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车载设备电控机柜减振系统研究

发布时间：

2018-08-11 02:12

车载设备电控机柜减振系统研究

（辽宁同泽减震器有限公司，辽宁省辽阳市，111005）

摘要：辽宁同泽减震器有限公司是国内多种军工产品减振器的配套单位，包括航空、航天、舰船和陆地车载产品的减振系统的设计和生产。车载电控机柜类减振系统的布局采用机柜底部四角和机柜背部上端两侧各安装一只减振器的标准布局。该种布局，产品常见的问题是在沿某一方向振动时，机柜产生晃动、特别是水平振动时机柜上部位移明显大于机柜下部位移，冲击时，由于减振器的变形和限位，易产生结构碰撞，后果是轻者影响减振器的使用寿命，重者产品不能通过力学环境试验。产生以上原因是机柜偏心以及减振器布局局限性引起的。底部和背部减振器如何匹配，才能有效避免或尽可能减轻以上问题，以符合GJB150.16A-2009中图C.3振动条件和GJB150.18A-2009中图3后锯齿波冲击条件的要求，本文给出了详细的机理分析和解决途径，以期对车载电控机柜减振系统的设计和减振器选型有所帮助。

关键词：车载机柜减振

1 概述

车载设备电控机柜类减振系统的布局通常按相关标准，采用机柜底部四角和机柜背部上端两侧各安装一只减振器构成减振系统。按GJB150.16A-2009中图C.3组合轮式车振动环境条件和GJB150.18A-2009中图3后锯齿波冲击条件在振动台上通过鉴定试验考核。初次接触背部安装减振器的布局，直观感觉，底部四个减振器承载应根据机柜质量，计算每个减振器的载荷，而背部减振器的承载，认为背部上侧载荷轻，按一半考虑。在该方案下，进行了试验，发现当水平振动时，机柜上下运动不同步，机柜上侧摆动明显大于机柜底部。为解决该问题，通过查阅资料，受力分析，从理论上解决了这一减振器匹配问题。重新匹配了减振器，经过试验验证达到了用户要求。

2减振器匹配的作用

减振器的弹性中心若与载体的质心不重合，则载体质心相对减振器弹性中心存在弹性和惯性力距，当减振系统受振动时，载体在弹性和惯性力距的作用下，产生角运动，称为线角耦合。线角耦合的现象是在振动时，载体产生摇晃，摇晃幅度与振动量级成正比关系，特别是在减振器峰值响应频率，可产生剧烈摇晃，显然，耦合除对载体减振效果产生影响，还对减振器的使用寿命产生影响。因此，应采取措施，避免或尽量减小线角耦合，这个过程称为解耦。就机柜而言，对于减振器设计研制单位，在机柜质心不能变动、减振器安装布局和安装位置尺寸不能变动的前提下，只有通过对减振器的匹配，使得减振器的弹性中心与载体机柜质心重合，以消除弹性和惯性力距，达到避免线角耦合的目的。

3 机柜减振器布局

机柜减振系统布局如示意图1所示，其中为机柜质心。

1．底部减振器；2。机柜；3。背部减振器

图1 机柜减振器布局示意图

4 偏心解耦设计

4.1 弹性耦合解耦方法

根据振动系统的刚度矩阵和质量矩阵同时为对角矩阵时，系统的各阶固有振动才能解耦。在上述机柜质心不能变动、减振器安装布局和安装位置尺寸不能变动的情况下，解耦的方法是通过选配减振器的参数，使减振器的弹性中心与载体的质心重合来实现。

取质量为的载体质心为坐标原点，可使质量矩阵为对角矩阵，如图2所示减振系统。

图2 弹性耦合

其运动微分方程为

+ ………………………(1)

根据（1）式，当时，刚度矩阵不为对角矩阵，则和耦合，该耦合是通过弹性元件进行，称为弹性耦合。

解耦条件是令，若（质心C在几何中心上），则，应选用刚度相同的减振器，若（质心C不在几何中心上），则

……………………………………………(2)

此时，应按（2）式选择减振器的刚度。

一般情形，质心与几何中心不重合的位置关系如图3所示。

图3 质心与几何中心不重合的位置关系

假定载体重量为，由四个减振器承担，，为质心到几何中心的偏心距，通过分别调整四个减振器的载荷，，，，使减振器弹性中心与质心重合。当选用相同峰值响应频率的减振器时，减振器的刚度表1给出和的计算公式。

