隔振技术的进展与动态

2016年10月19日

   摘要阐述了隔振技术的进展和各类隔振器的设计与应用。重点讨论了各种隔振元件及其组合形式, 并对积层橡胶、空气弹簧、动力反共振及多自由度隔振器的近况作了介绍最后指出今后隔振器的设计与改进, 一定要与现代控制理论、模态实验、动力分析和优化技术紧密结合起来。

1引言

   系统受外界振源的激励可产生强迫振动,因而要求避免共振和降低系统的振动水平。同时系统内由于一些藕合作用而产生通常具有发散性的动不稳定性, 也会使振动不断扩大, 最终导致灾难性破坏, 因此也必须加以控制和消除。

消除和控制振动的措施有消振(减弱振源)、吸振(使主系统的振动转移户〕、阻尼减震( 利用阻尼特性、最大限度地来消耗振动能量)、动态设计( 将振源能量作最佳状态分配)外最常用的是采用隔振技术)

   所谓隔振是在振源与系统之间采取一定措施,安置适当制振、隔振器材来隔离振动的直接传递其实质是在振源与系统之间附加一个子系统(隔振器)从能量的观点来看, 隔振是改变

振源对系统激励的能量频谱结构, 以减小通过频率的能量来抑制振动

2隔振器

   隔振分隔力与隔幅二类, 作为附加子系统的隔振装置一隔振器, 常由弹性元件,阻尼元件甚至惯性元件以及它们的组合所构成。由于所用材料不同常分三大类, 即金属弹簧类、橡胶类和空气弹簧类。其性能可由特征参数决定,例如特征尺寸、额定与极限负荷、刚度特性、自振频率、工作温度、阻尼比与重量等。有关企业厂商一般给出上述参数, 以供用户选用。

2.1 各种隔振元件的组合形式与效果

2.2.1 弹性件与粘性阻尼件并联的隔振器

   这属单自由度隔振的基本型式, 其隔力与隔幅有着共同的规律。而隔振效率是频率比(w)与阻尼比(ξ)的函数。为了使隔振有效, 隔振器弹性件的弹性系数必须选择得使简谐激励的频率与系统固有频率之比> 。阻尼比(ξ)增大,能有效地减小共振区的振幅. 但会反使频率比的有效隔振区内的隔振效果变差, 因而频率的能量来抑制振动。要综合考虑。

2.1.2 弹性件与阻尼件不同串、并联组合的隔振器上述单度隔振器主要缺点是有效隔振频率范围窄, 且高频隔振效果亦不佳, 调整弹性元件与阻尼元件多种型式的组合关系所构成的隔振器, 可满足不同的预定要求。1 9 8 8 7 , 池田健等闭在日本第30 届机构强度讲演会上发表了弹性件与阻尼件不同的配置对制振效果的影响, 详细讨论了八种不同配置对隔振与减振的影响, 这是很值得参考的。

2.1.3 弹性元件与摩擦或干摩擦元件并联与串并联的隔振器这类隔振器中, 因摩擦或干摩擦阻尼具有非线性, 振动方程为非线性微分方程。摩擦或干摩擦阻尼一般是按振动一周,

摩擦阻尼消耗的能量等效于线性粘性阻尼器消耗能量的原则, 从而得出等效粘性阻尼系数来处理的。这方面的内容可参见N ya ef h A.H. M o k D.T.所著《非线性振动》一书及美国O h i o 州立大学的M e n q C.H· 和C a r n e g i e M e l l o n 大学的G r i f f in J.H. 的综述论文。

2.2 橡胶元件隔振器

隔振橡胶元件通常分固体型与流体型二大类, 其优点是结构简单、阻尼比金属弹簧大,

调整橡胶材料配方可获得不同的特征; 缺点是受外界环境影响大, 怕油污, 高低温性能难统一控制。它的隔振特性常由动弹簧常数(Kd)、损失系数(η)和隔振支持体的质量(m ) 来决定。日本学者水野指出: 隔振元件的固有频率 二大多采用外力频率的1 /3 左右。动弹簧常数因橡胶种类( 或材料配方) 以及振幅和频率而异。一般讲损失系数大的元件动倍率( 动弹簧常数与静弹簧常数之比) 也愈大。各种橡胶的损失系数可通过试验或查阅有关手册和产品说明书得到。

