新型滚子动力吸振器的分析与设计.pdf

4 重 型 机 械 2 0 1 0 N O 5 新技 术新设备 新 型滚子动力 吸振器 的分析 与设计 张小龙 ，李雨田，东亚斌，张晓钟 ( 西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要：建立了新型滚子动力吸振器的动力学模型，分析了系统的振动控制特性，研究了吸振器参数 的最优调整及系统各参数对振动控制效果的影响。结果表明，采用该滚子动力吸振器振动控制效果明显。 关键词 ：振动控制 ；动力吸振器 ；频率 中图分 类号 ：T P 3 9 1 7 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 1 1 9 6 X ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 0 4 0 4 An a ly s is a nd de s ig n o f ne w r o lle r d y na mic v ibr a t io n a bs o r b e r ZHANG Xia o l o n g，LI Yu t ia n， DONG Ya b i n， ZHANG Xia o z h o n g ( S ch o o l o f Me ch a n ica l E l e ct r ica l E n g in e e r i n g X ia n U n i v e r s i t y o f A r ch i t e ct u r e a n d T e ch n o l o g y ，X i a n 7 1 0 0 5 5 ，C h i n a ) Ab s t r a ct ：T h e co n s t r u ct io n o f d y n a mical mo d e l f o r n e w r o lle r d y n a mic v ib r a t io n a b s o r b e r is ma d e ，v ibr a t io n co n t r o l ch a r a ct e r is t i cs o f s y s t e m is a n a l y z e d a n d o p t i m a l p a r a m e t e r a d j u s t m e n t o f v ib r a t i o n a b s o r b e r a n d t h e i n fl u e n ce o f s y s t e m p a r a me t e r s o n v ib r a t io n co n t r o l e f f e ct a y e s t u d ie d T h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e a d o p t io n o f t h e r o lle r d y n a mic v ib r a t io n a b s o r b e r h a s e v id e n ce v ib r a t io n co n t r o l e f f e ct Ke y wo r d s ： v ib r a t io n co n t r o l； d y n a mic v ib r a t io n a b s o r b e r ； r o lle r 1 前言 振动在生 产生活 中广 泛存在 ，往往 是有害 的，需要控制在一定 的允许范围内。抑制振 动通 常采用消振、隔振 、吸振 、阻振和结构修改等方 式。当机械和结构由于受各种条件制约难以回避 共振时 ，如何通过简单的动力吸振器来减少振动 一 直是研究人员所关注的。动力吸振器( d y n a m ic v ib r a t io n a b s o r b e r )又称谐 调质 量阻尼 器 ( t u n e d m a s s d a m p e r ，T MD ) ，通过在受控主系统上 附加 吸振器 ，根据外激励 的特点和对主系统的控制要 求 ，调整 吸振器 的刚度、阻尼及 质量等 主要 参 数 ，以改变系统振动能量的分布与传递特性，从 而达到抑制主系统振动的目的。