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06隔振与阻尼
作者:蒙特利尔赌场 发布时间:2020-12-03 01:58

  本 讲 内 容 机械设备运转产生振动,振动一方面直接向外辐射噪声,另一方 面以弹性波的形式通过相连的结构向外传播,并在传播的过程中向外 辐射噪声。控制振动的一个重要方法就是隔振。 隔振就是将振源与基础或连接结构的近刚性连接改成 弹性连接,以防止或减弱振动能量的传递,最终达到减振 降噪的目的。 隔振可以分为两类,一类是对作为振动源的机械设备采取隔振 措施,防止振动源产生的振动向外传播,称为积极隔振或主动隔振; 另一类是对怕受振动干扰的设备采取隔振措施,以减弱或消除外来振 动对这一设备带来的不利影响,称为消极隔振或被动隔振。对于薄板 类结构振动及其辐射噪声,如管道、机械外壳、车船体和飞机外壳等, 在其结构表面涂贴阻尼材料也能达到明显的减振降噪效果,我们称这 种振动控制方式为阻尼减振。 本章主要介绍隔振与阻尼原理、各种隔振元件的性能 特点及隔振元件与阻尼村料的选择和设计。 本 讲 内 容 5. 隔振与阻尼 5.1 隔振 5.1.1 隔振技术概述 1. 概述 机械设备振动能量以两种方式向外传播而产生噪声,一 部分由振动机器直接向空中辐射,称为空气声;另一部 分振动能量则通过承载机器的基础、连接构件传递,固 体表面振动以弯曲波形式传播,因而能激发结构振动向 空中辐射噪声,这种通过固体传播的声波叫固体声。 振动会影响仪器设备的精度、功能和使用寿命,会造成 事故。同样会危害人的身心健康,甚至造成器官损伤。 隔振就是就是将声源与结构之间形成弹性连接,实际上 振动不可能完全隔绝,故通常也称为减振。 本 讲 内 容 5.1.1 隔振技术概述 2. 隔振原理 机械设备运转时,会存在一个周期性的力作用,从而使其产生振动。 振动的机器通过基础、连接构件向四周传递。若在刚性连接之 间安臵弹簧或弹性衬垫组成弹性支座,由于支座可以发 生弹性变形,起到缓冲作用,便减弱了机器对基础的冲 击力,使基础的振动减弱;同时由于支座材料的阻力耗 能,也减弱了传给基础的振动,从而使声辐射降低,这 就是隔声降噪的基本原理。 隔振时使用的弹性支座称作隔振器,相对于机械设备, 其质量可以忽略不计,看做只由弹性装臵和能量消耗装 臵组成。 隔振分为主动与被动两种类型,即从减小振动的传出或 是保护仪器设备免受外接振动的影响来划分的。 本 讲 内 容 5.1.1 隔振技术概述 3. 传振系数 传振系数又称作“振动传递率”、“隔振效率”。是表征 隔振效果的常用物理量,通常记作T。它是通过隔振元件传 递过去的力与总干扰力之比,即:T=传递力/干扰力。 T越小通过隔振器传递过去的力越小,隔振效果越显著,隔振性能越好。 如果设备与基础是刚性连接,则T=1,即干扰了全部传递给基础,没有 隔振作用;如果在设备与基础之间安装隔装臵,使T=0.2,即传递过去 的力只是干扰力的20%。因此,传递系数的理论计算是隔振理论的关键 所在。 4. 隔振系统中的三个要素 隔振系统中控制振动及其传递的三个基本因素是:弹簧隔 振器的刚度、被隔离物体的质量、系统支撑及隔振器的阻 力。 本 讲 内 容 5.1.1 隔振技术概述 (1)刚度 隔振器刚度越大,隔振效果越差,反之隔振效果 越好。一个设计正确的隔振系统支撑刚度计算最为重要, 但弹簧及隔振器的刚度对物体振幅的影响不大。 (2)质量 被隔离物体的质量使支撑系统保持相对静止。在 确定的振动力作用下,物体质量越大,物体振动越小。增 大质量还包括增大隔振底座的面积,以增大物体的惯性矩, 可减小物体振动,但质量的增加并不能减小传递率。 (3)阻力 隔振系统的支撑阻力有以下的作用:在共振区, 抑制共振振幅;减弱高频区物体的振动;在隔振区为系统 提供了一个使弹簧短路的附加连接,从而提高了支撑的刚 度,使传递率增大,因此阻力的作用有利也有弊,设计时 应特别注意。 本 讲 内 容 5.1.1 隔振技术概述 5. 冲击隔离 和周期性激振力的振动隔离相似,对于脉冲冲击也可以考虑隔离, 也分为积极与消极两类。积极的是隔离锻压机、冲床及其他具有脉 冲冲击力的机械,以减小其对环境的影响;消极的冲击隔离是隔离 基础的脉冲冲击,使安装在基础上的电子仪器及精密设备能正常工 作,在舰船上的设备为了防止因爆炸引起的强烈冲击而设计的隔离 系统属此。 冲击隔离可分为积极和消极冲击隔离,二者原理相同,传递率估算 也基本相同。一般冲击传递与系统的固有频率成正比,系统固有频 率越小,传递率越小,隔离支撑的阻力有一定的作用,阻力越大, 传递率也越小。 冲击隔离与缓冲是有区别的缓冲是让缓冲材料介于相互碰撞的物体 之间,使碰撞的冲击力要比直接碰撞低,如汽车缓冲器,飞机着陆 架等。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 理论上讲,凡是具有弹性的材料均能作为隔振元件,但实 际工程应用上受到很多条件的限制,例如能否大量供应, 性能是否稳定,使用寿命长短是否具有防水、防油、防火 性能等。 1. 隔振器 它是一种弹性支撑元件,是经专门设计制造的具有单个形 状的、使用时可作为机械零件来装配安装的器件。最常用 的隔振器可分为:弹簧隔振器,包括金属螺旋弹簧隔振器、 金属蝶形弹簧隔振器、不锈钢丝绳弹簧隔振器,金属丝网 隔振器,橡胶隔振器,橡胶复合隔振器以及空气弹簧隔振 器等。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 (1)金属弹簧隔振器 是一种应用广泛的,适用频率范围 1.5~12Hz的隔振器。其中螺旋弹簧隔振器应用最为广泛。 金属弹簧隔振器主要有钢丝、钢板、钢条等制造成,通常 用在静态压缩量大于5cm,或温度和其他条件限制不允许 采用橡胶等材料的地方。 其主要优点是弹性好,耐高温、耐油、耐腐蚀、不老化, 寿命长,固有频率低,阻尼性能好,承载能力高等。 缺点是对于一些阻尼系数较小的隔振器,容易发生共振, 则很可能损坏机械设备,使用时应精心设计,并在弹簧两 端加橡胶垫板或在钢丝上粘附橡胶以提高阻尼。其次,金 属弹簧的水平刚度较竖直刚度小,容易产生晃动,因而常 须附加一些阻尼材料。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 (2)橡胶隔振器 适合于中小设备和仪器的隔振,适用频率 范围4~15Hz。橡胶隔振器不仅在轴向,而且在横向及回 转方向上均具有很好隔振性能。橡胶内部阻力比金属大得 多,高频振动隔离性能好,隔声效果也很好,阻力比为 0.05~0.23。 由于橡胶成型容易,与金属也可牢固粘接,因此可以设计制造 各种形状的隔振器,而且重量轻,体积小,价格低,安装方便, 更换容易。其主要缺点是耐高温、耐低温性能差,普通橡胶隔 振器使用的温度为0~70°,易老化,不耐油污,承载能力较低。 决定橡胶隔振器动、静刚度的因素:材料、硬度及形状。 决定橡胶隔振器性能的因素:橡胶的配方、硫化工艺。 (橡胶隔振器从形状分为:压缩型、剪切型及复合型) 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 (3)橡胶空气弹簧隔振器 依靠橡胶气囊中的压缩的压力变 化取得隔振效果,其工作固有频率低0.1~5Hz、共振阻力 性能好。缺点是价格高,承载能力有限,国内产品较少, 目前在一些设备上安装的此类隔振器是阻力性能较好的国 外产品。