车载机柜的抗振设计研究

闫建华，苏静

（国家电网许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

车载机柜的抗振设计研究

闫建华，苏静

（国家电网许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

随着自动化控制的进一步发展，机柜广泛的应用于各行各业。车载机柜是一种精密的电子设备，无论是外力经载体传导至车载机柜，还是车载机柜体自身的振动，都会对其中的精密设备造成危害，甚至影响车载机柜的正常使用。为保证其即使在振动条件下仍然能持续工作，而并不影响到安全，加大车载机柜的抗振设计是非常必要的。本文将详细介绍车载机柜的抗振设计，降低振动对车载机柜的负面影响。

车载机柜；抗振；方案设计；隔震缓冲

0 引言

车载机柜已经被广泛应用在军事、航空、地面交通等领域中，由于这些载体在移动或使用的过程中，车载机柜常常会受到各种振动。车载机柜是一种精密仪器，频繁且强度较大的振动都会对车载机柜造成致命的伤害，严重影响车载机柜的正常使用。因此，对车载机柜制定有效的抗振系统，是维护其正常运行的重要措施。

1 振动对车载机柜的危害

机柜一般由机柜面板、承重结构、连接件和仪控或者设备部件组成。车载机柜常见的载体有飞机、汽车、地铁和轮船。车载机柜能处理这些载体中的一些紧密数据，帮助这些工具更好的发挥作用，提升其运行的安全性。但在这期间车载机柜自身也遭受着内在和外在两个方面的振动。如在飞机或军事演习中，飞机或军事设备（武器）需要进行快速的移动，这期间必然造成强烈的振动，而振动又会对机械周围的地方造成不利反应，从而影响到车载机柜的稳定性和可靠性，如果车载机柜没有给予有效的抗振措施，势必受到损坏。振动对车载机柜的危害主要集中两个方面：一是在某个激振频率对车载机柜产生较大的共振；二是长时间的振动和冲击，让车载机柜形成的疲劳导致损坏。无论是那种类型的振动都会对车载机柜中的精密零件造成影响，其中的零件一旦出现移位或损坏，将会影响整个车载柜机的正常使用。

2 车载机柜抗振系统方案设计

根据振动对车载柜机造成影响的方式，可以从两方面设计抗振系统：一是针对车载机柜的薄弱环节进行加固，加大设备的固定效果，减小冲击振动对其产生的冲击应力并提升车载机柜自身的疲惫极限。二是采用隔振缓冲系统，减低外部对车载机柜的振动冲击，维持车载机柜的正常运行。

2.1 车载机柜的加固抗振方案设计

机柜起着承受载体的重要作用，当然也包含上下切面和四周支撑的立柱，对于立柱的选材要尽量选用钢型材，用此材料将各分机和机架连接起来，所以，机架立柱的坚硬度的质量直接关系到机架的承重能力，因此，要注重截面形状和尺寸的应用，要和实际承重能力相符合，足以承受其重量，由材料力学原理可以推知，当所选材料确定时，则其抗扭、抗弯能力和截面形状和尺寸有着重大的关系，基本由截面形状和尺寸大小来决定，当截面大小相同时，空心截面立柱的刚度跟实心截面立柱相比，其抗振能力要好上几十倍。在设计车载机柜加固抗振方案时应遵循层次结构和二倍频规则。车载机柜的结构一般分为主层次结构（机架）、次层次结构（插箱）和第三层次结构（印制板和电源模块等）。根据公式可以了解主要保证其基础的激振力不被加大或放大，并能够保证其上一层次的频率比值不变。在这种情况下，两个层次结构形成了刚性连接。根据二倍频规则，各层次结构不会产生局部的共同振动，自然也就降低了车载机柜所承受的振动冲击力。如果实际上所有层次的结构频率符合β≥2条件，设计方案就能达到预期的抗振效果。所以一般取β≥1.5，才能保证局部共振因子λ满足≤3的要求。下面本文详细介绍不同层次的刚性设计要求。

