油田車載設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)

王延浩

（四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024）

油田現(xiàn)場(chǎng)車載石油鉆采設(shè)備的操作實(shí)際中，經(jīng)常出現(xiàn)控制箱體內(nèi)的硬連接線掉落、設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)元器件掉線等現(xiàn)象，這些問(wèn)題給石油鉆采工作增加了許多麻煩。發(fā)生上述問(wèn)題的原因初步斷定是設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈而導(dǎo)致的。因此，需要從電子設(shè)備加固和隔振2個(gè)方面進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)。

1 電子設(shè)備加固設(shè)計(jì)

電子設(shè)備的加固設(shè)計(jì)應(yīng)遵循層次結(jié)構(gòu)和二倍頻規(guī)則。一般的電子設(shè)備都有3層結(jié)構(gòu)，分別是機(jī)柜、插箱、插箱內(nèi)的元器件。按線性系統(tǒng)振動(dòng)理論，當(dāng)下層次的一階固有頻率與上一層次的一階固有頻率的比值β不小于2時(shí)，其基礎(chǔ)的激勵(lì)力不會(huì)放大，此時(shí)可將此結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)，這就是倍頻法則。在此情況下可保證不發(fā)生局部共振，但是實(shí)際情況中β≥2很難實(shí)現(xiàn)，一般取β≥1.5［1］。

1.1 機(jī)柜的剛性設(shè)計(jì)

機(jī)柜是設(shè)備的承載體，機(jī)架的四周立柱的剛性大小直接影響到整個(gè)機(jī)柜的強(qiáng)度大小。機(jī)柜的剛性大小直接影響到機(jī)柜的動(dòng)態(tài)特性和整體隔振效果。增加機(jī)柜剛性的方法有很多，比較常見(jiàn)的是增加矩形截面立柱以減少薄壁面積的方法。

1.2 插箱的抗振設(shè)計(jì)

插箱一般通過(guò)面板、導(dǎo)軌與機(jī)柜相連，導(dǎo)軌必須選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，插箱底板是電子設(shè)備的安裝平臺(tái)，條件允許的情況下增加限位措施，可減少振動(dòng)面積，同時(shí)增加壁厚，可大幅度地提高抗彎剛度，有效地提高其固有頻率。經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)柜各部分連接處進(jìn)行加固后，掉線情況有所好轉(zhuǎn)。

2 隔振設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)

圖1 加裝硅膠體和隔振器示意圖

第1次在機(jī)柜外部加裝了一組底部隔振器，經(jīng)過(guò)運(yùn)行，出現(xiàn)類似的問(wèn)題，尤其是PLC電路板的元器件掉線情況。第2次在PLC電路板增加4只硅膠體減震器，對(duì)該機(jī)柜的核心部分 （計(jì)算機(jī)模塊）起二次隔振作用 （見(jiàn)圖1）。共檢測(cè)了5次，筆者選擇其中有代表性的3次波形進(jìn)行分析:①試驗(yàn)1。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速750r／min，空檔，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2；②試驗(yàn)2。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min，4檔，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2；③試驗(yàn)3。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min，3檔，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。其中測(cè)點(diǎn)1為振動(dòng)輸入，測(cè)點(diǎn)2為振動(dòng)輸出。

圖2 試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的測(cè)點(diǎn)布置

圖3 試驗(yàn)3的測(cè)點(diǎn)布置

1）試驗(yàn)1 空檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速750r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1可以看出，除50Hz外，其他頻域各點(diǎn)的振動(dòng)加速度均有不同程度的衰減。說(shuō)明鋼絲繩隔振器的非線性剛度和干摩擦阻尼起到了有效的彈性隔離與耗散振動(dòng)能量的作用，使振動(dòng)加速度得到有效的衰減。50Hz處產(chǎn)生放大現(xiàn)象的原因，基本可斷定為箱體結(jié)構(gòu)本身薄板部位的結(jié)構(gòu)共振所致，結(jié)構(gòu)共振頻率應(yīng)在40～60Hz之間，是由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的四階頻激勵(lì)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，解決方法是提高薄板部位的結(jié)構(gòu)剛度。

表1 空檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速750r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)

2）試驗(yàn)24檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，除去62.5Hz頻率點(diǎn)外，其他各點(diǎn)振動(dòng)加速度均有不同程度的衰減。根據(jù)整個(gè)頻域的響應(yīng)分析，鋼絲繩隔振器在該工況下依然有明顯振動(dòng)隔離作用。62.5Hz的頻率點(diǎn)的放大，是由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的二階頻激勵(lì)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同樣也是由于箱體薄板件結(jié)構(gòu)共振所致。

表2 4檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)

3）試驗(yàn)33檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可以看出，低頻段響聲呈放大趨勢(shì)，47.5Hz以后開(kāi)始出現(xiàn)明顯的隔振效果。其中15Hz放大168%，22.5Hz放大266%，32.5Hz放大33%，初步推斷是由于二級(jí)隔振器剛性過(guò)大，導(dǎo)致低頻段放大。但當(dāng)頻率達(dá)到47.5Hz以后出現(xiàn)明顯的隔振效果，隔振效果可以達(dá)到80%，在47.5～250Hz頻段內(nèi)，對(duì)比數(shù)據(jù)表中的振動(dòng)加速度數(shù)值，隔振后最大的振動(dòng)加速度出現(xiàn)在160Hz，為0.12639m／s2，此時(shí)的隔振效率為85%，可以發(fā)現(xiàn)隔振效果很好?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，在高頻段實(shí)際觸摸手感為計(jì)算機(jī)箱低頻晃動(dòng)明顯，但無(wú)高頻振動(dòng)感覺(jué)。高頻振動(dòng)衰減明顯。

表3 3檔、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1850r／min的取點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.2 二次隔振設(shè)計(jì)

所謂的二次隔振系統(tǒng)即是在被隔離的機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)之間再插入一個(gè)彈性支承著的中間質(zhì)量，對(duì)應(yīng)于設(shè)備來(lái)看，將圖1中的硅膠體換成鋼絲繩隔振器。

鋼絲繩隔振器的剛度滿足如下關(guān)系式:

式中，m1為PLC電路板的質(zhì)量；k1、k2是鋼絲繩隔振器的剛度；ω是干擾信號(hào)圓頻率；n為減振系數(shù)。

其設(shè)計(jì)程序如下:

3 結(jié)語(yǔ)

車載電子設(shè)備的隔振是個(gè)非常常見(jiàn)的問(wèn)題，有一定的技術(shù)難度。電子設(shè)備對(duì)于振動(dòng)環(huán)境的要求比較苛刻，而車載環(huán)境由于路況和車載動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)特性比較復(fù)雜，呈現(xiàn)多頻率、大量級(jí)的特征，這就要求車載電子設(shè)備的隔振系統(tǒng)必須兼顧較好的隔振效果和較強(qiáng)的抗沖擊能力。通過(guò)筆者的不斷嘗試和改進(jìn)，通過(guò)改變隔振器的組合方式以及剛度特性，在被隔離的機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)之間再插入一個(gè)彈性支承著的鋼絲繩隔振器，最終找到了較好的解決方法。

［1］張亞峰 .車載電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì) ［J］.電子機(jī)械工程，2003，19（2）:6－8.

［2］姜克城 .二次積極隔振在ZD型單軸振動(dòng)篩上的應(yīng)用 ［J］.煤礦設(shè)計(jì)，1988（4）:19－22，11.

［3］清華大學(xué)工程力學(xué)系 .機(jī)械振動(dòng) ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1980.