醫(yī)用電子設(shè)備的振動(dòng)和沖擊隔離設(shè)計(jì)

肖訓(xùn)華 深圳市寶慧和科技有限公司 （廣東 深圳 518076）

醫(yī)用電子設(shè)備的振動(dòng)和沖擊隔離設(shè)計(jì)

肖訓(xùn)華 深圳市寶慧和科技有限公司 （廣東 深圳 518076）

為了能夠減少振動(dòng)與沖擊帶來的不良影響，需要與醫(yī)用電子設(shè)備的實(shí)際情況結(jié)合進(jìn)行振動(dòng)與沖擊隔離設(shè)計(jì)。在文中就針對(duì)醫(yī)用電子設(shè)備的振動(dòng)與沖擊隔離進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

電子設(shè)備 振動(dòng) 沖擊 隔離 醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)用電子設(shè)備的振動(dòng)與沖擊會(huì)對(duì)醫(yī)用電子設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害，甚至是會(huì)導(dǎo)致診斷結(jié)果的誤判。這就需要我們通過相關(guān)的設(shè)計(jì)來減少甚至是消除這些影響。

1.振動(dòng)隔離設(shè)計(jì)

醫(yī)療設(shè)備中的計(jì)算實(shí)例（所有計(jì)算公式來源于參考文獻(xiàn)）

臺(tái)式超聲產(chǎn)品中，顯示器的固定如下圖1所示，請(qǐng)計(jì)算設(shè)備在以0.35mm的振幅，5～100Hz掃頻垂直方向振動(dòng)時(shí)顯示器的最大振幅，以及驗(yàn)證鑄鋁件是否可能會(huì)在振動(dòng)中斷裂。

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

圖1.

該彈性系統(tǒng)的剛度，

根據(jù)公式計(jì)算共振頻率：

可以知道系統(tǒng)在5～100Hz內(nèi)都沒有產(chǎn)生共振，因此隔振系數(shù)范圍為：

所以最大振幅為：

振動(dòng)相位差：

最大相對(duì)振幅計(jì)算：

鍵盤在最大相對(duì)振幅時(shí)有最大的應(yīng)力，最大振幅時(shí)的應(yīng)力：

懸臂梁的最大應(yīng)力產(chǎn)生在懸臂根部：

鑄鋁ADC12的抗拉強(qiáng)度為228MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2=154Mpa，所以該產(chǎn)品鍵盤在振動(dòng)中理論上不會(huì)變形和斷裂。只是安全系數(shù)不足，加上材料缺陷和疲勞強(qiáng)度，還是可能會(huì)出現(xiàn)變形的問題的。

也可以用這個(gè)方法對(duì)主機(jī)脖子的根部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。

2.外部激振的隔離設(shè)計(jì)

算激振力傳遞系數(shù)η。

圖2.

圖3.

外部激振，是指支撐基礎(chǔ)保持穩(wěn)定，而外部直接給設(shè)備振動(dòng)部件施加周期性外力的情況。模型如2所示：

醫(yī)療設(shè)備中的實(shí)例計(jì)算

硬盤振動(dòng)問題。原來的設(shè)計(jì)（圖3）與機(jī)箱剛性連接，振動(dòng)直接傳遞到整機(jī)，使得操作面板振動(dòng)的感覺比較明顯。我們打算采用橡膠圓柱減振彈簧結(jié)構(gòu)固定硬盤，避免硬盤的振動(dòng)傳遞到整機(jī)上。橡膠減振柱（Φ12.7×9，橡膠硬度40度，橫向負(fù)載小于2.5kg）。我們從理論上計(jì)算看這款減振柱是否能起到減振作用，以及計(jì)算校核在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中是否可能會(huì)脫落。

硬盤重量為0.78kg。硬盤的振動(dòng)應(yīng)該是因?yàn)楸P片的質(zhì)量不平衡高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，而硬盤盤片的轉(zhuǎn)動(dòng)是縱向的，所以振動(dòng)方向也應(yīng)該是縱向的，而振動(dòng)頻率就是盤片的轉(zhuǎn)速：f=7200/60=120（7200轉(zhuǎn)/min的硬盤）。

