肖訓(xùn)華：電子設(shè)備的振動(dòng)和沖擊隔離設(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，請計(jì)算設(shè)備在以醫(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。顯示器 m=10k」I山-1L^OOm.,鍵盤 鍵盤的材料為鑄鋁ADC12，L=200m:鍵盤可簡化成為厚10mm，寬300的懸臂梁進(jìn)行計(jì)算。肖訓(xùn)華：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)內(nèi)容提要: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)。醫(yī)用電子設(shè)備的振動(dòng)與沖擊會(huì)對醫(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)主機(jī)圖1鑄鋁的阻尼比，D=0.008；E=71000Mpa；I=bh3/12=2500mm4該彈性系統(tǒng)的剛度，K=3EI/L3=1.18X104N/mm=1.18X107N/m根據(jù)公式計(jì)算共振頻率：fo2=171.8Hz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:n=1.00?1.49(f=5?100Hz)，所以最大振幅為：A=nA0=0.523mm振動(dòng)相位差：tanO=2Dy3/(1-Y2+(2DY)2)=0.046(弧度)最大相對振幅計(jì)算：Umax=x/(Acos0-A0)2+(Asin0)2=0.174mm鍵盤在最大相對振幅時(shí)有最大的應(yīng)力，最大振幅時(shí)的應(yīng)力:

P=kUmax+mg=2053+98=2151N懸臂梁的最大應(yīng)力產(chǎn)生在懸臂根部：”max='J（P/S）2+（PL/W）2^-^（2151/3000）2+（2151*200/5000）2 =86Mpa鑄鋁ADC12的抗拉強(qiáng)度為228MPa,屈服強(qiáng)度。02=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)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:圖2模型如2所示:圖2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（④12.7X9，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)算激振力傳遞系數(shù)n。計(jì)算橡膠彈簧橫向剛度（動(dòng)態(tài)剛度）：K=7.67x4=30.68N/mm（計(jì)算公式和過程請看參考文獻(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n=0.087跟原來的螺釘連接，n=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：靜3項(xiàng)，

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，其相對振幅:Ao1=2.2mm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：F=kAo「7.67*2.2=16.9N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)螺釘固定一橡膠柱一&設(shè)備螺釘固定一預(yù)埋螺柱-壓板一E螺釘固定一橡膠柱一&設(shè)備螺釘固定一預(yù)埋螺柱-壓板一E?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彩呛艽蟮模热鏜4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。螺釘固定一軟墊一螺釘固定一 軟墊一F預(yù)埋螺柱一方? 設(shè)備1 | 預(yù)埋螺柱—上 設(shè)備1 |■fl n 湖圖4?剛性連接都不利于振動(dòng)隔離當(dāng)我們使用圖所示方案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性的，對不同質(zhì)量，不同振動(dòng)頻率的隔離都是有區(qū)別的。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、軟墊可以用其它彈性結(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。我們在設(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，包括包裝對設(shè)備的保護(hù)，和設(shè)備內(nèi)部對精密易損件的隔離保護(hù)。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。需保護(hù)的設(shè)備需保護(hù)的設(shè)備承臺(tái)的速度瞬間從0變?yōu)閂圖55.1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)話。68-2-27,加速度為5g,脈沖時(shí)間為〃msec,波形為半正弦波，每軸向正負(fù)方向鞭次沖擊。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：V=Ja(t)dt= amsin(nt/T)dt=2Tam/n=0.34m/s速度躍變，從V~0按無阻尼、有阻尼進(jìn)行計(jì)算：umax=0.313mm（公式13）,有阻尼時(shí)0.309mm（公式16）amax=369m/s2=37.7g（公式14）,有阻尼37.2g（公式15）P=kumax+mg=3646+98=3744N（靜態(tài)計(jì)算的負(fù)荷：P=ma=10*5*9.8=490N,相對來講小很多?。ゞ=151Mpa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，這里介紹比較簡單有效的圖解法步驟?；静襟E：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