7。

圖7　振動(dòng)傳遞率Fig.7 Vibration transmission rate

同時(shí)，根據(jù)“3.3.2”中確定的緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)，半正弦沖擊響應(yīng)公式式(3)和圖5所示的沖擊脈沖曲線聯(lián)合確定為滿足設(shè)備緩沖需求，隔振器在各承載方向上固有頻率的選取范圍：

fz≤12 Hz，fx≤13.6 Hz，fy≤13.6 Hz

綜合隔振緩沖需求，初步確定隔振器各承載方向上的固有頻率f≤7 Hz。

3.3.4確定隔振器剛度和阻尼

采用隔振器支撐時(shí)，振動(dòng)的耦合情況取決于設(shè)備的重心位置、隔振器的安裝方式、各隔振器的彈簧剛度等。

解耦設(shè)計(jì)的基本原理：使剛度矩陣和質(zhì)量矩陣同時(shí)為對(duì)角陣，即系統(tǒng)的剛度中心與質(zhì)量中心重合。一旦偏心已經(jīng)客觀存在，則可用剛度適配法來解耦，即把剛度中心調(diào)至質(zhì)量中心。

圖8　機(jī)架隔振器等效示意圖Fig.8 The equivalent figure of rack isolator

設(shè)備機(jī)架隔振器布局見圖6，為計(jì)算各隔振器三個(gè)方向的剛度和阻尼值，將每個(gè)隔振器簡(jiǎn)化成三個(gè)方向(與坐標(biāo)軸平行)互相垂直的彈簧阻尼器(見圖8)。圖8中以機(jī)架的幾何中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，左右方向?yàn)閄軸，前后方向?yàn)閅軸，垂直方向?yàn)閆軸。則6個(gè)隔振器布置點(diǎn)坐標(biāo)值分別為(-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)。質(zhì)量中心C坐標(biāo)值為(0，-64，-142.5)，單位：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。

通過正剛度適配法，可以使機(jī)架主承載方向(Z向)、前后方向(Y向)振動(dòng)與其他方向解耦，隔振元件剛度需要滿足以下要求：

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方向的總剛度滿足

(9)

為滿足解耦，令背部?jī)蓚€(gè)隔振器垂直方向剛度k5z=k6z=0，求解上述方程組，解得

k1z=k2z≤175 927.5 N/m

k3z=k4z≤114 239 N/m

隔振器水平剛度與垂直剛度之比推薦值為0.25～0.5[9]，考慮橫向穩(wěn)定性和3.3.3節(jié)的水平固有頻率要求，本文取剛度比kx/kz=ky/kz=0.45，則

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隔振器選擇

按照上述確定的隔振器固有頻率、剛度和阻尼等參數(shù)，綜合考慮其他環(huán)境適應(yīng)性和壽命等要求，選擇隔振器。另外，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，內(nèi)裝設(shè)備的重量有較大差別，重心也會(huì)有些偏差，因此選擇隔振器還要考慮的模塊化的要求(外形和尺寸統(tǒng)一，承載重量、剛度、阻尼等可調(diào))。經(jīng)過多方比較，我們最終選定某型無諧振峰隔振器(見表1)。

表1　某型隔振器參數(shù)

注：表中帶星號(hào)項(xiàng)為估算值，其他項(xiàng)摘自產(chǎn)品手冊(cè)

其振動(dòng)傳遞率[10]參見式(10)，振動(dòng)傳遞率曲線參見圖9。根據(jù)式(10)單獨(dú)校核由“3.3.2”中確定的危險(xiǎn)頻率點(diǎn)(垂直方向?yàn)?9 Hz，左右方向?yàn)?0.5 Hz，前后方向?yàn)?9 Hz)上振動(dòng)傳遞率，能夠滿足隔振設(shè)計(jì)需求。

(10)

圖9　無諧隔振傳遞率Fig.9 Resonance-free vibration transmission rate

5試驗(yàn)驗(yàn)證

將裝有某型隔振器的電子設(shè)備機(jī)架安裝在V984LS型電磁振動(dòng)臺(tái)上，按照“3.2”節(jié)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)量值進(jìn)行試驗(yàn)考核。各項(xiàng)試驗(yàn)均以工裝底板上一點(diǎn)為控制點(diǎn)，試驗(yàn)容差滿足GJB150的要求。試驗(yàn)后，均未發(fā)現(xiàn)任何松動(dòng)、裂紋等機(jī)械損傷。試驗(yàn)中，用加速度傳感器分別測(cè)了中間和最上層分機(jī)安裝處的響應(yīng)值。相比各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值，在垂直方向上中層分機(jī)安裝處加速度響應(yīng)最大，其加速度均方根值為2.039 g，振動(dòng)衰減達(dá)50%以上(輸入加速度均方根值為4.66 g)。沖擊在三個(gè)方向上，最大響應(yīng)峰值約為7 g，緩沖量值能夠達(dá)到50%以上(輸入峰值為15 g)。對(duì)比“3.3.2”，滿足隔振緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)。

目前，該型號(hào)機(jī)架(含隔振器)已裝載整套電子裝備完成裝機(jī)、試飛、交付、使用等。在整個(gè)過程中未發(fā)生機(jī)架強(qiáng)度方面的破壞和因機(jī)架振動(dòng)沖擊問題導(dǎo)致的電子裝備的失效。

試驗(yàn)和實(shí)踐證明，根據(jù)本文描述的理論計(jì)算和仿真分析方法進(jìn)行隔振器參數(shù)設(shè)計(jì)和選型，達(dá)到了預(yù)期隔振緩沖設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6結(jié)論

本文以某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架為例，描述了機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架隔振緩沖設(shè)計(jì)的過程。

此方法能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。此方法同樣可以運(yùn)用于艦載、地面或其它環(huán)境平臺(tái)上的電子設(shè)備隔振緩沖設(shè)計(jì)上。

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