钢丝绳隔振器研究现状

2016年09月26日

钢丝绳隔振器研究现状

钢丝绳隔振器特性试验研究进展

钢丝绳隔振器作为新一代非线性隔振元件,国内外学者对其非线性迟滞特性和隔振性能开展了大量的试验研究工作。

①  钢丝绳隔振器特性试验研究的国内现状

国内最早是 20 世纪 80 年代初由中科院力学所为某航天器设计了中间加箍套的钢丝绳隔振器。是申同介绍了钢丝绳隔振器的结构形式,安装形式以及应用情况,并采用双线性迟滞模型描述钢丝绳隔振器迟滞特性,并对含钢丝绳隔振器的隔振系统进行了响应分析。王凯等人探讨了用钢丝绳隔振器取代弹塑性或干摩擦隔振元件,研究了钢丝绳性能的识别与描述方法,通过实验研究给出了隔振器等效线性刚度与阻尼随激励幅值变化的曲线。陈维民对九个尺寸不同的环形钢丝绳隔振器开展了静态性能试验研究,分析了隔振器直径比值 D/d 对其静态刚度的影响,并研究了隔振器的阻尼性能,然而其研究没有涉及钢丝绳隔振器动态性能的相关研究。随后,熊世树和唐家祥对三种类型的钢丝绳隔振器分别进行了三向静态性能试验研究,也得到了钢丝绳隔振器直径比 D/d 与其三向静态刚度和阻尼的关系,并研究了不同径向负载对其纵向、横向性能的影响,同样没有考虑其动态性能。胡年丰和彭守敏从试验角度分析了某一钢丝绳隔振器的准静态迟滞特性,频响特性,峰值响应频率与放大因子随外激励的变化规律以及抗冲性能等,揭示了隔振系统的“软化”非线性刚度特征。刘广璞等

针对钢丝绳隔振器进行了拉压方向上的静态试验,并采用正弦扫频获得了频响函数以及振动传递率曲线,然而在试验中发现钢丝绳有松散现象,试验后各隔振器之间出现较大的不一致性。周桐等以某电子器件的隔振设计为出发点,试验研究了钢丝绳隔振器隔振、缓冲和抗过载能力。主要对隔振器进行了随机振动和正弦扫频试验研究,然而隔振器在实际应用中还会受振动、冲击和加速度过载等复杂因素的影响,也会受到安装空间以及重力等客观因素的限制,对隔振设计的最终确定有待于更全面的试验研究。吴善跃等对钢丝绳隔振器进行了拉压方向准静态加载试验和冲击试验研究。基于试验结果,将冲击载荷分解为不依赖速率的非对称滞迟特性和依赖速率的粘性效应两部分,并从干摩擦机理上对依赖速率粘性效应的出现进行初步解释。孙洪军和钱网生对 GS3 拱形系列钢丝绳隔振器进行了三向静态性能试验和垂向动态性能试验以及冲击试验研究。根据试验数据,研究了钢丝绳绳径、绳高、绳宽以及绳的绕制倾角,对隔振器刚度的影响关系,然而以单股弹簧和弯曲杆的力学模型来将隔振器简化和近似,忽略摩擦力的影响,推导的理论公式精度和应用场合受限,有待进一步深入研究。黄映云等通过对钢丝绳隔振器开展冲击特性试验研究获得了拉压方向的特性曲线,其结果表明冲击刚度要低于静刚度和动刚度,呈现刚度软化现象。该研究还可以进一步扩展,进行横向冲击试验等。Jiang 等针对航空发动机外部管道悬臂式钢丝绳隔振器开展了静态试验研究,

分析了隔振器的静态特性随振幅以及结构参数的变化规律。郭栋分别对钢丝绳隔振器和橡胶钢丝绳隔振器进行了静刚度特性以及实车配重试验研究。然而仅从试验角度对两种隔振器特性进行研究分析,不能更好的评估两种隔振器的隔振性能,需要进一步对其进行隔振原理的分析。魏云波主要对钢丝绳隔振器的三向静态特性进行试验研究,并分别对自制弹簧隔振小车,同向钢丝绳隔振小车、反向钢丝绳隔振小车,无隔振小车的动力特性开展了实验研究,得到振动时域信号图、频响函数图。然而隔振器及隔振小车的制作比较粗糙,试验结果不能真实的反映出钢丝绳隔振器的隔振特性。骆意对新型钢丝绳隔振器进行了垂向动态特性实验研究,获取了隔振器在不同振幅、频率激励信号下的实验迟滞曲线。然而该研究只分析了一种结构参数的隔振器并且只是在拉压方向的动态特性。Chen 等针对不同几何尺寸的 RSWI 环状钢丝隔振器的静态特性进行试验研究。并研究了绳圈内径与钢丝绳直径之比 D/d 的值对静态刚度以及阻尼特性的影响,只是没有进一步研究 D/d 值对其动态特性的影响规律。

