車載機柜的抗振設計研究

閆建華，蘇靜

（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

車載機柜的抗振設計研究

閆建華，蘇靜

（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

隨著自動化控制的進一步發(fā)展，機柜廣泛的應用于各行各業(yè)。車載機柜是一種精密的電子設備，無論是外力經(jīng)載體傳導至車載機柜，還是車載機柜體自身的振動，都會對其中的精密設備造成危害，甚至影響車載機柜的正常使用。為保證其即使在振動條件下仍然能持續(xù)工作，而并不影響到安全，加大車載機柜的抗振設計是非常必要的。本文將詳細介紹車載機柜的抗振設計，降低振動對車載機柜的負面影響。

車載機柜；抗振；方案設計；隔震緩沖

0 引言

車載機柜已經(jīng)被廣泛應用在軍事、航空、地面交通等領域中，由于這些載體在移動或使用的過程中，車載機柜常常會受到各種振動。車載機柜是一種精密儀器，頻繁且強度較大的振動都會對車載機柜造成致命的傷害，嚴重影響車載機柜的正常使用。因此，對車載機柜制定有效的抗振系統(tǒng)，是維護其正常運行的重要措施。

1 振動對車載機柜的危害

機柜一般由機柜面板、承重結構、連接件和儀控或者設備部件組成。車載機柜常見的載體有飛機、汽車、地鐵和輪船。車載機柜能處理這些載體中的一些緊密數(shù)據(jù)，幫助這些工具更好的發(fā)揮作用，提升其運行的安全性。但在這期間車載機柜自身也遭受著內(nèi)在和外在兩個方面的振動。如在飛機或軍事演習中，飛機或軍事設備（武器）需要進行快速的移動，這期間必然造成強烈的振動，而振動又會對機械周圍的地方造成不利反應，從而影響到車載機柜的穩(wěn)定性和可靠性，如果車載機柜沒有給予有效的抗振措施，勢必受到損壞。振動對車載機柜的危害主要集中兩個方面：一是在某個激振頻率對車載機柜產(chǎn)生較大的共振；二是長時間的振動和沖擊，讓車載機柜形成的疲勞導致?lián)p壞。無論是那種類型的振動都會對車載機柜中的精密零件造成影響，其中的零件一旦出現(xiàn)移位或損壞，將會影響整個車載柜機的正常使用。

2 車載機柜抗振系統(tǒng)方案設計

根據(jù)振動對車載柜機造成影響的方式，可以從兩方面設計抗振系統(tǒng)：一是針對車載機柜的薄弱環(huán)節(jié)進行加固，加大設備的固定效果，減小沖擊振動對其產(chǎn)生的沖擊應力并提升車載機柜自身的疲憊極限。二是采用隔振緩沖系統(tǒng)，減低外部對車載機柜的振動沖擊，維持車載機柜的正常運行。

2.1 車載機柜的加固抗振方案設計

機柜起著承受載體的重要作用，當然也包含上下切面和四周支撐的立柱，對于立柱的選材要盡量選用鋼型材，用此材料將各分機和機架連接起來，所以，機架立柱的堅硬度的質(zhì)量直接關系到機架的承重能力，因此，要注重截面形狀和尺寸的應用，要和實際承重能力相符合，足以承受其重量，由材料力學原理可以推知，當所選材料確定時，則其抗扭、抗彎能力和截面形狀和尺寸有著重大的關系，基本由截面形狀和尺寸大小來決定，當截面大小相同時，空心截面立柱的剛度跟實心截面立柱相比，其抗振能力要好上幾十倍。在設計車載機柜加固抗振方案時應遵循層次結構和二倍頻規(guī)則。車載機柜的結構一般分為主層次結構（機架）、次層次結構（插箱）和第三層次結構（印制板和電源模塊等）。根據(jù)公式可以了解主要保證其基礎的激振力不被加大或放大，并能夠保證其上一層次的頻率比值不變。在這種情況下，兩個層次結構形成了剛性連接。根據(jù)二倍頻規(guī)則，各層次結構不會產(chǎn)生局部的共同振動，自然也就降低了車載機柜所承受的振動沖擊力。如果實際上所有層次的結構頻率符合β≥2條件，設計方案就能達到預期的抗振效果。所以一般取β≥1.5，才能保證局部共振因子λ滿足≤3的要求。下面本文詳細介紹不同層次的剛性設計要求。