被动式动力 吸振 收稿 日期：2 0 1 0 0 5 2 7 ；修订 日期 ：2 0 1 0 0 71 5 作者简介 ：张小龙 ( 1 9 6 3一) ，男 ，西安建筑 科技大学 机 电工 程 学 院教授 研究方向 ：振动理论及应用 。 器以机械式结构为主，造价低 、可靠性高 ，且在 激励为窄带或响应为单个振型起作用时控制效果 明显 ，因此受到广泛关注 ，在工程、建筑等领域 的应用越来越广泛。 对动力吸振器的研究至今已有百年历史，最 早的动力吸振器是 1 9 0 2年安装在德 国大型邮船 上的防摇水箱 J 。文献 2 分析了调谐液体阻尼 器 ( T L D) 对建筑结构振动的控制效果 ，文献 3 提 出 了 内 置 横 向 挡 板 的 调 谐 液 体 阻 尼 器 ( T L D E B ) ，改善 了 T L D对建筑 物 的减 振效果。 文献 4 通过在结构的球形腔内设置球体 ，开发 了适用于管路及建筑物的新型吸振器 。 对于发生往复式振 动的机械设备 ，为 了降 低振动对设备 的影 响 ，减少 吸振器成本 ，简化 结构 ，本文设计 了一 种 由简单几何 圆弧面和 圆 柱形滚子组成 的吸振器 ，称为 圆柱滚 子型吸振 器( 以下简称滚子吸振器 ) ，本文通过对该 吸振 器的理论分析和数值计算 ，研究 了其 振动控制 2 0 1 0 N 0 5 重 型 机 械 5 特性 ，分析了主要参数 对吸振效果 的影 响及其 最优调整。 2 滚 子 吸 振 器 力 学 模 型 及 运 动 学 方程 如图 1所示 ，质量为 的振动 主体用 刚度 为 k的弹簧和阻尼 系数为 C的阻尼器 与机架 相 联 ，在振 动主体 上有半 径 为 的圆弧形 轨道 ， 其上安装有质量为 m、底 面半径为 r 、长度与圆 弧形轨道相适应的圆柱型滚子。 图 1 滚子 吸振器原理示意 图 系统平衡时 ，滚子处于圆弧型轨道最底端 ， 弹簧无伸长 ，以此位置为坐标原点建立图 2所示 的固定坐标 系 0一X Y ，当振 动主体受到简谐 力 F co s o t 的作用在水平 面做 往复振 动时 ，圆柱型 滚子在圆弧形轨道内往复摆动 ，广义坐标取为振 动主体的水平位移 及滚子吸振器绕中心 0 的角 位移 0 。 图 2 振 动体 及滚子减振装 置模型 振动主体 在受 到简谐力作用下处于一般 位置时 ，设滚子 中心在坐标系 0一X Y中的坐标 为 ( ，Y ) ，则 _ 假设滚子沿振动主体 的圆弧面轨道作无滑动 的纯滚动，设圆柱体从平衡位置 ( 即轨道 的最底 部位置) 开始滚动到图 3所示位置时 ，滚子滚动 的角度为 ，则 R O= r ( + ) ， = R- r ( 2 ) 图 3 滚子的纯滚动 系统的动能 包括振动体 的平动动能、圆柱 体的平动动能( ，Y两个方 向) 和转动动能 ，系 统的势能 包含 弹簧的弹性势能和滚子 的重力 势能 ，设系统的耗散函数为 V ，则 = 1三 + 1 m( 2 + y )+ ， = 寺 + ( 3 ) = c 三 + 1 c ( R ) 其中 ， =m r 2为滚子绕其几 何 中心 的转动惯 量 ；c 为滚子滚动 时的阻尼。利用拉格 朗 13方 程 ，得系统运动微分方程为 f ( M+， n ) 一， 孔 ( Rr ) s in O 0 + m( R r ) l 。 。 + + 。 主 ： F 。 。 m ( R - r ) c 0s + 寻 m ( R _ r ) z + m g ( R ( 4 ) l 一 ， iI l +。 R ： 根据数值计算结果 ，滚子在平衡位 置 0：0 附近作微小 振动 ，可设 0=0( ) ，取 s i n 0 0 ， co s 1 ，并略去 0( s ) 及其 以上量 级的小量 ， 式( 4 ) 变为 ，( + ， 孔 ) + ， n ( R r ) +c 童+ ： l c。 s J ，n ( R r ) + 3 m ( R 一 ， ) z + c R 2 + ( 5 ) 【 m g ( R- r ) 0 0 设方程 ( 5 ) 的解为 0 O c o s t o t U J 【 = ( + ) 、 则振动主体的振幅放大率 Z 6 为 ( ( 7 ) 式中，无量纲参数 A 、B 、C分别为 6 - 重 型 机 械 2 0 1 0 No 5 IrA 1 一 ) ， = 一 丢 ( 卜 ) ( A 叩 一 ) 一 2 一 ( 一 1 )A ， l c= ( 1 一 ) 一A n - ) 。 ( 8 ) 式中，&是大小为外激励力幅 F的静力作用时振 动主体弹簧的静变形 ， = F； 是振动主体固 有频率 = ； p是滚子吸振器的固有频率 ， p = 詈 ； 是 振 动 主 体 的 阻 尼 比 ， = ； 是滚子 吸振器的阻尼 比， = ； A是激励频率与振动主体固有频率 之 比，A= ；叼是振动主体的固有频率与滚子吸振器 的固 有频率比，叩= ； 是滚子吸振器、主体质量和 与主体质量之 比， = M +m 。 3 滚子 吸振器减振效果及参数优化 3 1 减 振效 果分 析 根据式 ( 7 ) 、( 8 ) ，无滚子吸振器 和有滚子 吸振器时振动主体 的振 幅放大率 曲线分别如 图 4 、5所示 。 图 4 无滚子吸振器时的振幅放大率 从 图4 、5系统 的振幅放大率可以看 出，滚 子吸振器确实可 以减 小系统在共振点 附近的振 动，同时滚子吸振器的阻尼 比 值不同时 ，振动 主体的减振效果并不相同。 Q =O 1 =O 0 8 =O 0 5 图 5 安装滚子吸振器的振 幅放 大率 如图 5所示 ，当滚子阻尼比 较小时 ，Z 8 , 出现两个峰值 ，且 Z 8 的峰值 随 的增大而减 小。若 再进一步增大 ，则振动主体 和滚子 吸振器 m之间相对运动越困难 ，这时 Z 6 仅出 现一个峰值 。数值计算还表明，图 5中出现不随 变化的两个定点 P和 Q。为了求 出该两定点的 频率 比A 、A 。 ，分别令式 ( 7 ) 中的 = 0和 一 。 。 时的振幅放大率 6 相 等，得出求 解定点频 率比值 的方程为 ( 2 +1 ) A 一 3 ( 叼 + ) A +3= 0 ( 9 ) 将解出的 A ，A 。的值代入下式 ，即可得两 点的振幅放大率。 Z 1 ( 1 0 ) 3 2 滚子吸振器的最佳参数调整 在振动主体参数一定的条件下 ，滚子的质量 m( 或无量纲量 ) 越大减振效果越好 ，但综合考 虑系统总质量( M+m) 与振动主体 的振幅降低程 度 ， 的选取要根据振动主体 的质量 M来适当确 定。为了能使振动主体的振幅在较大的频率范围 内尽可能的降低 ，利用定点性质 ，滚子吸振器的 其余参数 叼 ， ( 即 Rr ，c 的无量纲量) 的调整 可以考虑以下两个条件。 ( 1 )最佳频率。为了能在较大频率范围内尽 可能的降低振动主体的振幅 ，使两定点 P，Q的 振幅放大率相等 ，以调整 7 7 的值 。令 A ，A o点 的振幅放大率式( 1 0 ) 相等即 A ； + A 20 = 2 ( 1 1 ) 同时，A ； ，A 又是式( 1 0 ) 的两个根，由根 与系数 的关系及式( 1 1 ) ，可得 7 7 = ( 1 2 ) 7 7= 2 0 1 0 N0 5 重 型 机 械 7 将式( 1 2 ) 代人式( 9 ) ，得此 时两个定点 的频 考虑式( 9 ) 、( 1 2 ) 和( 1 3 ) ，得 率值为 = 2 1 ( 1 干 瓣 ) 此时 ，两个定点的振幅放大率为 ( 13 )(z - 1) ( 丽 一 ) 一 2 + (轧 + 4 )ff + l 1 ( 等 ) 当 =1 0 5时 ，可求得最优固有频率 比 “r = 1 0 4 1 ，此 时改变阻尼 比 所得到 的系统振幅放 大率曲线如图 6所示。 营0 5= 10 5 。 。 盛：i 图 6 满足最优频率条件 的振 幅放大率 ( 2 ) 最佳阻尼 比。在条件 ( 1 ) 的基础上 ，再 确定出最佳阻尼 比 ，就可以得到一条确定的振 幅放大率曲线 。为 了确定最佳 阻尼 ，使 P，Q 两点处的振幅放大率达到极大值 。即在频率 比由 式( 1 3 ) 确定 的定点处令 a ( Z 8 ) O A=0 。