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肖训华：电子设备的振动和冲击隔离设计 肖训华 深圳市宝慧和科技有限公司 （广东 深圳518076） 内容提要：为了能够减少振动与冲击带来的不良影响，需要与医用电子设备的实际情况结合进行振动与冲击隔离设计。在文中就针对医用电子设备的振动与冲击隔离进行了设计。 关键词：电子设备；振动；冲击；隔离；医疗设备 医用电子设备的振动与冲击会对医用电子设备带来严重的危害，甚至是会导致诊断结果的误判。这就需要我们通过相关的设计来减少甚至是消除这些影响。 1. 振动隔离设计医疗设备中的计算实例 （所有计算公式来源于参考文献）
图1 铸铝的阻尼比，D=0.008；E=71000Mpa；I=bh3/12=2500mm4 该弹性系统的刚度， K=3EI /L3=1.18X104 N/mm=1.18X107 N/m 根据公式计算共振频率： fo2= 171.8Hz 可以知道系统在5~100Hz内都没有产生共振，因此隔振系数范围为： η=1.00~1.49（f=5~100Hz）， 所以最大振幅为： A=ηA0= 0.523mm 振动相位差： tanθ=2Dγ3/(1-γ2+(2Dγ)2)=0.046（弧度） 最大相对振幅计算：
Umax= =0.174mm
键盘在最大相对振幅时有最大的应力，最大振幅时的应力： P=kUmax+mg=2053+98=2151N 悬臂梁的最大应力产生在悬臂根部：
铸铝ADC12的抗拉强度为228MPa，屈服强度σ0.2=154Mpa，所以该产品键盘在振动中理论上不会变形和断裂。只是安全系数不足，加上材料缺陷和疲劳强度，还是可能会出现变形的问题的。 也可以用这个方法对主机脖子的根部强度进行计算校核。
2、外部激振的隔离设计 外部激振，是指支撑基础保持稳定，而外部直接给设备振动部件施加周期性外力的情况。模型如2所示：
图2 图 3 医疗设备中的实例计算 硬盘振动问题。原来的设计（图3）与机箱刚性连接，振动直接传递到整机，使得操作面板振动的感觉比较明显。我们打算采用橡胶圆柱减振弹簧结构固定硬盘，避免硬盘的振动传递到整机上。橡胶减振柱（Φ12.7X9，橡胶硬度40度，横向负载小于2.5kg）。我们从理论上计算看这款减振柱是否能起到减振作用，以及计算校核在振动实验中是否可能会脱落。 硬盘重量为0.78kg。硬盘的振动应该是因为盘片的质量不平衡高速旋转导致的，而硬盘盘片的转动是纵向的，所以振动方向也应该是纵向的，而振动频率就是盘片的转速：f=7200/60=120（7200转/min的硬盘）。 我们把硬盘因盘片高速旋转产生的不平衡周期力当作激振外力，硬盘当作主动振动的设备，主机箱是基础。只要硬盘通过减振器传递到主机箱的力足够小，就能起到减振作用了。下面我们来计算硬盘传递给主机箱的力，即计算激振力传递系数η。 计算橡胶弹簧横向刚度（动态刚度）： K=7.67x4=30.68N/mm（计算公式和过程请看参考文献。 橡胶减振的阻尼比为D=0.08（参考相关书籍上计算例子的橡胶阻尼比） 按公式（12）可以计算得 η=0.087 跟原来的螺钉连接，η=1相比而言，减振效果是相当明显的。实际装配验证，确实效果非常好。 下面计算校核振动实验的强度： 根据公式（6）计算共振频率： fo2=31.4Hz， 共振振动频率在5~100Hz范围内，所以硬盘在振动实验中会产生共振，其相对振幅： Ao1=2.2mm 校核强度： 根据上面计算的橡胶柱刚度（横向，1个），计算橡胶柱变形产生的力： F=kAo1=7.67*2.2=16.9N 共振时产生的力小于2.5kgf，所以使用该减振柱是安全的。
3、振动隔离设计的误区 l 打螺钉前，加上软垫就能起缓冲作用 从前面隔离系数的计算中可以看到，如果减振连接部分在振动方向施加力时不能产生自由变形的化，是不会有减振效果的。如下图A、B所示的例子，用软垫然后打上螺钉，螺钉拧紧后就变成刚性连接了。即使螺钉不打死，但是螺钉的垂直方向的拉力也是很大的，比如M4螺钉打紧后有50~60kg的拉力，半紧状态也有20~30kg拉力。除非部件在振动时的力远超过螺钉的拉力，否则起不到减振缓冲作用的。而象下图C、D、E所示，设备和基础部分完全用弹性材料隔离，才有可能起到振动或冲击的隔离作用。