表1 质心偏心时各减振器和计算公式

项目序号
1
2
3
4

4.2 惯性耦合解耦方法

对于质心与几何中心不重合的情况，如图4所示。

图4 惯性耦合

取刚度中心O为坐标原点（），转动惯量，向振动时，系统惯性力为，惯性力距为。

其运动微分方程为

由于耦合是系统惯性力引起的，称为惯性耦合，解耦条件：

5 柜体底部安装减振系统的解耦设计

机柜存在偏心，底部安装减振系统见图5所示。

图5 底部安装减振系统

当质量为的底部减振系统进行轴向振动时，由于质心存在偏心和，在惯性力作用下，在减振器支撑平面中，除有向平动线位移外，还有在惯性力距和作用下的和的角位移，因此，,和三个自由度是耦合的。解耦方法按第4章表1，选择不同刚度的减振器将减振器弹性中心调整到与柜体质心重合。

小结：机柜底部安装的减振系统只能解耦垂直于减振器支撑平面方向（向）振动产生的偏心矩问题。而对平行于减振器支撑面的水平方向（向、向）的振动则仅靠底部减振系统无法解耦。

6 机柜背部减振系统的解耦设计

当车辆爬坡、颠簸、起步、转弯和刹车时，由于惯性力的作用，机柜产生倾斜、晃动，为避免对机柜中安装的电器设备的损坏，应安装背部减振器对机柜加以限位。

背部减振器应在底部减振系统向、向减振器弹性中心已调至到在该方向上与柜体质心重合或称已解耦的基础上进行。

6.1背部减振器的基本要求

a.垂向（向）刚度，并且安装背部减振器时，减振器的轴径向均不得受拉、压力，否则对调好的底部减振器刚度产生影响，振动时与底部的减振器产生耦合。

b.位移量应与底部减振器相匹配，位移量应相近，否则水平振动时，引起上下位移不同步，易造成减振器的损坏或影响使用寿命。

c.机柜背部减振器与底部减振器构成的减振系统解耦设计用于解决或改善机柜水平振动时，在水平（向,向）振动所产生的偏心矩问题。

6.2 背部减振器的解耦方法

a.当垂直向振动时，背部减振器,此时，与底部减振器垂向解耦。

b.当向水平振动时，如图6所示，底部四个减振器水平反向力为，反力距为，与背部两个减振器的水平反力，反力距，满足（3）式

……………………………………………(3)

向振动时，可以在该方向解耦。

c. 当向水平振动时，由于机柜前侧只有1,2两个减振器，机柜后侧底部有3,4和上部后侧5,6四个减振器，将引起绕轴的角振动，存在, 的耦合振动，这个问题是由减振器布局产生的，不能消除或解耦。

小结：向水平，当机柜背部减振器与底部减振器的反力距相等时，可以解耦，向水平，因减振器布局原因，存在耦合，并不能解耦。

图6 侧挂减振系统

假定底部减振器三个方向等刚度，由（2)式，=，由（3）式，=，=,则

=,则 ....................................(4)

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

由表1，则 ...................................(6)

.........。........................(7)

式（4）～（7）分别给出了水平向机柜上部侧挂两个减振器刚度和载荷计算式。向按向参数确定。向根据本文分析，刚度、载荷接近为零为宜。

计算举例：根据用户提供的一种机柜如图7所示，已知，及机柜一阶谐振频率已知。并考虑到尽可能提高减振效率，确定减振器的峰值响应频率。

图7 机柜参数关系

根据表1，机柜底部四个减振器的载荷，刚度。

机柜上部后侧两个减振器刚度根据（4）、（5）式，,,载荷根据（6）、（7）式，，。

7 结论

机柜减振系统底部减振器应按机柜总质量分配每个减振器的载荷，并首先对机柜质心在平行于减振器安装平面的质心偏心进行解耦。再对背部减振器的解耦，垂直向，为避免与底部减振器产生耦合，背部减振器刚度应尽可能的小，水平向，应保证背部减振器产生的反力距与底部减振器产生的反力距相等，使y向解耦，水平向，不能解耦，为降低机柜绕轴的扭转，背部减振器刚度与载荷应与向相同。通过试验验证，本公司****、***等系列减振器已应用到车载、舰船、机载等多种设备机柜的减振系统的设计中，效果良好，达到了预期目的。