②  钢丝绳隔振器特性的试验研究国外现状

20 世纪 70 年代末,美国 Aero  flex 公司研制出用于控制稳定平台的振动的钢丝绳隔振器,Cutchins 等采用库仑摩擦力随频率变化的一维试验方法研究了钢丝绳隔振器的阻尼现象,并对含螺旋型钢丝绳隔振器的系统进行稳态频率响应试验研究以及单个钢丝绳环进行试验研究,获得了隔振器的动态迟滞特性曲线。Tinker等也对螺旋型钢丝绳隔振器系统特性进行试验研究,通过实验获得了隔振器的静刚度曲线、迟滞曲线、相轨迹和频率响应曲线。Demetriades 等分别试验研究不同承载方向上螺旋型和拱形钢丝绳隔振器在 0.1Hz1Hz2Hz 5Hz 激励下的迟滞特性曲线。证明了钢丝绳隔振器改善了地震对设备响应影响效果。Ko 等试验研究了螺旋型钢丝绳隔振器在剪切方向,在 5-50Hz 内采用 11 个不同频率,每种频率下至少 5 个不同的幅值的动态特性,结果表明:试验迟滞环与振动幅值有关,几乎与频率无关。Rafik 等对二十四个钢丝绳隔振器在拉压方向上进行了动态特性试验测试,研究了激励幅值、频率对动态迟滞特性的影响以及能量耗散随激励幅值的变化关系,结果表明:钢丝绳隔振器阻尼主要包含摩擦阻尼和一个与位移幅值成比例的线性阻尼。提出了关于钢丝绳结构参数的有效刚度和等效阻尼比两个数学模型,而且研究了钢丝绳隔振器调谐质量阻尼器系统在高斯随机白噪声加速度激励下的响应情况并评估了系统响应参数。通过自由振动测试确定了隔振器的动态特性。然而该研究仅对隔振器拉压方向的特性进行试验研究和建模,而在实际应用中可能会承受剪切和横滚方向的载荷。Ni 等人分别采用周期准静态循环加载和动态加载试验获得了钢丝绳隔振器分别在剪切、横滚和拉压方向上的试验迟滞环,同时提出了两个改进的 Bouc-Wen 模型用来描述剪切和横滚方向上对称的渐软的试验迟滞环以及拉压方向上非对称的呈现渐硬重叠的试验迟滞环,然后基于试验结果又提出频域参数识别方法用来确定模型参数。Schwanen5 个蝶形钢丝绳隔振器在拉压方向上进行位移控制的准静态循环加载试验研究。研究了激励幅值对隔振器动态特性的影响。并采用加速度激励方式

对三个单自由度钢丝绳隔振器质量系统进行垂向动态特性试验以及四个冲击试验研究。实现了对钢丝绳隔振器拉压方向的建模和模型参数的识别研究,然而没有对小激励幅值的迟滞特性进行详尽的研究,仅仅考虑了拉压方向的动态特性,没有对拉压和剪切方向开展相应的研究。Massa 等研究了三种钢丝绳长度不同的万向球滚珠与钢丝绳混合的地震隔振器随激励幅值变化的低频迟滞试验特性以及含该隔振器的非线性系统在不同工况下的动态稳态响应特性和耗散能量随激励幅值的变化关系。该研究主要模拟了地震发生时垂向加载工况。Brancati 等试验研究了新型万向球滚珠钢丝绳隔振器剪切方向的低频迟滞特性以及地震条件下敏感设备含四个隔振器的隔振系统的动态幅频曲线。Stefano Pagano 等采用谐波激励和

频率扫频试验,获得了含四个新型万向球滚珠钢丝绳地震隔振器轻质钢结构的频率响应曲线。

以上关于钢丝绳隔振器特性的试验研究工作主要集中在:

a)  大多对一种结构尺寸的钢丝绳隔振器进行拉压方向动静态特性或者三向准静态特性研究;

b)  特性研究比较单一,主要研究一个承载方向特别是拉压方向的动态特性或者静态特性;

c)  针对隔振器几何参数对其三向动态特性的研究较少,主要集中参数(一般是指 D/d 比值)对隔振器三向静态特性的影响或者拉压方向动态特性的影响。 由于钢丝绳结构的非线性,其特性无法用理论方法完全确定。因此采用试验方法较全面研究隔振器结构参数以及激励振幅和频率对其在剪切、横滚和拉压方向动态迟滞特性的影响,寻求钢丝绳隔振器不同结构形式和安装方式下的迟滞特性规律,了解各种因素对其迟滞特性的影响趋势。为设计并推广应用钢丝绳隔振器提供充分的试验依据,也为建立其理论分析模型提供了充分的试验数据。

 

 

来源:西安光兴机电有限公司

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