图 4 l 刚性连接都不利于振动隔离 当我们使用图 6所示方案C、D、E试图进行振动隔离时，需要进行隔振系数的计算。考虑到刚度的情况，有可能根本无法设计出合适的结构，使得隔振系数小于1。如果是这样的话，还不如用刚性连接，刚性连接隔振系数至多等于1，而不会扩大振动。 l 只要是加了弹性环节，就有减振作用 和上面一点的情况相似，增加的弹性环节，通过减振计算（或实验验证），隔振系数有可能大于1，则不但没有起到减振左右，反而把振动放大了。所有的减振措施都是有针对性的，对不同质量，不同振动频率的隔离都是有区别的。 4、振动隔离设计的基本形式 如图4所示C、D、E，是比较常用的减振结构方案。其中的橡胶柱、软板、软垫可以用其它弹性结构和材料代替。注意减振器的设计，一般减振器还要一定的阻尼，否则在共振点会产生非常大的振动，造成结构的破坏。 如果振动不能隔离，就一定要保证振动源与设备的连接刚度，还有设备各部件之间的刚度，避免振动被放大。比如上面所说的硬盘振动问题，其实硬盘本身振动比较小，但是因为硬盘固定在刚度不好的机箱薄板上，还有操作面板与主机的连接有一定的弹性环节，使得振动被放大了。 我们在设计中经常使用EVA垫，其实有时并不是真的起缓冲减振作用，而是增加强度的。如图 6所示方案B的软垫就起到加强设备安装板的作用。因为如果设备安装板比较薄，或面积大导致刚度比较低，使用EVA弹垫是增加刚度的一个好办法，并为弹性环节增加阻尼，可以明显减少振动的放大系数。 5、冲击隔离设计 我们说冲击隔离，包括包装对设备的保护，和设备内部对精密易损件的隔离保护。 我们这里只考虑冲击时间比较短的情况（撞击时间<1/10缓冲材料固定周期），比如跌落、撞击。这种情况都可以转化成速度阶跃的冲击计算。
图 5 5.1线性缓冲系统速度阶跃冲击的计算 冲击试验方法采用标准IEC 68-2-27，加速度为5g, 脉冲时间为11 msec, 波形为半正弦波, 每轴向正负方向各3次冲击 。 下面我们用冲击计算法计算产品案例1中的键盘结构是否满足垂直方向的冲击强度要求。跟静态计算不同，静态计算只是简单地将显示器的重量乘上加速度来计算负载，冲击计算要考虑脉冲时间。 首先根据冲击实验的条件计算脉冲完成后的速度：
V= a(t)dt= amsin(πt/τ)dt=2τam/π=0.34 m/s
速度跃变，从V~0 按无阻尼、有阻尼进行计算： umax=0.313mm（公式13），有阻尼时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 （静态计算的负荷：P=ma=10*5*9.8=490N，相对来讲小很多！） σmax=151Mpa 根据计算结果，该键盘在冲击实验中可能会产生变形，如果材料有缺陷，也有可能会产生断裂。 计算amax的意义在于，如果显示器内部有些器件只能承受30g的加速度冲击（即元器件的脆值），而在本计算中，amax=37.2g，因此可以判断该器件在冲击实验中可能会损坏。
5.2非线性缓冲系统 弹性系统的变形-力函数不是线性关系时，也可以利用速度阶跃的能量法进行计算。由于计算复杂，这里介绍比较简单有效的图解法步骤。 基本步骤： 1） 根据变形-力函数绘制变形-力曲线图（如果有现成的参考曲线则略过这步，也可以用实验数据绘制曲线） 2） 根据变形-力函数和能量积分公式绘制变形-变形能曲线图，或根据变形-力曲线图绘制变形-变形能曲线图（变形-力的面积即为变形能） 3） 根据冲击条件计算V值或表达式，然后根据1/2mv2（或积分公式）计算变形能 4） 根据变形能和变形-变形能曲线图查到变形值 5） 根据变形值和变形-力曲线图查到负载力 6） 根据公式a=F/m计算最大加速度 由于篇幅有限， 本文不在详细描述。
[1] 参考文献：邱成悌，赵惇殳，蒋全兴编著《电子设备结构设计原理》 修订版 。南京：东南大学出版社，2005.1 |
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