因式 ( 7 ) 是 A 的函数 ，所以该极大值条件可等价为 0 ( Z 6 ) O A = 0 ( 1 5 ) 为 了简化计算 ，将式( 7 ) 变形为 ( Z 6 ) = N D ( 1 6 ) 其中 N= 4 A 叼 +( A 叼 一1 ) D = ( 1 一 ) ( A 叼 1 ) 十 ( 一 1 ) A 叼 【 + 4 A r ( 1一 ) ( 1 7 ) 将式( 1 6 ) 代人式( 1 5 ) ，得 O N = 0 A D ( 1 8 ) d A 1 ( + 2 ) ( 2 0) = ( 一 1 ) ( 丽 + ) 一 + 2 + ( + 4 ) 1 ( + 2 ) 一 1 ( 2 1 ) 由式( 2 0 ) 、( 2 1 ) 得 。 ，即无论如何调整 都不能使定点 P和 Q的振幅 同时达到极大值 ， 作为近似这里选用其平均值作为最优阻尼比，即 ：垒监 ： ( 2 2 ) 2 钆 、 一 根据优化结果 ，当 ：1 0 5时 ，求得最优频 率 叼=1 0 4 1 ，最佳阻尼 比 =0 1 0 9 ，振动主体 的振幅放大率曲线如图7所示 。 V 图 7 满足两个优化条件 的振 幅放大率 4 滚子吸振器 的应用 冶金机械行业的管道设备在经长时间使用 出 现管道杂 物堵 塞对管道进行 冲洗时 ，会产 生振 动 ，造成支架松动、紧固不牢、增加管道维护费 用等问题 。本文所介绍的滚子吸振器可应用于冶 金机械行业管道的振动控制 ，图 8为在管道 中安 装滚子吸振器实例 ，通过滚子吸振器来抑制管道 所产生的振动。 r 1 8、 N 点 D f 1 黧 关 删式 5结 论0 ( ) 中 的 可 以 用 ( ) 替 换 ，得 一 一O N一 一 a A ( 1一 ) ( 1 9 ) ( ) 出了一种新型的圆柱型滚子吸振器。 ( 2 )建立了附加圆柱型滚子吸振器的弹簧 一 质 由式 ( 1 8 ) 计 算 出各偏 导数后代 入式 ( 1 9 ) ， ( 下转第 1 0页) 1 0 重 型 机 械 2 0 1 O N o 5 4 工作原理 5 结构特点 当反应堆压力容器上盖置于容器上平面后 ， 将带有支座的全 自动整体式双头螺柱拉伸机整体 吊到容器上方 ，使螺柱对准上盖的螺孔并降到上 盖后 ，操作双头螺柱旋转机器人，将双头螺柱逐 一 旋入容器螺孔 。完成后将支座撤出并使全 自动 整体式双头螺柱拉伸机落在容器上盖。然后 ，启 动高压液压站向所有涨紧缸注油，使油缸活塞向 上运动 ，并通过拉杆和反 向螺母将主螺柱拉伸 ， 这样在主螺母垫 圈与容器上盖 问产生一定 的间 隙 ，当达到预先设定值时停止供油。此时给主螺 母驱动器的移动气缸供气 ，使其靠近双头螺柱 ， 并与其啮合 ，再启动主螺母驱动器 ，带动主螺母 旋转 ，将主螺母锁 紧。然后将油缸高压腔卸荷 ， 同时迅速向低压腔供油 ，使油缸活塞迅速复位 。 再启动涨紧螺母驱动器，使涨紧螺母锁紧到拉杆 上。在主螺母驱动器上设置气缸 ，可使其传动齿 轮迅速啮合或脱开主螺母 ，实现主螺母锁紧或双 头螺柱的旋转 ；涨 紧缸上设置过行程保 护装置 ， 当行程超 过规定值时 ，液压 卸荷阀就会 自动 开 启 ，使压力油直接返 回油箱 ，达到保护油缸的 目 的；双头螺柱顶部设置螺柱拉伸量测量装置，用 于检测螺柱的实际拉伸量。 ( 上接第 7页) 图 8 滚子吸振器在管道中的应用 量 一阻尼系统的力学模型，进行了系统的理论分析 和数值计算，并分析了设计时参数的优化调整。结 果表明采用滚子吸振器对系统有良好的减振效果。 ( 3 )圆柱滚子型吸振器有结构简单、成本低 廉且减振效果明显 ，有较好的工程应用前景。 ( 1 )所有双头螺柱的拉伸 由液压缸完成。 ( 2 )所有螺母使用电动齿轮驱动。 ( 3 )所有双头螺柱的拉伸同步进行，各螺柱 受力均匀 ，避免螺柱过载 ，保证密封效果最佳。 ( 4 )整个系统参数实时记载，进行事故隐患 预判 断 。 ( 5 )所有双头螺柱完全 自动拆卸 ，减少设备 和人身事故 。 ( 6 )拉伸机整体一次性升降，便于维修 。 ( 7 )螺柱拆装时间短 ，放射剂量显著减少。 6 结束语 从某核电站的使用情况来看，该全 自动整体式 双头螺柱拉伸机遥控安装、拆除反应堆压力容器的 全部螺柱 ，打开全程需耗时 3 h ，闭合需耗时3 5 h ， 操作者不必长时间在反应堆内腔连续操作，避免受 到放射I 生 辐射或极大的减少了所受到的放射性辐射 剂量。证明这种拉伸机性能安全可靠，动作迅速， 完全满足现代核反应堆压力容器的要求。 参考文献 ： 1 褚福国，隋炳利，黄海英核反应堆压力容器螺柱 拉伸机设计初探 J 一重技术，2 0 0 1 ，