我們把硬盤因盤片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡周期力當(dāng)作激振外力，硬盤當(dāng)作主動(dòng)振動(dòng)的設(shè)備，主機(jī)箱是基礎(chǔ)。只要硬盤通過減振器傳遞到主機(jī)箱的力足夠小，就能起到減振作用了。下面我們來計(jì)算硬盤傳遞給主機(jī)箱的力，即計(jì)

計(jì)算橡膠彈簧橫向剛度（動(dòng)態(tài)剛度）：

K=7.67×4=30.68N/mm（計(jì)算公式和過程請(qǐng)看參考文獻(xiàn)。

橡膠減振的阻尼比為D=0.08（參考相關(guān)書籍上計(jì)算例子的橡膠阻尼比）

按公式（12）可以計(jì)算得

跟原來的螺釘連接，η=1相比而言，減振效果是相當(dāng)明顯的。實(shí)際裝配驗(yàn)證，確實(shí)效果非常好。

下面計(jì)算校核振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度：

根據(jù)公式（6）計(jì)算共振頻率：

共振振動(dòng)頻率在5～100Hz范圍內(nèi)，所以硬盤在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生共振，其相對(duì)振幅：

校核強(qiáng)度：

根據(jù)上面計(jì)算的橡膠柱剛度（橫向，1個(gè)），計(jì)算橡膠柱變形產(chǎn)生的力：

共振時(shí)產(chǎn)生的力小于2.5kgf，所以使用該減振柱是安全的。

3.振動(dòng)隔離設(shè)計(jì)的誤區(qū)

打螺釘前，加上軟墊就能起緩沖作用

從前面隔離系數(shù)的計(jì)算中可以看到，如果減振連接部分在振動(dòng)方向施加力時(shí)不能產(chǎn)生自由變形的化，是不會(huì)有減振效果的。如下圖A、B所示的例子，用軟墊然后打上螺釘，螺釘擰緊后就變成剛性連接了。即使螺釘不打死，但是螺釘?shù)拇怪狈较虻睦σ彩呛艽蟮?，比如M4螺釘打緊后有50～60kg的拉力，半緊狀態(tài)也有20～30kg拉力。除非部件在振動(dòng)時(shí)的力遠(yuǎn)超過螺釘?shù)睦?，否則起不到減振緩沖作用的。而象下圖C、D、E所示，設(shè)備和基礎(chǔ)部分完全用彈性材料隔離，才有可能起到振動(dòng)或沖擊的隔離作用。

剛性連接都不利于振動(dòng)隔離

當(dāng)我們使用圖6所示方案C、D、E試圖進(jìn)行振動(dòng)隔離時(shí)，需要進(jìn)行隔振系數(shù)的計(jì)算?？紤]到剛度的情況，有可能根本無法設(shè)計(jì)出合適的結(jié)構(gòu)，使得隔振系數(shù)小于1。如果是這樣的話，還不如用剛性連接，剛性連接隔振系數(shù)至多等于1，而不會(huì)擴(kuò)大振動(dòng)。

只要是加了彈性環(huán)節(jié)，就有減振作用

和上面一點(diǎn)的情況相似，增加的彈性環(huán)節(jié)，通過減振

計(jì)算（或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證），隔振系數(shù)有可能大于1，則不但沒有起到減振左右，反而把振動(dòng)放大了。所有的減振措施都是有針對(duì)性的，對(duì)不同質(zhì)量，不同振動(dòng)頻率的隔離都是有區(qū)別的。

圖4.

4.振動(dòng)隔離設(shè)計(jì)的基本形式

如圖4所示C、D、E，是比較常用的減振結(jié)構(gòu)方案。其中的橡膠柱、軟板、軟墊可以用其他彈性結(jié)構(gòu)和材料代替。注意減振器的設(shè)計(jì)，一般減振器還要一定的阻尼，否則在共振點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生非常大的振動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)的破壞。

