工程振動分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第7、8章 隔震技術(shù)、動力吸振技術(shù)

《工程振動分析與控制基礎(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)備之間振動能量傳輸路徑的一門有效的振動控制技術(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、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,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,隔振器反而把振動放大事實(shí)上,對于雙級隔振系統(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)會產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。因此,有必要在隔振性能評價(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能量;③漸軟的剛度特性使得設(shè)備承受振動負(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單級隔振系統(tǒng)單自由度隔振系統(tǒng)屬于典型的單級隔振系統(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單級隔振系統(tǒng)的應(yīng)用7.6.2雙級隔振系統(tǒng)雙級隔振系統(tǒng)(見圖7-22)就是將上、下兩級隔振器安裝在振源設(shè)備與基礎(chǔ)支承之間,并在兩級隔振器之間插入一個(gè)中間質(zhì)量塊(即中間基座)雙級隔振系統(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)于單級隔振系統(tǒng),在船舶工程、能源與動力工程等領(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)備通過上級隔振器安裝在一個(gè)公共的筏架上,再通過下級隔振器安裝在基礎(chǔ)上,形成了一種特殊的新型雙級隔振系統(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。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(簡稱微振動),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)振動及姿態(tài)抖動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)平臺超低頻隔振45nm光刻機(jī)需要VC-F甚至VC-G級的微振動環(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)配合主動控制技術(shù)研制了一款超低頻主動隔振器,如圖7-42所示圖7-42超低頻主動隔振器示意圖7.8.2光學(xué)遙感衛(wèi)星微振動隔離光學(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、識別、定位與跟蹤的航空探測監(jiān)視系統(tǒng),以獲得高質(zhì)量的圖像。制約機(jī)載光電吊艙成像質(zhì)量的主要因素是載機(jī)的振動圖7-47機(jī)載光電吊艙7.8.4海洋平臺隔振海洋平臺是海洋石油天然氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施,是海上生產(chǎn)作業(yè)的重要基地,長期處于惡劣的海洋環(huán)境中,受風(fēng)、浪、流、海冰、地震等自然環(huán)境作用,在使用過程中存在明顯持續(xù)不斷的振動問題圖7-51導(dǎo)管架式海洋平臺阻尼隔離層示意圖謝謝。《工程振動分析與控制基礎(chǔ)》第8章動力吸振技術(shù)第8

章動力吸振技術(shù)8.1引言8.2無阻尼動力吸振器8.3有阻尼動力吸振器8.4應(yīng)用與研究進(jìn)展8.5工程應(yīng)用實(shí)例23145678.1引言

8.1引言

機(jī)器設(shè)備受到激勵(lì)而產(chǎn)生振動時(shí),可以在設(shè)備上附加一個(gè)輔助系統(tǒng)(由輔助質(zhì)量、彈性元件和阻尼元件組成)。當(dāng)設(shè)備(主系統(tǒng))振動時(shí),這個(gè)輔助系統(tǒng)也隨之振動,利用輔助系統(tǒng)的動力作用,使其施加到設(shè)備上的動力與激振力互相抵消,使得設(shè)備的振動得到抑制,這種振動控制技術(shù)稱為動力吸振技術(shù)(又稱動力減振技術(shù)),所附加的輔助系統(tǒng)稱為動力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA),又稱可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)最具有代表性的應(yīng)用是臺北101摩天大樓上使用的動力吸振器,用來抵抗風(fēng)致振動的影響21345678.2無阻尼動力吸振器8.2.1基本原理-1圖8-2所示為無阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型,圖中主系統(tǒng)的設(shè)備質(zhì)量(主質(zhì)量)為m1,激勵(lì)力為F1ejωt,主系統(tǒng)的剛度為k1;動力吸振器的質(zhì)量(輔助質(zhì)量)為m2,剛度為k2原有主系統(tǒng)安裝動力吸振器后,由一個(gè)單自由度系統(tǒng)變成了一個(gè)2自由度系統(tǒng),其強(qiáng)迫振動的運(yùn)動微分方程為:利用頻響函數(shù)法求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),易得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為圖8-2無阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型8.2.1基本原理-2經(jīng)計(jì)算整理后易得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對振幅分別為:從式(8-3)可看出,當(dāng)α=λ時(shí),A1=0,即主系統(tǒng)振幅為零,動力吸振器就是利用這一特性來消除主系統(tǒng)振動的。此時(shí),主質(zhì)量靜止,外激勵(lì)力僅僅使動力吸振器中的輔助質(zhì)量產(chǎn)生振動,其最大振幅為:

