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1、弹簧减振器在机械硬盘阵列减振中的应用 徐娇娇 同方电子科技有限公司 摘 要： 机械硬盘相对于固态硬盘而言, 具有容量大、存储速度快, 使用寿命长, 功耗低, 重量轻等优点, 广泛的应用在各类型的军工电子产品领域, 因军用电子设备通常所处的环境相当苛刻, 必须严格遵循相关国军标规定的振动、冲击等环境试验要求。本文针对机械硬盘防震抗摔性能较差的实际情况, 分析了弹簧减振器减震原理, 并应用在某款便携式服务器产品上, 有效解决了机械硬盘在经历振动、冲击等环境试验之后出现无法读取数据等问题。本文提供的方法对于提高服务器产品中机械硬盘的可靠性具有一定工程参考价值。关键词： 弹簧减振器; 机械硬盘; 减振
2、加固; Application of spring shock absorber in vibrationreduction of mechanical hard disk arrayXu Jiaojiao Tongfang Electronic Technology Co., LtD; Abstract： Relative to the SSD for mechanical hard disk, with large capacity, fast storage, long service life, low power consumption, light weight, etc., wi
3、dely used in various types of military electronic products, military electronic equipment usually in a very harsh environment, must strictly follow the relevant military standards of vibration, shock and other environmental testing requirements. In this paper, based on the actual situation of mechan
4、ical hard disk anti-shock and drop performance, this paper analyzes the principle of shock absorber of spring shock absorber and applies it to a portable server product, which can effectively solve the problem that mechanical hard disk can not be experienced after vibration and shock. Read data and
5、other issues. The method provided in this paper has certain engineering reference value for improving the reliability of mechanical hard disk in server products.Keyword： spring shock absorber; mechanical hard drive; vibration reduction and reinforcement; 引言随着云计算与大数据平台的技术发展, 对服务器产品的需求越来越旺盛, 作为其中的核心器件
6、, 服务器中的硬盘通常采用硬盘阵列盒形式, 目前市售硬盘主要分为机械硬盘和固态硬盘两大类, 相对于固态硬盘而言, 机械硬盘具有容量大、存储速度快, 使用寿命长, 功耗低, 重量轻等优点, 因此, 服务器通常是采用机械硬盘。在军工电子领域内, 各类移动设备和装车、装舰、装机项目中服务器在长时间满负荷工作时, 通常需要满足苛刻的振动、冲击等环境试验。机械硬盘在恶劣环境下使用时, 经常会遇到有坏道、无法读取数据等各种不良现象, 降低了服务器的可靠性, 影响了服务器使用感观, 必须对服务器产品进行特殊加固方能满足振动和冲击的要求。本文针对某型服务器产品中的机械硬盘受到空间结构的限制, 无法采用常规方法
7、进行减震的问题进行了研究, 最终采用弹簧减震器合理的让产品通过了冲击、振动试验要求。一、产品结构布局分析1.1 产品结构布局简介在某型服务器产品设计中, 根据总体方案的设计, 产品必须达到小型化、低功耗的要求, 图一和图二分别示意了该产品的外观结构和内部布局。从中可以看出, 硬盘阵列盒通过一块 1.2mm 厚的铝质安装板固定在中间隔板上, 其上部有隔空固定的 PCBA 电路板, 前面板嵌在散热风扇组件下面, 其中的四个抽取模组朝外, 在卸下机箱侧面上的防护盖板后可直接取出抽取模组, 方便更换硬盘。图一产品的外观结构 下载原图1.2 结构布局存在的问题从图一可以看出, 在该产品的四周装有柔性橡胶