（1）機柜的設計：機架是車載柜機的主要承載體，一般由上、下框和與之相聯(lián)的四根立柱等構件組成。所以機架立柱的剛性會直接決定機架剛度的大小。在設計機柜時，應從立柱的剛性、橫截面形狀和尺寸、材料力學的影響等方面進行。計算出其承重指標，并滿足結構與技術的要求。在連接機柜的各個部分時要注重提高整體的剛度。可采用同等焊接的連接方式，并加強左右側(cè)板、面板和框架的連接剛度。在側(cè)板上合理的應用加強筋和螺釘，能達到提升整個機柜的剛度的目的。為保證機柜機箱起到抗震、抗打擊的能力，在對機箱機柜外殼選材時一定要選擇使用不銹鋼軋板，這種材質(zhì)堅硬不容易變形和擠壓，在進行焊接時拐角處也要做到無縫，這樣就可以保證機箱機柜的密封性。

（2）插箱的設計：插箱主要通過導軌、面板與機架形成連接。在進行插箱設計時，導軌必須為高強度結構，同時橫向跨越機柜的兩邊，借用這種方法來增強機柜前后的堅硬度，為減少其振動，可以加個螺釘，增加其牢固性，由于插箱底板位于車載機柜的底端，對于其選材上，盡可能選擇比較薄的鋼板或是鋁板，如果是鋁板，則選擇中厚程度的，在允許范圍內(nèi)，可適當增加底板的厚度，根據(jù)抗彎剛度公式計算出可增加的厚度。

（3）印刷版的設計：印刷版三軸向是有固定頻率的。如圖1所示，當Z向最低時，Z向的一階固有頻率不僅受到自身的幾何尺寸影響，還與印制板的支承狀態(tài)有關?？梢酝ㄟ^適當縮小印制板的外形大小，來達到提升其固有頻率的目的。需要注意的是，如果印制板的厚度增加，且固有頻率也會增加。所以可以通過提升印制板的固有頻率，進而改善其支承效果。

圖1 印制板的剛度圖

2.2 車載機柜的隔振緩沖方案設計

由于機柜背部所出來的弧度稍微有點大，而底部所承受支撐的隔振器對水平方向的影響要相對較小，因此，在設置隔振器時首先選擇在機柜背部的位置，這樣可以有效減弱振動所帶來的影響。在選擇背部隔振器時應滿足以下幾個條件。

（1）背部隔振器的垂向剛度應盡可能的靠近0。

（2）要盡可能使水平剛度和機柜靜距離維系在相對應的關系，以最大限度的減小藕聯(lián)共振所帶來的不良影響。

（3）背部隔振器要匹配底部隔振器剛度阻尼的特性。

隔振器的安裝方式多樣，但不同的安裝方式?jīng)Q定了隔振系統(tǒng)的效果與穩(wěn)定性。較常使用的安裝方式為在框架底部安裝四個相同的隔振器，然后在上框架的后方放置兩個同樣的背部隔振器，見圖2。如果車載機柜是由多個機柜拼接而成，可以采用橫向剛度良好的過渡板連接若干個隔振器。原則上，隔振器在安裝時要能從六個自由度方向消除藕聯(lián)運動，保證電子設備的機柜質(zhì)量重心與抗振系統(tǒng)剛度重心的匹配?？梢栽试S機柜重心出現(xiàn)小幅度的偏移，但需要保證四個支點的承載量必須在允許的偏差范圍內(nèi)。

圖2 背架式隔振系統(tǒng)模型圖

3 結論

由于車載機柜是一種非常精密、非常復雜的電子設備，哪怕是較為輕微的振動也會對其正常使用產(chǎn)生影響。車載機柜的抗振設計對其正常使用有著非常重要的意義。

根據(jù)車載機柜的抗振要求進行合適的抗振方案設計，是其抗振設計最為基本的原則。隔振緩沖的設計方案具有很大的靈活性，能適應于各種類型的車載機柜；加固抗振的設計方案雖然能達到良好的抗振效果，但需要在特定的實驗環(huán)境中進行，且操作工程較為復雜。隨著人們逐漸了解振動對車載機柜的危害，出現(xiàn)的隔振抗振的方式會越來越多，越來越實用。

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