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 2. 隔振垫 由具有一定形状的软材料构成(橡胶垫、软木、毛毡、海绵、玻璃纤维、 泡沫)。一般无一定形状尺寸,可拼装。 (1)橡胶隔振垫 适用频率:10~15Hz(多层10Hz);特点:高 弹性、隔振冲噪性能,吸收能量(高频),易制造、安装,易 粘接。易受温度、油污、溶剂影响,易老化,寿命5~8年。 (2)毛毡 适用频率30Hz左右。其特点:经济、易装、易裁、 易粘,防油,不易老化;防火、水能力差。变形在25%内, 载荷特性为线性,超过则为非线)玻璃棉 适于机器、建筑基础隔振。其特点:耐火防腐 蚀,稳定,但不防水。 (4)泡沫塑料 发泡后可具有压缩性,其特点:软的支撑裁 装方便,但载荷特性非线性,难以满足要求。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 3. 其他隔振元件 (1)管道柔性接管 在设备进出口管道上安装柔性接管是防止 振动传递出去的必要措施,柔性接管在空压机、风机、水泵及 柴油机上都有应用。有橡胶、金属两大类。温度低于100°C, 压力2.0MPa以下的液气体传输管道用橡胶或帆布类柔性接管; 高于上述值时,用金属波纹管。 (2)弹性吊架 用于管道及隔声结构悬吊,可防止管道振动传 给结构。弹性吊钩一般用金属弹簧或橡胶块作为弹性元件,前 者工作时固有频率可小于10Hz,后者为200Hz。 (3)其他 有用于管道下部支撑的弹性支撑;代替刚性连接的 高弹性联轴器;与隔振器并联以增加支撑阻力的油阻力器;吸 收单一频率振动能量以降低设备振动的动力吸振器。 本 讲 内 容 5.1.2 隔振元件 表__常见隔振材料的性能比较 性能 剪切橡胶 3Hz 好 较好 金属弹 簧 1Hz 差 最好 广泛应 用 较方便 软木 10Hz 好 较差 不够广泛 方便 玻璃纤维 板 7Hz 好 较好 气垫 0.2Hz 好 较好 最低自振动频 率 横向稳定性 抗腐蚀老化 应用广泛程度 广泛应用 施工与安装 方便 手工部门 极少应用 应用 不方便 不方便 造价 一般 较高 一般 较高 高 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 1. 隔振元件的选择 (1)频率 f0 / f ? 1/ 2 (1/2.5~1/4.5)。固有频率f0≥20~30Hz, 用毛毡、软木、橡胶垫或较硬的隔振器; f0=2~10Hz,选 弹簧、橡胶或复合隔振器; f0=0.5~2Hz,选弹簧或空气弹 簧隔振器。 (2)载荷 静载荷应为允许载荷的90%,动、静载荷之和不 超过允许载荷。对于隔振垫,载荷是指单位面积上的载荷。 多隔振器应使载荷分布均匀,一边选用相同型的隔振器。 对隔振垫要求各部分的单位面积载荷基本一致。在任何情 况下实际载荷不能超过最大允许载荷。在同一设备上,选 择的隔振器型号,不要超过两种。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 2. 隔振设计 (1)步骤 ①首先测量和分析振源的振动强度,可根据转速或往复来 确定干扰频率,并确定所需振动传递比(传振系数T); ②根据现场的隔振要求,由干扰频率和传振系数,计算隔 振系统的固有频率以及静态压缩量(阻尼比按设备和减振 类型估算); ③确定元件载荷、型号大小和数量,并根据设备总重和各 支撑分担质量,选用和设计满足承重、频率要求的装臵; ④验算隔振是否满足设计要求,估计其降噪效果。