（1）机柜的设计：机架是车载柜机的主要承载体，一般由上、下框和与之相联的四根立柱等构件组成。所以机架立柱的刚性会直接决定机架刚度的大小。在设计机柜时，应从立柱的刚性、横截面形状和尺寸、材料力学的影响等方面进行。计算出其承重指标，并满足结构与技术的要求。在连接机柜的各个部分时要注重提高整体的刚度。可采用同等焊接的连接方式，并加强左右侧板、面板和框架的连接刚度。在侧板上合理的应用加强筋和螺钉，能达到提升整个机柜的刚度的目的。为保证机柜机箱起到抗震、抗打击的能力，在对机箱机柜外壳选材时一定要选择使用不锈钢轧板，这种材质坚硬不容易变形和挤压，在进行焊接时拐角处也要做到无缝，这样就可以保证机箱机柜的密封性。

（2）插箱的设计：插箱主要通过导轨、面板与机架形成连接。在进行插箱设计时，导轨必须为高强度结构，同时横向跨越机柜的两边，借用这种方法来增强机柜前后的坚硬度，为减少其振动，可以加个螺钉，增加其牢固性，由于插箱底板位于车载机柜的底端，对于其选材上，尽可能选择比较薄的钢板或是铝板，如果是铝板，则选择中厚程度的，在允许范围内，可适当增加底板的厚度，根据抗弯刚度公式计算出可增加的厚度。

（3）印刷版的设计：印刷版三轴向是有固定频率的。如图1所示，当Z向最低时，Z向的一阶固有频率不仅受到自身的几何尺寸影响，还与印制板的支承状态有关。可以通过适当缩小印制板的外形大小，来达到提升其固有频率的目的。需要注意的是，如果印制板的厚度增加，且固有频率也会增加。所以可以通过提升印制板的固有频率，进而改善其支承效果。

图1 印制板的刚度图

2.2 车载机柜的隔振缓冲方案设计

由于机柜背部所出来的弧度稍微有点大，而底部所承受支撑的隔振器对水平方向的影响要相对较小，因此，在设置隔振器时首先选择在机柜背部的位置，这样可以有效减弱振动所带来的影响。在选择背部隔振器时应满足以下几个条件。

（1）背部隔振器的垂向刚度应尽可能的靠近0。

（2）要尽可能使水平刚度和机柜静距离维系在相对应的关系，以最大限度的减小藕联共振所带来的不良影响。

（3）背部隔振器要匹配底部隔振器刚度阻尼的特性。

隔振器的安装方式多样，但不同的安装方式决定了隔振系统的效果与稳定性。较常使用的安装方式为在框架底部安装四个相同的隔振器，然后在上框架的后方放置两个同样的背部隔振器，见图2。如果车载机柜是由多个机柜拼接而成，可以采用横向刚度良好的过渡板连接若干个隔振器。原则上，隔振器在安装时要能从六个自由度方向消除藕联运动，保证电子设备的机柜质量重心与抗振系统刚度重心的匹配。可以允许机柜重心出现小幅度的偏移，但需要保证四个支点的承载量必须在允许的偏差范围内。

图2 背架式隔振系统模型图

3 结论

由于车载机柜是一种非常精密、非常复杂的电子设备，哪怕是较为轻微的振动也会对其正常使用产生影响。车载机柜的抗振设计对其正常使用有着非常重要的意义。

根据车载机柜的抗振要求进行合适的抗振方案设计，是其抗振设计最为基本的原则。隔振缓冲的设计方案具有很大的灵活性，能适应于各种类型的车载机柜；加固抗振的设计方案虽然能达到良好的抗振效果，但需要在特定的实验环境中进行，且操作工程较为复杂。随着人们逐渐了解振动对车载机柜的危害，出现的隔振抗振的方式会越来越多，越来越实用。

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