   在汽车工业中, 流行新的注铅型橡胶件, 因它不但可减振降噪, 且可改善汽车的运动性能与操纵安全性。这种流体型橡胶件常在发动机安装部位使用, 目前国外正在开发复合应用液体与空气等特性的流体型隔振橡胶件。

   1 9 9 2 6 8 日《日本经济产业新闻》报道, 日本泽翁公司开发的新型氢化丁睛橡胶, 能在一35 ~ 1 75 C 范围内不变质, 使用寿命可延长近四倍

2 .3 积层橡胶隔振器

   近年来, 建筑与地基之间或桥梁与墩柱之间常引入柔性隔振支座, 使建筑或桥梁水平方向的摇晃周期加长, 以避开一般地震波的周期,从而起到避震与减振的目的。这种隔振支座是用多层钢板和橡胶相间排列, 在中心位置常灌以铅类物质作为芯柱。这样钢一橡胶支座具有较高的竖向承载能力, 并可提供横向柔性, 而铅芯受载后处于纯剪切变形状态, 因而可提供较大的非线性阻尼。

   目前, 建筑物、核反应堆、重型设备和试验台等均广泛采用大型积层橡胶支承来隔振, 最大的积层橡胶支承外径已达1.5m, 重达50 0t,且垂直方向的刚度可设计得比水平刚度大1 3 0 0 , 隔振结构在水平方向的振动响应受地震波低频分量(0.SH z ) 的影响很大, 因此要求其有足够大的水平位移能力, 这方面东京大学工业科学研究所、东京D en ki 大学和日立公司机械研究实验室进行了颇多的研究, 发表了众多的文章。

   关于建筑的隔振与减振, 10 层左右的中低层建筑, 常采用三类措施, 即① 积层橡胶+ 阻尼器。② 衰减机能一体型积层橡胶。③ 滑动支承。而对断面不大的高层建筑, 过去较实用

化的制振、减振装置是在大楼最高层或屋顶上设置附加质量及阻尼( 有固体及流体二大类)

,分为可调质量阻尼器( T M D ) 和主动控制质量阻尼器( A M D )。而高层与超高层建筑除用层间阻尼器来减振( 纽约世界贸易中心就是成功之例) , 还可用阻尼拉条支撑或汽缸型摩擦阻尼器及钢丝绳减振器等包括伺服马达驱动型动力吸振器)

   机器安置在楼层上, 由于机器运转的不平衡, 常导致楼板过大的振动。很多场合把机器直

接安装在隔振器上是不行的, 过去常使用较重的混凝土等刚性大质块作基础, 并用合适的隔

振器来支承, 而要隔振的设备就装在这种基础上。H a r r i s C·M· 和C r e d e C.E. 主编出版的“ 冲击和振动手册” 提供了美国消振器公司、B ar r yW r i g h t 公司和K o r f u n d 公司的有关各类隔振方案。该手册对隔振器在各种机器设备上的应用均有较详尽的说明, 可供各行各业参考。

   结构防震与隔振的研究正进一步在扩展,除一般考虑弹簧一粘性阻尼的联合效果外, 还研究粘弹性材料及其温度影响, 现有做成多个U 形件, 然后合并成为隔振装置。此外, 还专门

设计粘弹性阻尼器来提高建筑结构的抗震能力, Z ha n g R.H.在文中指出了阻尼器的尺

寸、数量、安装位置以及按结构参数和结构响应降低的要求来进行设计的步骤, 并以24 层钢框为例, 说明在实际结构中设计粘弹性阻尼器的全过程压 。

   当前, 各种隔振技术的联合应用已取得相当成就, 如滑动隔振结构配以浮升限制器( u p l if t r e s t r a in t ), 联合应用基础隔振与周界吸振, 或联合应用能动的动吸振器与能动的隔振

