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    車載設備電控機柜減振系統研究

    車載設備電控機柜減振系統研究

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    【摘要】:

    車載設備電控機柜減振系統研究

     

    (遼寧同澤減震器有限公司, 遼寧省遼陽市,111005

    摘  要:遼寧同澤減震器有限公司是國內多種軍工產品減振器的配套單位,包括航空、航天、艦船和陸地車載產品的減振系統的設計和生產。車載電控機柜類減振系統的布局采用機柜底部四角和機柜背部上端兩側各安裝一減振器的標準布局。該種布局,產品常見的問題是在沿某一方向振動時,機柜產生晃動、特別是水平振動時機柜上部位移明顯大于機柜下部位移,沖擊時,由于減振器的變形和限位,易產生結構碰撞,后果是輕者影響減振器的使用壽命,重者產品不能通過力學環境試驗。產生以上原因是機柜偏心以及減振器布局局限性引起的。底部和背部減振器如何匹配,才能有效避免或盡可能減輕以上問題,符合GJB150.16A-2009中圖C.3振動條件和GJB150.18A-2009中圖3后鋸齒波沖擊條件的要求,本文給出了詳細的機理分析和解決途徑,以期對車載電控機柜減振系統的設計和減振器選型有所幫助。

    關鍵詞:車載 機柜 減振

    1 概述

    車載設備電控機柜類減振系統的布局通常按相關標準,采用機柜底部四角和機柜背部上端兩側各安裝一只減振器構成減振系統。按GJB150.16A-2009中圖C.3組合輪式車振動環境條件和GJB150.18A-2009中圖3后鋸齒波沖擊條件在振動臺上通過鑒定試驗考核。初次接觸背部安裝減振器的布局,直觀感覺,底部四個減振器承載應根據機柜質量,計算每個減振器的載荷,而背部減振器的承載,認為背部上側載荷輕,按一半考慮。在該方案下,進行了試驗,發現當水平振動時,機柜上下運動不同步,機柜上側擺動明顯大于機柜底部。為解決該問題,通過查閱資料,受力分析,從理論上解決了這一減振器匹配問題。重新匹配了減振器,經過試驗驗證達到了用戶要求。

    2減振器匹配的作用

    減振器的彈性中心若與載體的質心不重合,則載體質心相對減振器彈性中心存在彈性和慣性力距,當減振系統受振動時,載體在彈性和慣性力距的作用下,產生角運動,稱為線角耦合。線角耦合的現象是在振動時,載體產生搖晃,搖晃幅度與振動量級成正比關系,特別是在減振器峰值響應頻率,可產生劇烈搖晃,顯然,耦合除對載體減振效果產生影響,還對減振器的使用壽命產生影響。因此,應采取措施,避免或盡量減小線角耦合,這個過程稱為解耦。機柜而言,對于減振器設計研制單位,在機柜質心不能變動、減振器安裝布局和安裝位置尺寸不能變動的前提下,只有通過對減振器的匹配,使得減振器的彈性中心與載體機柜質心重合,消除彈性和慣性力距,達到避免線角耦合的目的。

    3 機柜減振器布局

        機柜減振系統布局如示意圖1所示,其中為機柜質心。

                                      

    1.底部減振器;2。機柜;3。背部減振器

    1 機柜減振器布局示意圖

    4 偏心解耦設計

    4.1 彈性耦合解耦方法

    根據振動系統的剛度矩陣和質量矩陣同時為對角矩陣時,系統的各階固有振動才能解耦。上述機柜質心不能變動、減振器安裝布局和安裝位置尺寸不能變動的情況下,解耦的方法是通過選配減振器的參數,使減振器的彈性中心與載體的質心重合來實現。

        質量為載體質心為坐標原點,可使質量矩陣為對角矩陣,如圖2所示減振系統。

                                     

    彈性耦合

    運動微分方程為

    +  ………………………(1)

       根據(1)式,當時,剛度矩陣不為對角矩陣,則耦合,該耦合是通過彈性元件進行,稱為彈性耦合。

        解耦條件是令,若(質心C在幾何中心上),則,應選用剛度相同的減振器,若(質心C不在幾何中心上),則

                                        ……………………………………………(2)

    此時,應按(2)式選擇減振器的剛度。

    一般情形,質心與幾何中心不重合的位置關系如圖3所示。

                      

    3 質心與幾何中心不重合的位置關系

    假定載體重量為,由四個減振器承擔,,為質心到幾何中心的偏心距,通過分別調整四個減振器的載荷,,,,使減振器彈性中心與質心重合。當選用相同峰值響應頻率的減振器時,減振器的剛  1給出的計算公式。

    1 質心偏心時各減振器計算公式

     

                      

             

     

    1

     

    2

     

    3

     

    4

    4.2 慣性耦合解耦方法

    對于質心與幾何中心不重合的情況,如圖4所示。

            

