工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 課件 第2版-第7章-隔震技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第7章隔震技術(shù)第7

章隔震技術(shù)7.1引言7.2隔震原理7.3隔振特性7.4基礎(chǔ)阻抗對隔振效果的影響7.5隔振器7.6隔振系統(tǒng)7.7應(yīng)用與研究進(jìn)展7.8工程應(yīng)用實(shí)例23145677.1引言

7.1引言

作為阻隔振源與需要防振的設(shè)備之間振動(dòng)能量傳輸路徑的一門有效的振動(dòng)控制技術(shù),隔振(VibrationIsolation)技術(shù)在工程中的應(yīng)用極為廣泛,幾乎任何工作在動(dòng)載荷環(huán)境下的裝備、產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)(如航天和航空飛行器、船舶與離岸設(shè)備、車輛、回轉(zhuǎn)機(jī)械、機(jī)床、精密平臺(tái)、電子產(chǎn)品、橋梁與建筑物等)均需采用隔振技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)抑制,以保證它們的正常使用與運(yùn)轉(zhuǎn)本章將以單自由度系統(tǒng)隔振為例,對該技術(shù)中涉及的隔振原理、隔振特性、基礎(chǔ)阻抗對隔振效果的影響予以介紹,并對常用的隔振器以及隔振系統(tǒng)等進(jìn)行概述,同時(shí)給出隔振技術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展以及工程應(yīng)用實(shí)例。而關(guān)于減振技術(shù),將在隨后幾章中陸續(xù)介紹21345677.2隔震原理7.2.1積極隔振為了降低振源對基礎(chǔ)上需要防振設(shè)備的影響,用隔振器將其與基礎(chǔ)隔離開來,以減小傳遞給基礎(chǔ)的力,這種隔振方式通常稱為積極隔振圖7-2剛性基礎(chǔ)單自由度積極隔振系統(tǒng)模型7.2.2消極隔振對于需要防振的設(shè)備,為了降低基礎(chǔ)振動(dòng)對它的影響,用隔振器將基礎(chǔ)與其隔離開來,以減小基礎(chǔ)傳遞給它的振動(dòng),這種隔振方式通常稱為消極隔振圖7-3單自由度消極隔振系統(tǒng)模型21345677.3隔振特性7.3隔振特性單自由度隔振系統(tǒng)的隔振特性可由傳遞比隨系統(tǒng)各參數(shù)的變化規(guī)律得到。為此,以頻率比λ為橫坐標(biāo),傳遞比TR為縱坐標(biāo),黏性阻尼比ζ為參變數(shù),將式(7-3)或式(7-5)繪成圖7-4所示的曲線圖,可以清楚地看出:1)在λ>的區(qū)域內(nèi),TR<1,這就是隔振區(qū)2)在λ<的區(qū)域內(nèi),TR>1,不但沒有隔振效果,隔振器反而把振動(dòng)放大事實(shí)上,對于雙級(jí)隔振系統(tǒng)來說,在滿足一定的條件下,增加阻尼不僅可以有效降低共振峰,而且可以改善隔振效果21345677.4基礎(chǔ)阻抗對隔振效果的影響7.4基礎(chǔ)阻抗對隔振效果的影響前面在推導(dǎo)單自由度積極隔振系統(tǒng)的傳遞比公式(7-2)時(shí),假定基礎(chǔ)是剛性基礎(chǔ),即阻抗為無窮大，但在工程實(shí)際中,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)往往不可能絕對剛性(如機(jī)床床身、運(yùn)載車輛車身等),這時(shí)利用式(7-2)會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。因此,有必要在隔振性能評(píng)價(jià)中考慮基礎(chǔ)阻抗,并討論基礎(chǔ)阻抗對隔振效果的影響圖7-5柔性基礎(chǔ)單自由度積極隔振系統(tǒng)模型21345677.5隔振器7.5.1鋼彈簧隔振器基鋼彈簧隔振器是最常用的一種隔振器,其主要構(gòu)件可分為螺旋彈簧、板簧和碟簧三種圖7-10鋼彈簧隔振器7.5.2橡膠隔振器橡膠隔振器也是工程上常用的一種隔振裝置,一般由約束面(通常和金屬相連接)與自由面構(gòu)成。