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 (2)传振系数的确定 传振系数根据实测或估算得到的需隔振设备或地点的振动 水平、机器设备的扰动频率、设备型号规格、使用工况以 及环境要求等因素确定。简单隔振(质量弹簧)系统的传振 系数由下式计算(无阻尼情况): T? 1 ? f ? 1? ? ?f ? ? ? 0? 2 在隔振系统有阻尼的情况下,由下式计算: ? ? 2 ? f ? ? ? 1? ? ? ? ? 2? f ? ? ? ? 0 ? ? T ?? ? 2 2 2 ? ? ? ? f ? ? f ? ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ?1 ? ? ?f ? ? ? ? f ? 0 ? ? 0 ? ? ? ? ? ? ?? ? 1 2 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 (3)隔振元件承受的载荷、型号、大小和数量的确定。 隔振元件承受的载荷,应根据设备的质量、动态力的影响 以及安装时的过载情况确定。设备均匀分布时,每隔隔振 元件的载荷可由设备质量除以隔振元件数目得出,隔振元 件的型号和大小可据此确定。设备质量均匀分布时,也可 采用机座,并根据重心位臵来调整各个隔振元件的支撑点。 隔振元件的数量,一般宜取4~6个。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 (4)隔振系统的静态压缩比、频率比、固有频率的确定。 ①静态压缩量 有传递系数、设备稳定性、操作条件等要 求确定,也可由实验室直接测量。 ②固有频率 固有频率可根据隔振系统的传递系数、扰动 频率以及频率比确定,也可按下式估算: f0 ? 1 2? K 1 ? M 2? Mg / ? 1 ? M 2? g ? ? 5 (δ静态压缩量,cm) ? ③频率比f/f0 频率比中扰动频率,通常可取设备的最低扰 动频率。 当f/f01时,T≥1,无隔振作用;当f/f0≈1时,共 / f01/2 ? 2 振且放大扰动;当 f/f0f2 时,T1,隔振。一般频率比 去2.5~5。为获得大压缩量,f0取2.5~3Hz,阻尼系数取 0.1~0.2。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 (5)隔振参量的验算 隔振参量包括传振系数T、静态压缩 量δ、动态系数以及隔振降噪量效果估算等。在实际工作 中,由于大面积的振动速度值与板附近的声压值较接近, 一般可认为板的振动速度级Lv和附近的声压值相等, L p ? 20lg p v ? 20lg ? Lv p0 v0 1/2 2 f0 ? (6)阻尼比(ζ=C/Cc)与隔振的关系 在 f/ff0/2 的范围内,不 起隔振作用,ζ↑→T↓,此时增大阻尼对振动控制有较好的 作用;在f/f021/2的范围内, ζ ↓ →T↓,这表明减小阻尼, 振动也随着减小,反之增大阻尼对隔振有不良影响。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 以上分析表明: 要取得比较好的隔振效果,首先必须保证 f / f0 ? 2 ,即设 计比较低的隔振系统频率。如果系统干扰频率f比较低, 系统设计时很难达到 f / f0 ? 2 的要求,则必须通过增大隔 振系统阻尼的方法以抑制系统的振动响应。 此外,对于旋转机械如电动机等,在这些机械的启动和停 止过程中,其干扰频率是变化的,在这个过程中必然会出 现隔振系统频率与机器扰动频率一致的情形,为了避免系 统共振,设计这些设备的隔振系统时就必须考虑采用一定 的阻尼以限制共振区附近的振动。 