    4 慣性耦合

       取剛度中心O為坐標原點(),轉動慣量,向振動時,系統慣性力為,慣性力距為。

    運動微分方程為

    由于耦合是系統慣性力引起的,稱為慣性耦合,解耦條件:

    5 柜體底部安裝減振系統的解耦設計

    機柜存在偏心,底部安裝減振系統見圖5所示。

                                

    5 底部安裝減振系統

    質量為的底部減振系統進行軸向振動時,由于質心存在偏心,在慣性力作用下,在減振器支撐平面中,除有向平動線位移外,還有在慣性力距作用下的的角位移,因此,,三個自由度是耦合的。解耦方法按第4章表1,選擇不同剛度的減振器將減振器彈性中心調整到與柜體質心重合。

    小結:機柜底部安裝的減振系統只能解耦垂直于減振器支撐平面方向(向)振動產生的偏心矩問題。而對平行于減振器支撐面的水平方向(向、向)的振動則僅靠底部減振系統無法解耦。

    6 機柜背部減振系統的解耦設計

    當車輛爬坡、顛簸、起步、轉彎和剎車時,由于慣性力的作用,機柜產生傾斜、晃動,為避免對機柜中安裝的電器設備的損壞,應安裝背部減振器對機柜加以限位。

    背部減振器應在底部減振系統向、向減振器彈性中心已調至到在該方向上與柜體質心重合或稱已解耦的基礎上進行。

    6.1背部減振器的基本要求

    a.垂向(向)剛度,并且安裝背部減振器時,減振器的軸徑向均不得受拉、壓力,否則對調好的底部減振器剛度產生影響,振動時與底部的減振器產生耦合。

    b.位移量應與底部減振器相匹配,位移量應相近,否則水平振動時,引起上下位移不同步,易造成減振器的損壞或影響使用壽命。

    c.機柜背部減振器與底部減振器構成的減振系統解耦設計用于解決或改善機柜水平振動時,在水平(,向)振動所產生的偏心矩問題。

    6.2 背部減振器的解耦方法                                                               

    a.當垂直向振動時,背部減振器,此時,與底部減振器垂向解耦。

    b.當向水平振動時,如圖6所示,底部四個減振器水平反向力為,反力距為,與背部兩個減振器的水平反力,反力距,滿足(3)式                                     

                                      ……………………………………………(3)

    向振動時,可以在該方向解耦。

    c. 當向水平振動時,由于機柜前側只有1,2兩個減振器,機柜后側底部有3,4和上部后側5,6四個減振器,將引起繞軸的角振動,存在, 的耦合振動,這個問題是由減振器布局產生的,不能消除或解耦。

    小結:向水平,當機柜背部減振器與底部減振器的反力距相等時,可以解耦,向水平,因減振器布局原因,存在耦合,并不能解耦。

                      

           

    6 側掛減振系統

    假定底部減振器三個方向等剛度,由(2)式,=,由(3)式,=,=,則

    =,則       ....................................(4)

          ...................................(5)

    由表1,則     ...................................(6)

         .........。........................(7)

    式(4)7)分別給出了水平向機柜上部側掛兩個減振器剛度和載荷計算式。向按向參數確定。向根據本文分析,剛度、載荷接近為零為宜。

    計算舉例:根據用戶提供的一種機柜如圖7所示,已知,機柜一階諧振頻率已知。并考慮到盡可能提高減振效率,確定減振器的峰值響應頻率。

                             

    7 機柜參數關系

    根據表1,機柜底部四個減振器的載荷,剛度。

    機柜上部后側兩個減振器剛度根據(4)、(5)式,,,載荷根據(6)、(7)式,,。

    7 結論

    機柜減振系統底部減振器應按機柜總質量分配每個減振器的載荷,并首先對機柜質心在平行于減振器安裝平面的質心偏心進行解耦。再對背部減振器的解耦,垂直向,為避免與底部減振器產生耦合,背部減振器剛度應盡可能的小,水平向,應保證背部減振器產生的反力距與底部減振器產生的反力距相等,使y向解耦,水平向,不能解耦,為降低機柜繞軸的扭轉,背部減振器剛度與載荷應與向相同。通過試驗驗證,本公司****、***等系列減振器已應用到車載、艦船、機載等多種設備機柜的減振系統的設計中,效果良好,達到了預期目的。

    [參考文獻]

    [1]GB/T2298-2010 機械振動、沖擊與狀態監測詞匯

    [2]GJB150.16A-2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分 振動試驗

    [3]GJB150.16A-2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法第18部分 沖擊試驗

    [4]Q/d187-2008 慣性平臺減振系統設計規范

    [5]機械設計手冊  聞邦椿 編著

    [6]電子設備振動環境適應性設計  季馨 王樹榮 編著

    [7]道路車輛 電氣及電子設備的環境試驗方法和要求  盧兆明 編著

     

     
     
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