根據(jù)受力情況,這類隔振器可分為拉壓型、剪切型、拉壓-剪切復(fù)合型等圖7-11幾種橡膠隔振器示意圖7.5.3橡膠空氣彈簧橡膠空氣彈簧簡稱空氣彈簧,俗稱“氣囊”,主要由膠囊(可多層)和裝配結(jié)構(gòu)件(如蓋板、腰環(huán)等)組成空氣彈簧具有如下特點(diǎn):1)彈簧高度、承載能力和彈簧剛度可任意調(diào)節(jié)2)固有頻率低3)具有黏性阻尼作用4)使用壽命長5)本體結(jié)構(gòu)柔軟,因此具有軸向、橫向和旋轉(zhuǎn)方向的綜合隔振作用6)安裝、更換方便,維護(hù)保養(yǎng)簡單,無須經(jīng)常檢修圖7-12橡膠空氣彈簧結(jié)構(gòu)7.5.4鋼絲繩隔振器鋼絲繩隔振器是由不銹鋼鋼絲繩穿繞在上、下兩塊夾板間,分別固定上、下部的兩塊夾板后,利用鋼絲繩的彎曲而實(shí)現(xiàn)隔振功能的一種隔振器它的剛度與阻尼取決于鋼絲繩的直徑、股繩數(shù)量、纏繞圈數(shù)以及鋼絲繩被夾持的方式等鋼絲繩隔振器的優(yōu)點(diǎn):①具有優(yōu)良的隔振和抗沖擊性能;②利用鋼絲之間的摩擦和變形產(chǎn)生的非線性阻尼,可以大幅度吸收振動(dòng)能量;③漸軟的剛度特性使得設(shè)備承受振動(dòng)負(fù)載時(shí),隔振器的變形小,而當(dāng)遇到突發(fā)沖擊時(shí),又可以產(chǎn)生大變形,保證設(shè)備的正常工作;④可以在拉、壓、剪、懸掛等多種受力狀態(tài)下使用,具有三維隔振作用;⑤兼顧了隔振、緩沖、降低結(jié)構(gòu)噪聲的三大功能;⑥特有的繩結(jié)構(gòu),抑制了金屬隔振器通常很難避免的高頻駐波效應(yīng);⑦具有明顯的非線性特性,在抗沖擊、被動(dòng)隔振等方面具有優(yōu)良的特性7.5.5金屬橡膠隔振器金屬橡膠材料是一種勻質(zhì)的彈性多孔材料,是用特定的工藝方法將一定數(shù)量的呈螺旋狀態(tài)的金屬卷,經(jīng)過拉伸展開并有序地排放在沖壓模具中,然后用沖壓的方法而成形的一種新型功能性隔振材料金屬橡膠構(gòu)件的制備工藝(見圖7-18)主要包含以下步驟:1)選擇金屬絲2)繞制螺旋卷3)定螺距拉伸4)纏繞編織毛坯5)沖壓成形6)后期處理圖7-19金屬橡膠構(gòu)件與隔振器21345677.6隔振系統(tǒng)7.6.1單級(jí)隔振系統(tǒng)單自由度隔振系統(tǒng)屬于典型的單級(jí)隔振系統(tǒng),它是人們最早開始研究與應(yīng)用的一種隔振系統(tǒng),在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、效果好、可靠性高,但缺點(diǎn)是不太適合低頻重載設(shè)備的隔振但當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí),隔振器的剛度就比較低,難以保證重載設(shè)備的安裝精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性圖7-21單級(jí)隔振系統(tǒng)的應(yīng)用7.6.2雙級(jí)隔振系統(tǒng)雙級(jí)隔振系統(tǒng)(見圖7-22)就是將上、下兩級(jí)隔振器安裝在振源設(shè)備與基礎(chǔ)支承之間,并在兩級(jí)隔振器之間插入一個(gè)中間質(zhì)量塊(即中間基座)雙級(jí)隔振系統(tǒng)具有更好的隔振效果,而且在減振、降噪、穩(wěn)定性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單級(jí)隔振系統(tǒng),在船舶工程、能源與動(dòng)力工程等領(lǐng)域的重載機(jī)組隔振方面有著良好的應(yīng)用圖7-22雙級(jí)隔振系統(tǒng)的應(yīng)用7.6.3浮筏隔振系統(tǒng)將多個(gè)設(shè)備通過上級(jí)隔振器安裝在一個(gè)公共的筏架上,再通過下級(jí)隔振器安裝在基礎(chǔ)上,形成了一種特殊的新型雙級(jí)隔振系統(tǒng)(見圖7-25),即浮筏隔振系統(tǒng),中間的公共筏架稱為浮筏(FloatingRaft)圖7-25浮筏隔振系統(tǒng)示意圖21345677.7應(yīng)用與研究進(jìn)展7.7.1航天器隔振-11.衛(wèi)星整星隔振技術(shù)圖7-27所示的IPAF隔振系統(tǒng),主要用來隔離25~35Hz頻率范圍內(nèi)的橫向振動(dòng)。該系統(tǒng)由上層環(huán)、下層環(huán)、支柱、航天器襯墊和阻尼器五部分組成,其中四個(gè)阻尼器沿橫向安裝于上層環(huán)中圖7-27