8、减振防护角, 其目的就是减少冲击与振动试验对产品特别是其中机械硬盘的性能影响, 该产品需要满足的振动试验条件见表 1。图二产品的内部布局 下载原图表 1 振动试验条件 下载原表 在上述试验条件下, 对产品性能复测时发现会频繁出现硬盘数据丢失和不能读取硬盘现象, 因此, 本产品仅靠柔性橡胶防护角减振不能满足产品对冲击、振动的环境适应性的要求, 必须对装有机械硬盘的硬盘阵列盒单独采取减振措施。二、解决方案与实施2.1 减振材料的选择为了留出减振空间, 笔者对服务器产品内部结构进行了调整, 把原来的 1.2mm厚的安装底板除去, 改为在硬盘阵列盒左右侧面各安装一个 2mm 材料厚 L 型固定件来固定
9、, 这样硬盘阵列盒上下共有 2.2mm 的减振活动空间。要在如此狭小的空间内采取减振措施, 对减振材料的正确选择是解决方案的关键一步。目前在业界, 常用的减振材料主要有三种, 钢丝绳减振器、橡胶减振器与弹簧减振器。具体到本产品而言, 钢丝绳减振器尺寸过大, 受结构空间的限制不易使用;橡胶减振器刚性偏大, 回弹速度慢, 容易老化, 不能满足试验条件亦不能使用;弹簧减振器具有高弹性和黏弹性, 弹性形变较大, 弹变形状可自由选择等优点, 弹簧的冲击刚度大于动刚度, 动刚度又大于静刚度, 有利于减少冲击变形和动态变形, 并且弹簧硬度可以通过配方设计加以调整, 可准确计算弹簧的刚度, 方便满足不同方向的
10、刚度和强度的要求, 适合本产品减振需求。图三产品内部布局的改进设计 下载原图图四产品减振方案设计 下载原图2.2 减振方案的设计该型服务器产品的减振方案如图四所示, 在机箱的中间隔板上铆装了六个直径6mm、高 12mm 的固定螺柱, 用于安装上、下弹簧、L 型固定件及原有 PCBA 电路板, 除去 2mm 厚的 L 型固定件, 留给上、下弹簧的总高度为 10mm。考虑到硬盘阵列盒在振动和冲击中会上、下摆动, 为此, 在 L 型固定件上、下各安装一个弹簧来减振缓冲。为了减振效果更加均衡, 在硬盘阵列盒左、右边各设计了三组减振弹簧。根据图四所设计的减振方案, 考虑到冲击振动的随机性, 且向上颠动时
11、需要克服物体的自身重量, 然后压缩上弹簧, 向下颠动时要加上物体的自重, 因此, 下弹簧 B 的弹性系数要大于上弹簧 A, 取上下弹簧的弹性系数比为 1:2.5。同时考虑到机械硬盘的磁头是高精密磁读写设备, 对冲击振动尤其敏感, 因此, 在选择弹簧的弹性系数 k 值时应充分考虑使其值接近于物体的重量, 这样一旦有冲击振动发生, 减振弹簧都能敏锐地感知, 并产生伸缩形变, 及时吸收振动的势能, 达到理想的减振效果。经实际称重, 硬盘阵列盒 (含其中的 4 个硬盘及结构件) 总重为 1800g, 每组弹簧分摊的重量为 300g, 选取下弹簧 B 的弹性系数 k 略大于分摊的 300g 重量, 设定
12、下弹簧 B 的弹性系数 k 为 350g/mm, 则上弹簧 A 的弹性系数为 140g/mm。为了保证减振过程的平缓, 上、下弹簧都应产生预压缩变形, 选取上弹簧 A 自由长度为 5mm, 下弹簧 B 的自由长度均为 6mm。上下弹簧一共要产生 1 mm 预压缩变形。每个下弹簧 B 分摊的 300g 重量会使弹簧 B 产生 0.85mm 的形变, 剩余的 0.15mm 的形变要在上弹簧 A 和下弹簧 B 之间分配, 由于选取了上、下弹簧的弹性系数比为 1:2.5, 则下弹簧 A 分摊的预形变为:0.153.5=0.0429mm, 上弹簧 B 分摊的预形变为 0.1071 mm。最终, 上弹簧
13、A 的绕制参数为:0.6mm (线材直径) 9mm (弹簧中径) 5mm (弹簧自由长度) , 共 3.5 圈;下弹簧 B 的绕制参数为:0.8mm (线材直径) 9.2mm (弹簧中径) 6mm (弹簧自由长度) , 共 4 圈。根据上述分析所得出的上、下弹簧几何参数及图四的减振设计方案, 把改进之后的服务器产品仍按照表 1 参数进行振动试验, 通过对产品复检, 可以发现没有再发生硬盘均无坏道和无法读取数据的现象, 顺利的通过了用户单位组织的验收。三、结束语本文针对某型便携式服务器产品在做冲击、振动环境试验时, 经常出现的硬盘无法正常读取、数据丢失等现象, 在有限的结构空间内, 通过精心的选
14、取减振材料、合理的综合弹簧减震器的结构参数, 科学的设计减振方案, 成功的让该产品通过了相关的冲击、振动环境试验, 有效的提高了产品的可靠性。这种通过利用弹簧减震器形变特性达到减振目的设计对类似产品有一定的工程参考价值, 可以推广使用。参考文献1孙瑞.固态硬盘与机械硬盘综合比较探究J, 科技尚品, 2016 (01) 2牛梨.钢丝绳螺旋弹簧减震器J, 专用汽车, 1997 (02) 3张平, 贾文龙, 王进成等.自行车蛇形弹簧减震器的设计与实验J, 机械研究与应用, 2008 (03) 4GB/T2423.43-2008 电工电子产品环境试验第 2 部分:试验方法振动、冲击和类似动力学试验样品的安装 5老亮.材料力学史漫话:从胡克定律的优先权讲起M, 高等教育出版社, 1993