装置来控制振动响应卿一川。此外, 用积层橡胶和磁性衰减器联合组成的抗地震装置在日本明治大学正进行研究( 1 9 91 年日本机械学会论文集C 57 5 35 ), 而有关新型隔振材料如记忆合金等, 也正在深入研究和开始使用(可参阅J.E n g.M e e h. , 1 9 9 1 ; 1 1 7 ( 1 1 ) :2 5 90 ~ 2 6 0 8 )

2.4 空气弹簧

   普通的防振、隔振橡胶件对系统固有频率为5 6H : 的铅直方向振动具有较好的隔振效

果。而当系统为ZH z 以下时大多采用空气弹簧。它是利用气体压缩的非线性恢复力和阻尼力来缓冲冲击和振动。空气弹簧隔振器的刚度与阻尼可进行调节与控制, 因此隔振效果较理想。常见的双曲囊式是由上下两块金属盖板和橡胶囊组成。空气弹簧工作时充气, 气源为能控制输出气压的空气压缩机。为保持胶囊内气压在工作时为恒定值, 气压可由开关、过滤减压稳压器及压力表进行控制, 工作时压缩空气由气源经过气压控制装置进入附加气室, 再经毛细管进入空气弹簧。影响空气弹簧隔振系统自振频率的主要因素是空气的体积, 由于压缩空气在附加气室和气囊之间往复流动, 管壁对气流有粘滞作用而产生阻尼。一般如要增大阻尼, 可减小毛细管截面, 或增加其长度, 或降低工作气压。目前空气弹簧有膜式和囊式二种。一般讲, 系统的固有频率愈低, 空气弹簧隔振效率愈高。几十年来, 空气弹簧在载重汽车、有轨机动车、精密仪器设备(如激光全息台) 等领域内被广泛采用,最近德国汉诺威的C o nt ni e nt al 有限公司将空气弹簧技术的多年经验特用于隔振和工业充气轮胎, 1 9 8 9 年汉诺威博览会上,C o n t in e n t a l 公司展出了他们与汉诺威大学的C t Ri cs h 研究所合作的用于支撑织机的空气弹簧一阻尼系统。这一研究成果引起织机制造厂商普遍的浓厚兴趣( 可参见《C h e m i e f a s e r n / T e x t i l i n d u s -t ri e 1 9 8 9 年第5 )。我国安装空气弹簧的旅游列车, 可显见运行舒适性。

    近来在船舶工业中, 将船体原有的液体舱设计成流体式阻尼器, 以减小由于波浪引起的低频振动, 如弹跳或晃动, 其原理与空气弹簧有借鉴和相似之处。如英国和日本开发的U 型流

体动力吸振器汤〕, 也是利用压缩空气作为弹性件、运动部分水的质量为惯性件, 而下部两舱间连通口的大小可提升带不同孔径的隔板来调节, 用来控制流量而作阻尼件( 舱壁对流体有粘滞作用)。在国内船舶科学研究中心也正在开发试制这种流体式吸振器。

除空气弹黄外, 空气阻尼器及磁性流体阻尼器亦兴起研究, 并已有具体应用.

2.5 动力反共振隔振器(D A V D

力学模型见图1

系统动能

动力反共振隔振

关系见图2

   从 2, 在大于系统共振频率时, 传递率曲线( 实线)与常规隔振器明显不同, 存在一个传递率的极小点。当不计阻尼时( 图中虚线)有传递率为零的点( 故称反共振隔振器), (l )式的分子为零求得其对应的频率:

反共振
隔振器对应频率

动力反共振隔振器有类似动力吸振器的特点,当激励频率变化不大时其隔振效果特别好, 如直升飞机激振频率常在2 5H z , ( 2) 式选择D A V I 的弹性系数, 可解决常规隔振器低频隔振要求与隔振器静变形过大的矛盾。因此60年代起一些直升飞机就采用此类隔振方案。

3 多自由度系统的隔振

3 .1 二自由度的隔振(双层隔振器)