IPAF隔振系統(tǒng)7.7.1航天器隔振-22.衛(wèi)星在軌運(yùn)行微振動(dòng)隔離衛(wèi)星在軌運(yùn)行中,反作用飛輪、低溫制冷壓縮機(jī)、太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)姿陀螺等的正常工作往往容易引發(fā)星體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生寬頻、小振幅振動(dòng)(簡稱微振動(dòng)),對其上的光學(xué)敏感設(shè)備的成像質(zhì)量造成影響，目前解決這一問題的有效手段就是隔振技術(shù),主要用于改善1Hz以上的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及姿態(tài)抖動(dòng)所引起的圖像模糊圖7-31衛(wèi)星成像效果對比7.7.1航天器隔振-33.準(zhǔn)零剛度隔振技術(shù)準(zhǔn)零剛度隔振技術(shù),也稱正負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并聯(lián)隔振技術(shù),是一項(xiàng)新興的超低頻隔振技術(shù)，其基本思想是利用正剛度單元(即傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振器,如金屬彈簧或氣囊等)與具有負(fù)剛度特性的單元(如歐拉壓桿、倒立擺或永磁負(fù)剛度機(jī)構(gòu)等)的并聯(lián)組合,使系統(tǒng)具有高的靜態(tài)剛度和極低的動(dòng)態(tài)剛度圖7-38

MinusK公司的超低頻隔振器7.7.2艦船隔振在船舶工程領(lǐng)域,隔振技術(shù)也有著極其廣泛的應(yīng)用,尤其在艦艇隱身技術(shù)方面,已成為艦艇機(jī)械噪聲控制的核心技術(shù)之一1.船用聚氨酯隔振器聚氨酯材料的特點(diǎn)是:①硬度范圍更廣,在邵氏A10到邵氏D80范圍內(nèi),伸長率可達(dá)400%~800%;②具有高強(qiáng)度和伸長率,強(qiáng)度是橡膠的2~3倍;③伸長率隨硬度增大而變小,但是變化比橡膠小;④撕裂強(qiáng)度比橡膠高,耐油性能優(yōu)于丁腈橡膠,耐天然老化性能優(yōu)于天然橡膠和其他合成橡膠,且具有一定的耐臭氧、耐輻射性能2.復(fù)合氣囊與主被動(dòng)混合隔振系統(tǒng)復(fù)合式氣囊對諸如水下爆炸、海浪拍擊、碰撞等各種各樣的沖擊都有極好的緩沖隔離作用,主要用于潛艇、水面艦船上的電子設(shè)備和其他高靈敏度設(shè)備的隔振21345677.8工程應(yīng)用實(shí)例7.8.1納米光刻機(jī)平臺(tái)超低頻隔振45nm光刻機(jī)需要VC-F甚至VC-G級(jí)的微振動(dòng)環(huán)境,要求隔振系統(tǒng)固有頻率低至1Hz。傳統(tǒng)的隔振系統(tǒng)存在低固有頻率與高承載力相矛盾的問題,為此,本例采用準(zhǔn)零剛度隔振技術(shù)配合主動(dòng)控制技術(shù)研制了一款超低頻主動(dòng)隔振器,如圖7-42所示圖7-42超低頻主動(dòng)隔振器示意圖7.8.2光學(xué)遙感衛(wèi)星微振動(dòng)隔離光學(xué)遙感衛(wèi)星(見圖7-44)使用各種焦距的可見光照相機(jī)、紅外照相機(jī)和多光譜照相機(jī)從宇宙空間對地球環(huán)境進(jìn)行攝影,以取得大量有研究價(jià)值的地球照片和資料,具有十分重要的商業(yè)價(jià)值與軍事意義。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間的微振動(dòng)環(huán)境,往往對光學(xué)相機(jī)的成像質(zhì)量產(chǎn)生影響圖7-44光學(xué)遙感衛(wèi)星7.8.3機(jī)載光電吊艙隔振機(jī)載光電吊艙(見圖7-47)是航空偵察的主要設(shè)備,它是一種利用光電載荷對地面目標(biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別、定位與跟蹤的航