如果振動(dòng)不能隔離，就一定要保證振動(dòng)源與設(shè)備的連接剛度，還有設(shè)備各部件之間的剛度，避免振動(dòng)被放大。比如上面所說的硬盤振動(dòng)問題，其實(shí)硬盤本身振動(dòng)比較小，但是因?yàn)橛脖P固定在剛度不好的機(jī)箱薄板上，還有操作面板與主機(jī)的連接有一定的彈性環(huán)節(jié)，使得振動(dòng)被放大了。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中經(jīng)常使用EVA墊，其實(shí)有時(shí)并不是真的起緩沖減振作用，而是增加強(qiáng)度的。如圖6所示方案B的軟墊就起到加強(qiáng)設(shè)備安裝板的作用。因?yàn)槿绻O(shè)備安裝板比較薄，或面積大導(dǎo)致剛度比較低，使用EVA彈墊是增加剛度的一個(gè)好辦法，并為彈性環(huán)節(jié)增加阻尼，可以明顯減少振動(dòng)的放大系數(shù)。

5.沖擊隔離設(shè)計(jì)

我們說沖擊隔離，包括包裝對(duì)設(shè)備的保護(hù)，和設(shè)備內(nèi)部對(duì)精密易損件的隔離保護(hù)。

圖5.

我們這里只考慮沖擊時(shí)間比較短的情況（撞擊時(shí)間

＜1/10緩沖材料固定周期），比如跌落、撞擊。這種情況都可以轉(zhuǎn)化成速度階躍的沖擊計(jì)算。

5.1 線性緩沖系統(tǒng)速度階躍沖擊的計(jì)算

沖擊試驗(yàn)方法采用標(biāo)準(zhǔn)IEC 68-2-27，加速度為5g，脈沖時(shí)間為11 msec，波形為半正弦波，每軸向正負(fù)方向各3次沖擊。

下面我們用沖擊計(jì)算法計(jì)算產(chǎn)品案例1中的鍵盤結(jié)構(gòu)是否滿足垂直方向的沖擊強(qiáng)度要求。跟靜態(tài)計(jì)算不同，靜態(tài)計(jì)算只是簡(jiǎn)單地將顯示器的重量乘上加速度來計(jì)算負(fù)載，沖擊計(jì)算要考慮脈沖時(shí)間。

首先根據(jù)沖擊實(shí)驗(yàn)的條件計(jì)算脈沖完成后的速度：

速度躍變，從V～0

按無阻尼、有阻尼進(jìn)行計(jì)算：

（靜態(tài)計(jì)算的負(fù)荷：P=ma=10×5×9.8=490N，相對(duì)來講小很多?。?/p>

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該鍵盤在沖擊實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)產(chǎn)生變形，如果材料有缺陷，也有可能會(huì)產(chǎn)生斷裂。

計(jì)算amax的意義在于，如果顯示器內(nèi)部有些器件只能承受30g的加速度沖擊（即元器件的脆值），而在本計(jì)算中，amax=37.2g，因此可以判斷該器件在沖擊實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)損壞。5.2非線性緩沖系統(tǒng)

彈性系統(tǒng)的變形-力函數(shù)不是線性關(guān)系時(shí)，也可以利用速度階躍的能量法進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算復(fù)雜，這里介紹比較簡(jiǎn)單有效的圖解法步驟。

基本步驟：

（1）根據(jù)變形-力函數(shù)繪制變形-力曲線圖（如果有現(xiàn)成的參考曲線則略過這步，也可以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線）

（2）根據(jù)變形-力函數(shù)和能量積分公式繪制變形-變形能曲線圖，或根據(jù)變形-力曲線圖繪制變形-變形能曲線圖（變形-力的面積即為變形能）

（3）根據(jù)沖擊條件計(jì)算V值或表達(dá)式，然后根據(jù)1/2mv2（或積分公式）計(jì)算變形能

（4）根據(jù)變形能和變形-變形能曲線圖查到變形值

（5）根據(jù)變形值和變形-力曲線圖查到負(fù)載力

（6）根據(jù)公式a=F/m計(jì)算最大加速度

由于篇幅有限，本文不在詳細(xì)描述。

[1] 邱成悌, 趙惇殳, 蔣全興. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理( 修訂版)[M]. 南京:東南大學(xué)出版社, 2005:130-230.

1006-6586(2016)06-0041-04

R194.2

B