A2=-F1A/k2(8-4)8.2.2設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)無阻尼動力吸振器時(shí),應(yīng)注意考慮以下問題:1)為了消除原有主系統(tǒng)的共振振幅,應(yīng)使吸振器的固有頻率ω2等于主系統(tǒng)的固有頻率ω1,即α=1,則當(dāng)λ=α=1時(shí),由式(8-3a)可知主系統(tǒng)的共振振幅A1=0,即達(dá)到減振的目的。2)注意擴(kuò)大吸振器的減振頻帶3)應(yīng)考慮吸振器的振幅A2能否滿足結(jié)構(gòu)空間要求綜上所述,無阻尼動力吸振器結(jié)構(gòu)簡單,元件少,減振效果好。但減振頻帶窄,主要適用于激振頻率變化不大的情況21345678.3有阻尼動力吸振器8.3.1基本原理在上述無阻尼動力吸振器中,加入適當(dāng)?shù)淖枘?就構(gòu)成了有阻尼動力吸振器。它除了具有動力吸振作用外,還可利用阻尼消耗振動能量,使得減振效果更好,還可使減振頻帶加寬,具有更廣的適用范圍圖8-4所示為有阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型。與圖8-1相比可知,輔助質(zhì)量m2與主質(zhì)量m1之間除了彈性元件k2外,還加入了阻尼元件c2,則相應(yīng)的運(yùn)動微分方程為:同樣利用頻響函數(shù)法可求得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對振幅分別為:式中,ζ=c2/(2)為吸振器的阻尼比,其他參數(shù)的含義同前8.3.2設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)有阻尼動力吸振器時(shí),應(yīng)注意以下兩個(gè)問題1)為保證吸振器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有較好的減振效果,在設(shè)計(jì)吸振器參數(shù)時(shí),應(yīng)滿足使P、Q兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等且成為曲線上的最高點(diǎn)的條件(見圖8-6)。為滿足這一條件,最優(yōu)的吸振器參數(shù)如下:2)為了保證減振效果達(dá)到預(yù)定的要求,在滿足上述最佳參數(shù)的情況下,還應(yīng)使P和Q兩點(diǎn)縱坐標(biāo)所對應(yīng)的振幅小于允許的振幅,即圖8-6安裝有阻尼動力吸振器后主質(zhì)量的幅頻響應(yīng)(μ=0.1,α=αopt,ζ=ζopt)21345678.4應(yīng)用與研究進(jìn)展8.4.1被動式動力吸振技術(shù)-11.軌道車輛動力吸振技術(shù)圖8-9所示為國外研制的鋼軌動力吸振器,能夠有效地抑制鋼軌的共振,降低輪軌噪聲3dB圖8-9鋼軌動力吸振器8.4.1被動式動力吸振技術(shù)-22.直升機(jī)旋翼動力吸振技術(shù)減振技術(shù)一直是直升機(jī)型號發(fā)展中要解決的一個(gè)重要問題,也是伴隨直升機(jī)誕生而來的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),直升機(jī)設(shè)計(jì)階段必須盡最大努力控制和降低振動水平目前,直升機(jī)上廣泛采用的是被動式吸振技術(shù),主要優(yōu)點(diǎn)是對原結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品不做任何修改,可以作為選裝件。被動式動力吸振器包括旋翼動力吸振器和機(jī)身常規(guī)動力吸振器直升機(jī)槳轂雙線擺式動力吸振器的結(jié)構(gòu)如圖8-15所示,一般布置在相鄰兩片槳葉之間,支臂固定在槳轂上,用以吸收旋翼水平振動。其動力吸振原理是:當(dāng)直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí),配重塊就在銷子上做純滾動,產(chǎn)生離心力分量來平衡由旋翼產(chǎn)生的激振力,達(dá)到吸振的目的8.4.2主動式動力吸振技術(shù)-11.主動式動力吸振器主動式動力吸振器工作的過程中,吸振器會根據(jù)作用于主系統(tǒng)上外激勵(lì)力的變化隨時(shí)調(diào)整作動力大小,產(chǎn)生一個(gè)與外激勵(lì)力大小相等但是方向相反的力作用在主系統(tǒng)上,從而盡可能地使主系統(tǒng)所受的力為零,以此減弱主系統(tǒng)的振動水平,實(shí)現(xiàn)振動控制的目的主動式動力吸振器由于能夠快速準(zhǔn)確地追蹤主系統(tǒng)外激勵(lì)力的變化,因而具有較好的寬頻控制效果與良好的魯棒性與減振量級主動式吸振技術(shù)的作動器需要較大的能量輸入,以提供抵消受控對象的作用力,特別是在外激勵(lì)頻率與吸振頻率有一定偏差時(shí),其所需的能量輸入將急劇上升,這會增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),同時(shí)其穩(wěn)定性也會受到影響,使得其應(yīng)用受到限制8.4.2主動式動力吸振技術(shù)-22.半主動式動力吸振器半主動式動力吸振技術(shù)通過在主系統(tǒng)上