通常隔振器的阻尼比ζ在2~20%,钢制弹簧ζ1%,纤维垫 ζ=2~5% ,合成橡胶ζ20% 。 本 讲 内 容 5.1.3 隔振元件选择与设计 表 常见机械设备的扰动频率 设备类型 风机类 电机类 齿轮 轴承 变压器 压缩机 内燃机 振动基频( Hz ) 1. 轴的转数 2. 轴的转数×叶片数 1. 轴的转数 2. 轴的转数×电机极数 轴的转数×齿数 轴的转数×滚珠数/2 (轴转 2 圈, 滚珠转 1 圈) 交流电频率× 2 轴的转数 1. 轴的转数 2. 轴的转数×发动机缸数 本 讲 内 容 5.2 阻尼减振技术 振动中知道阻尼对于系统的振动响应有重要影响。适 当增加系统的阻尼,是振动控制的一种重要手段。增 加系统中阻尼的方法很多,如采用高阻尼材料制造零 件、选用阻尼好的结构形式、在系统中附加阻尼、增 加运动件的相对摩擦、在振动系统中安装专门的阻尼 器等等。目前,阻尼减振技术已发展成一门专门技术, 在工程领域等到广泛地应用,涉及的内容十分丰富, 本节简要介绍其基本原理和主要技术。 本 讲 内 容 5.2.1 阻尼的概念 1. 阻尼的定义: 阻尼是指系统损耗能量的能力。 从减振的角度看,就是将机械振动的能量转变成热能或其它可 以损耗的能量,从而达到减振的目的。阻尼技术就是充分运用 阻尼耗能的一般规律,从材料、工艺、设计等各项技术问题上 发挥阻尼在减振方面的潜力,以提高机械结构的抗振性、降低 机械产品的振动、增强机械与机械系统的动态稳定性。 2. 阻尼的作用主要有: (1) 阻尼有助于降低机械结构的共振振幅,从而避免结构因动应力 达到极限所造成的破坏。 (2) 阻尼有助于机械系统受到瞬态冲击后,很快恢复到稳定状态。 (3) 阻尼有助于减少因机械振动所产生的声辐射,降低机械噪声。 (4) 可以提高各类机床、仪器等的加工、测量和工作精度。 (5) 阻尼有助于降低结构传递振动的能力。 本 讲 内 容 5.2.1 阻尼的概念 3. 阻尼产生的机理:从工程应用的角度讲,阻尼的产生机理就是 将广义振动的能量转换成可以损耗的能量,从而抑制振动、冲 击、噪声。 从物理现象上区分,阻尼可以分为五类: (1)工程材料的内阻尼; (2)流体的粘滞阻尼; (3)接合面阻尼与库伦摩擦阻尼; (4)冲击 阻尼; (5)磁电效应阻尼。 材料阻尼的机理是:宏观上连续的材料会在微观上因应力或交变 应力的作用产生分子或晶界之间的位错运动、塑性滑移,产生 阻尼。在低应力状况下由材料的微观运动产生的阻尼耗能,称 为材料粘滞弹性,见图。 本 讲 内 容 5.2.2 阻尼材料 4. 阻尼材料: (1)粘弹类阻尼材料,应用广泛,主要分橡胶类和塑料类,一般以 胶片形式生产,使用时可用专用粘结剂将它贴在需要减振的结 构上。 (2)金属阻尼材料,由高分子树脂加入适量填料以及辅助材料配制 而成,是一种可涂覆在各种金属板状结构表面上,具有减振、 绝热和一定密封性能的特种涂料 。 (3)沥青型阻尼材料,以沥青为基材,并配入大量无机填料混合而 成,需要时再加入适量的塑料、树脂和橡胶等。 (4)复合型阻尼材料,在两块钢板或铝板之间夹有非常薄的粘弹性 高分子材料,就构成复合阻尼金属板材。金属板弯曲振动时, 通过高分子材料的剪切变形,发挥其阻尼特性,它不仅损耗因 子大,而且在常温或高温下均能保持良好的减振性能。 阻尼大小评价—损耗因子 ? (损耗因子) ? E (每周期时间损耗的能量 ) 2?E p (系统最大的弹性势能 ) 本 讲 内 容 5.2.3 阻尼结构 阻尼层 约束层 基板 本 讲 内 容 5.2.3 阻尼结构 本 讲 内 容 5.2.3 阻尼结构 。 本 讲 内 容 本 讲 内 容

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