港机用电源减振结构的改进

任华山

摘要：我公司QUINT开关电源安装在港口码头吊具上，因受原初设计抗振性能指标的限制，不能满足现场振动环境，出现经常损坏的现象，本文主要从开关电源结构和安装上介绍了减振措施的改进方法，使之能够起到更大冲击隔离作用，满足使用要求。

关键词：电源安装；冲击隔离；弹簧减振；措施

引言

我公司开QUINT1AC//24V/20A开关电源由于客户先期电气控制箱的设计限制和吊具在使用中的不规范造成电源和箱内其它电气设备频繁损坏。电源安装在吊具电气控制箱中，由于吊具在抓放、起吊集装箱箱体过程中，受到的振动和冲击特别大，其最大冲击达40-50g，在现场使用中，电源时常被损坏，一般使用3-4个月，电源就可能会损坏。分析后得出现场最大冲击力已经超出产品耐受能力，因此我们需要重新核算，找到一种对冲击进行有效隔离方案。

1.冲击隔离的概念

冲击隔离就是在比系统固有周期短得多的时间内，进行冲击能量的释放、转换和传输的过程，它是通过冲击隔离器的变形，把急骤输入系统的能量储存起来，再通过系统的自由振动比固有周期多几倍的时间把能量平稳的释放出来。还利用冲击隔振器的阻尼，消耗部分能量，使尖锐的冲击波以较缓和的方式作用在设备或基础上，以减轻冲击的危害。

冲击隔离可以分为主动隔离和被动隔离两种方式，本文主要讨论的方案是采用被动隔离的方法。

被动隔离主要采用减轻外部冲击引起的基础运动对设备的影响，以减少设备中的应力和应变，冲击被动隔离应满足以下要求：

1.1通过隔离器传递到受保护的设备的最小振动量或最大力应小于等于许用值，确保被隔离的设备安全工作；

1.2隔离器的最大变形量小于许用值，是使隔离器获得足够的工作范围。

现在使用的隔离器选用的是弹簧方式，主要因为它承载力大，刚度小，变形量大，阻尼系数在0.005左右，水平刚度较竖直刚度小，价廉。弹簧减振是一种对于冲击、振动的减振方法，其特征在于所述的减振方法是在由电源和安装支架的本体与在受到重力和外力作用下，利用弹簧受到压缩后，能够吸收能量的特性，以有效地吸收在冲击和振动工具作业过程中单元向上或向下移动时产生的振动能量，在受冲击电源和安装支架单元底部之间的一种缓冲装置。

2.目前减振结构现状

现场普通吊具自重约13吨，吊具起重约50～60吨，吊具在使用过程中，最大能够受到40～50g的冲击力，而目前我公司提供的电源的耐冲击标准为30g（IEC标准）。对于如此恶劣的现场应用环境，我公司目前的电源产品是不能直接安装使用到该种设备上，

必须采用有效的冲击隔离。

如图1所示，原电源采用先用导轨固定在安装支架上，再将它们通过四个固定螺柱和上下八个减振弹簧固定到箱体底板上，电源为水平安装，这种安装形式，虽然对散热有影响，但是对电源垂直方向受力和冲击时的稳定性较好。

根据厂家提供了原设计的弹簧图纸，弹簧尺寸等参数见图2

2.1结构分析

此减振结构特征：

2.1.1电源先安装到支架上，再通过弹簧安装到箱体内，稳定平衡性能较好；

2.1.2电源采用多个弹簧合力减振，振幅较长；

2.1.3本身电气箱体采用橡胶垫与吊具设备固定，也起到二次减振的作用。

缺点：（1）由于原设计采用多个弹簧后，刚性较小，垂直方向在50g冲击力作用下，弹簧受力压缩后在达到最大行程时（λ=42mm），弹簧已经并圈，这时弹簧已经失效，没有减振效果，因此会造成电源内部元件损坏；

计算：弹簧并圈时候的最大载荷fb：

压缩并圈后长度hb=n*d=10x3.5=35mm

fb=（fn/（H0-hn））* （H0-hb）=（204/（75-45））x（75-35）=272N

而在50g力作用下每根弹簧平均受到压力达426.3N >272N，因此在50g力作用下该弹簧已经失效，不能有减振作用。

（2）左右和前后方向不能够减振。

3.改进方案

3.1 原始数据

3.1.1电源自身质量：2.48kg

3.1.2安装支架质量：约1kg

3.1.3弹簧刚度：k=Gd4/（8D3n）=G3.54/（8*303*8）=8.684G*10-5

合计质量：2.48+1=3.48kg

合计重量：3.48*9.8=34.104 N

在最大冲击50g作用下的冲击力： 3.48*50*9.8=1705.2N

平均每支柱上弹簧受到冲击力： 1705.2÷4=426.3N

3.2 选择材料

常用弹簧的材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢、铜合金材料以及非金属材料，选择材料时应该根据弹簧功用、载荷大小、载荷性质、循环特性、工作强度，使用环境以及重要程度来确定， 而弹簧设计计算的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指标（如体积、重量、振动稳定性等）达到最好。

根据以上数据现设计一种圆弹簧丝的螺旋圆柱形压缩弹簧，材料1Cr18Ni9， Fmax=450N， λmax=30mm， 外径范围20～35mm， 自由长度小于100mm，属于Ⅱ类的弹簧。

3.3 计算过程

3.4 计算结果

根据以上计算结果，方案3是可行的，即可以将电源板以下的四根弹簧的要求更改为：弹簧丝截面圆形，直径?4.5mm，中径?30mm，有效圈数10，总圈数12，弹簧最小节距7.95mm，弹簧自由状态长度95mm。

3.5 改进措施

通过分析和理论计算，建议申城港机将原来电源冲击隔振安装作如下更改：

3.5.1电源下的减振弹簧更改为以上方案3的尺寸参数，同时弹簧导柱将需要加长15～20mm；

3.5.2电源下底板去掉导轨LATCH装置和导轨，如图3所示，在其下方垫置一块黑色软橡胶板（6mm厚），采用六颗螺钉（T10*12）直接固定到安装板上，这样再次可以减缓对电源本身的冲击力；

3.5.3因钢丝绳减振能在大幅度振动时，在各股钢丝间产生摩擦，能够有效的吸收较大的能量，还能衰减隔振器本身的驻波效应，隔振效果优于橡胶垫，因此建议将原来的电气箱与吊具固定脚采用橡胶隔振更改为钢丝绳隔振方法。

4.结束语

在此基础上进行的电源减振结构的改进，保证企业目前不需要重新投入人力、资金重新设计和进行较大的结构改动，缩短产品生产、维护周期，有效的减少企业成本支出，具有良好的经济效益，同时为企业后续更新设计提供了理论和实践的数据。

参考文献：

[1]王启义主编.《中国机械设计大典》第2卷 机械设计基础.

[2]卜炎主编.《中国机械设计大典》第3卷 机械零部件设计.

[3]邱宣怀主编.《机械设计》 第四版.

[4]IEC 68-2-27 《试验方法 试验Ea和导则：冲击》.

[5]GB/T 4232-1993《冷顶锻用不锈钢丝》.