油田车载设备的抗振设计

王延浩

（四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州 434024）

油田现场车载石油钻采设备的操作实际中，经常出现控制箱体内的硬连接线掉落、设备内部出现元器件掉线等现象，这些问题给石油钻采工作增加了许多麻烦。发生上述问题的原因初步断定是设备运行时振动过于强烈而导致的。因此，需要从电子设备加固和隔振2个方面进行抗振设计。

1 电子设备加固设计

电子设备的加固设计应遵循层次结构和二倍频规则。一般的电子设备都有3层结构，分别是机柜、插箱、插箱内的元器件。按线性系统振动理论，当下层次的一阶固有频率与上一层次的一阶固有频率的比值β不小于2时，其基础的激励力不会放大，此时可将此结构视为刚性结构，这就是倍频法则。在此情况下可保证不发生局部共振，但是实际情况中β≥2很难实现，一般取β≥1.5［1］。

1.1 机柜的刚性设计

机柜是设备的承载体，机架的四周立柱的刚性大小直接影响到整个机柜的强度大小。机柜的刚性大小直接影响到机柜的动态特性和整体隔振效果。增加机柜刚性的方法有很多，比较常见的是增加矩形截面立柱以减少薄壁面积的方法。

1.2 插箱的抗振设计

插箱一般通过面板、导轨与机柜相连，导轨必须选用高强度结构，插箱底板是电子设备的安装平台，条件允许的情况下增加限位措施，可减少振动面积，同时增加壁厚，可大幅度地提高抗弯刚度，有效地提高其固有频率。经过对机柜各部分连接处进行加固后，掉线情况有所好转。

2 隔振设计

2.1 试验

图1 加装硅胶体和隔振器示意图

第1次在机柜外部加装了一组底部隔振器，经过运行，出现类似的问题，尤其是PLC电路板的元器件掉线情况。第2次在PLC电路板增加4只硅胶体减震器，对该机柜的核心部分 （计算机模块）起二次隔振作用 （见图1）。共检测了5次，笔者选择其中有代表性的3次波形进行分析:①试验1。柴油机转速750r／min，空档，测点布置见图2；②试验2。柴油机转速1850r／min，4档，测点布置见图2；③试验3。柴油机转速1850r／min，3档，测点布置见图3。其中测点1为振动输入，测点2为振动输出。

图2 试验1和试验2的测点布置

图3 试验3的测点布置

1）试验1 空档、柴油机转速750r／min的取点数据见表1。从表1可以看出，除50Hz外，其他频域各点的振动加速度均有不同程度的衰减。说明钢丝绳隔振器的非线性刚度和干摩擦阻尼起到了有效的弹性隔离与耗散振动能量的作用，使振动加速度得到有效的衰减。50Hz处产生放大现象的原因，基本可断定为箱体结构本身薄板部位的结构共振所致，结构共振频率应在40～60Hz之间，是由发动机产生的四阶频激励的结构响应，解决方法是提高薄板部位的结构刚度。

表1 空档、柴油机转速750r／min的取点数据

2）试验24档、柴油机转速1850r／min的取点数据见表2。从表2可以看出，除去62.5Hz频率点外，其他各点振动加速度均有不同程度的衰减。根据整个频域的响应分析，钢丝绳隔振器在该工况下依然有明显振动隔离作用。62.5Hz的频率点的放大，是由发动机产生的二阶频激励的结构响应，同样也是由于箱体薄板件结构共振所致。

表2 4档、柴油机转速1850r／min的取点数据

3）试验33档、柴油机转速1850r／min的取点数据见表3。从表3可以看出，低频段响声呈放大趋势，47.5Hz以后开始出现明显的隔振效果。其中15Hz放大168%，22.5Hz放大266%，32.5Hz放大33%，初步推断是由于二级隔振器刚性过大，导致低频段放大。但当频率达到47.5Hz以后出现明显的隔振效果，隔振效果可以达到80%，在47.5～250Hz频段内，对比数据表中的振动加速度数值，隔振后最大的振动加速度出现在160Hz，为0.12639m／s2，此时的隔振效率为85%，可以发现隔振效果很好。现场试验过程中，在高频段实际触摸手感为计算机箱低频晃动明显，但无高频振动感觉。高频振动衰减明显。

表3 3档、柴油机转速1850r／min的取点数据

2.2 二次隔振设计

所谓的二次隔振系统即是在被隔离的机械设备和基础之间再插入一个弹性支承着的中间质量，对应于设备来看，将图1中的硅胶体换成钢丝绳隔振器。

钢丝绳隔振器的刚度满足如下关系式:

式中，m1为PLC电路板的质量；k1、k2是钢丝绳隔振器的刚度；ω是干扰信号圆频率；n为减振系数。

其设计程序如下:

3 结语

车载电子设备的隔振是个非常常见的问题，有一定的技术难度。电子设备对于振动环境的要求比较苛刻，而车载环境由于路况和车载动力设备的振动特性比较复杂，呈现多频率、大量级的特征，这就要求车载电子设备的隔振系统必须兼顾较好的隔振效果和较强的抗冲击能力。通过笔者的不断尝试和改进，通过改变隔振器的组合方式以及刚度特性，在被隔离的机械设备和基础之间再插入一个弹性支承着的钢丝绳隔振器，最终找到了较好的解决方法。

［1］张亚峰 .车载电子设备的抗振设计 ［J］.电子机械工程，2003，19（2）:6－8.

［2］姜克城 .二次积极隔振在ZD型单轴振动筛上的应用 ［J］.煤矿设计，1988（4）:19－22，11.

［3］清华大学工程力学系 .机械振动 ［M］.北京:清华大学出版社，1980.