二自由度的隔振力学模型

   从(3 ) 式可知, 在高频区力传递率按2 4 d B / oc : 下降, 比简单隔振器快得多。由于隔

振器实质上是“ 机械滤波器” , 在高频段四阶滤波器( 双层隔振器) 的“ 滤波” 性能当然要比二阶滤波器( 单层隔振器) 好。

3 模型与研究动力吸振器的力学模型有相似之处, 在双层隔振器问题中, 对力激振情

, 振源为基础运动( 图中虚线部分. 并表示为双层隔振器振动计算"", 此时, 同样设计上述5 个参数来减少向隔振对象m 的运动传递。而作为动力吸振器模型, 主系统参数是m 2 k 2 c2,外激励作用于惯性元件m2, 或作用于基础上, 设计和优化动力吸振器参数, mk1c 1; , 以大大减小( 实质是吸收)主系统质块m2的振动.

3 2 多自由度系统的隔振设计多自由度隔振器, 最好要知道激振源的特性以及安装的位置与空间条件。

   从系统固有频率角度考虑, 隔振器弹性系数的确定要注意到:

( 1) 激励频率的最低值要高于系统6 个固有频率最高值的激励频率的最低值要高于系统6 个固有频率最高值的倍数, 或先找出激励源的主要激振方向与频率, 至少要在主要激振方向上,系统的固有频率必须满足>固有频率必须满足的条件 倍的原则( 在非主要激振方向上, 固有频率的要求可放宽些)

( 2) 尽量减小刚体各自由度间的藕合振动。理想状态是系统各个自由度之间互不藕合,这样既可独立地选择隔振器的弹性系统, 又可避免不利的祸合振动。其弹性支承可对称布置,或采用斜弹性支承方式等。


多自由度强迫振动表达式

设计的正过程, 一般要反复修改。至于设计隔振器的逆过程, 是寻求满足预定性能指标的约束条件, 通过优化设计或迭代计算法使能直接给出或恰当选择隔振器的设计参数, 并能使性能指标达极小。优化设计主要包括:

( 1) 定隔振器型式, 以便确定设计变量。

(2)按实际问题确定性能指标 。性能指标的变量除一般的运动变量外, 也可用力、应力应变或能量等。

(3) 确定约束条件, 如相对位移、重量、设计参数的允许变化集和成本等。

(4)确定优化计算方案及计算, 除通常采用的有约束和无约束优化外, 还可参见现代控制理论提供的优化方法。

4.非线性隔振器铆

   近年来非线性课题一直是各学科研究的方向, 在隔振领域内也不例外, 目前非线性隔振器

的理论与应用已日趋广泛, 工程典型实例也多。如非线性钢丝绳减振器可进行二向与三向减震,其中不锈钢丝绳可耐高温和化学,污染, 且各股之间的干摩擦能产生迟滞阻尼来耗散能量。关于非线性隔振设计的理论, 非三言二语可说明, 且目前整个理论还不够成熟, 但其基本内容一般包脊骨曲线的确定, 另外, 非线性隔振器的有效括非线性隔振器的建模、非线性隔振系统对于给定激励响应的幅频特性与其有效工作频带以及在隔振系统中避名出现亚谐共振等问题都是必须考虑和注意的, 这方面的内容可参考有关资料。

5.结束语

   隔振是项理论性与应用性都很强的减振技术, 过去对单自由度和二自由度线性系统的单频与多频隔振研究已较成熟, 但对弹性体与非线性系统的多频隔振与随机激励隔振还有许多工作要做, 随着现代控制论和优化技术的不断发展与提高, 隔振器的理论与设计也要与这一趋势相适应。振动控制技术按制振装置的钩成大体可分为被动制振` 典型代表为功力吸振器夕、半i二动制振、常“洲乍动器来作参数调整和实现最仕同步) 和主动控制三大类, 今后的方向和任务是要用主动拄制或半主动控制的理论, 结合现代优化技术, 并用模态实验和动力分析的方法, 不断改进参数, 研制合适材料,设计出出更多、更好、优质、高效的隔振器( 建议参阅美国麻省理工学院V on Fl ot o w 和日本机械技术研究所田中信雄等人的综述论文)



来源:西安光兴机电有限公司

在线客服

售前客服

My status 隔振器

在线时间

周一至周五
8:00-18:00