工程振动分析与控制基础 第2版 课件 第7、8章 隔震技术、动力吸振技术

《工程振动分析与控制基础》第7章隔震技术第7

章隔震技术7.1引言7.2隔震原理7.3隔振特性7.4基础阻抗对隔振效果的影响7.5隔振器7.6隔振系统7.7应用与研究进展7.8工程应用实例23145677.1引言

7.1引言

作为阻隔振源与需要防振的设备之间振动能量传输路径的一门有效的振动控制技术,隔振(VibrationIsolation)技术在工程中的应用极为广泛,几乎任何工作在动载荷环境下的装备、产品或结构(如航天和航空飞行器、船舶与离岸设备、车辆、回转机械、机床、精密平台、电子产品、桥梁与建筑物等)均需采用隔振技术进行振动抑制,以保证它们的正常使用与运转本章将以单自由度系统隔振为例,对该技术中涉及的隔振原理、隔振特性、基础阻抗对隔振效果的影响予以介绍,并对常用的隔振器以及隔振系统等进行概述,同时给出隔振技术的应用与研究进展以及工程应用实例。而关于减振技术,将在随后几章中陆续介绍21345677.2隔震原理7.2.1积极隔振为了降低振源对基础上需要防振设备的影响,用隔振器将其与基础隔离开来,以减小传递给基础的力,这种隔振方式通常称为积极隔振图7-2刚性基础单自由度积极隔振系统模型7.2.2消极隔振对于需要防振的设备,为了降低基础振动对它的影响,用隔振器将基础与其隔离开来,以减小基础传递给它的振动,这种隔振方式通常称为消极隔振图7-3单自由度消极隔振系统模型21345677.3隔振特性7.3隔振特性单自由度隔振系统的隔振特性可由传递比随系统各参数的变化规律得到。为此,以频率比λ为横坐标,传递比TR为纵坐标,黏性阻尼比ζ为参变数,将式(7-3)或式(7-5)绘成图7-4所示的曲线图,可以清楚地看出:1)在λ>的区域内,TR<1,这就是隔振区2)在λ<的区域内,TR>1,不但没有隔振效果,隔振器反而把振动放大事实上,对于双级隔振系统来说,在满足一定的条件下,增加阻尼不仅可以有效降低共振峰,而且可以改善隔振效果21345677.4基础阻抗对隔振效果的影响7.4基础阻抗对隔振效果的影响前面在推导单自由度积极隔振系统的传递比公式(7-2)时,假定基础是刚性基础,即阻抗为无穷大，但在工程实际中,基础结构往往不可能绝对刚性(如机床床身、运载车辆车身等),这时利用式(7-2)会产生较大的计算误差。因此,有必要在隔振性能评价中考虑基础阻抗,并讨论基础阻抗对隔振效果的影响图7-5柔性基础单自由度积极隔振系统模型21345677.5隔振器7.5.1钢弹簧隔振器基钢弹簧隔振器是最常用的一种隔振器,其主要构件可分为螺旋弹簧、板簧和碟簧三种图7-10钢弹簧隔振器7.5.2橡胶隔振器橡胶隔振器也是工程上常用的一种隔振装置,一般由约束面(通常和金属相连接)与自由面构成。根据受力情况,这类隔振器可分为拉压型、剪切型、拉压-剪切复合型等图7-11几种橡胶隔振器示意图7.5.3橡胶空气弹簧橡胶空气弹簧简称空气弹簧,俗称“气囊”,主要由胶囊(可多层)和装配结构件(如盖板、腰环等)组成空气弹簧具有如下特点:1)弹簧高度、承载能力和弹簧刚度可任意调节2)固有频率低3)具有黏性阻尼作用4)使用寿命长5)本体结构柔软,因此具有轴向、横向和旋转方向的综合隔振作用6)安装、更换方便,维护保养简单,无须经常检修图7-12橡胶空气弹簧结构7.5.4钢丝绳隔振器钢丝绳隔振器是由不锈钢钢丝绳穿绕在上、下两块夹板间,分别固定上、下部的两块夹板后,利用钢丝绳的弯曲而实现隔振功能的一种隔振器它的刚度与阻尼取决于钢丝绳的直径、股绳数量、缠绕圈数以及钢丝绳被夹持的方式等钢丝绳隔振器的优点:①具有优良的隔振和抗冲击性能;②利用钢丝之间的摩擦和变形产生的非线性阻尼,可以大幅度吸收振动能量;③渐软的刚度特性使得设备承受振动负载时,隔振器的变形小,而当遇到突发冲击时,又可以产生大变形,保证设备的正常工作;④可以在拉、压、剪、悬挂等多种受力状态下使用,具有三维隔振作用;⑤兼顾了隔振、缓冲、降低结构噪声的三大功能;⑥特有的绳结构,抑制了金属隔振器通常很难避免的高频驻波效应;⑦具有明显的非线性特性,在抗冲击、被动隔振等方面具有优良的特性7.5.5金属橡胶隔振器金属橡胶材料是一种匀质的弹性多孔材料,是用特定的工艺方法将一定数量的呈螺旋状态的金属卷,经过拉伸展开并有序地排放在冲压模具中,然后用冲压的方法而成形的一种新型功能性隔振材料金属橡胶构件的制备工艺(见图7-18)主要包含以下步骤:1)选择金属丝2)绕制螺旋卷3)定螺距拉伸4)缠绕编织毛坯5)冲压成形6)后期处理图7-19金属橡胶构件与隔振器21345677.6隔振系统7.6.1单级隔振系统单自由度隔振系统属于典型的单级隔振系统,它是人们最早开始研究与应用的一种隔振系统,在工程领域有着广泛的应用其优点是结构简单、效果好、可靠性高,但缺点是不太适合低频重载设备的隔振但当激励频率较低时,隔振器的刚度就比较低,难以保证重载设备的安装精度和系统稳定性图7-21单级隔振系统的应用7.6.2双级隔振系统双级隔振系统(见图7-22)就是将上、下两级隔振器安装在振源设备与基础支承之间,并在两级隔振器之间插入一个中间质量块(即中间基座)双级隔振系统具有更好的隔振效果,而且在减振、降噪、稳定性等方面远远优于单级隔振系统,在船舶工程、能源与动力工程等领域的重载机组隔振方面有着良好的应用图7-22双级隔振系统的应用7.6.3浮筏隔振系统将多个设备通过上级隔振器安装在一个公共的筏架上,再通过下级隔振器安装在基础上,形成了一种特殊的新型双级隔振系统(见图7-25),即浮筏隔振系统,中间的公共筏架称为浮筏(FloatingRaft)图7-25浮筏隔振系统示意图21345677.7应用与研究进展7.7.1航天器隔振-11.卫星整星隔振技术图7-27所示的IPAF隔振系统,主要用来隔离25~35Hz频率范围内的横向振动。该系统由上层环、下层环、支柱、航天器衬垫和阻尼器五部分组成,其中四个阻尼器沿横向安装于上层环中图7-27

IPAF隔振系统7.7.1航天器隔振-22.卫星在轨运行微振动隔离卫星在轨运行中,反作用飞轮、低温制冷压缩机、太阳帆板驱动机构和调姿陀螺等的正常工作往往容易引发星体结构产生宽频、小振幅振动(简称微振动),对其上的光学敏感设备的成像质量造成影响，目前解决这一问题的有效手段就是隔振技术,主要用于改善1Hz以上的结构振动及姿态抖动所引起的图像模糊图7-31卫星成像效果对比7.7.1航天器隔振-33.准零刚度隔振技术准零刚度隔振技术,也称正负刚度机构并联隔振技术,是一项新兴的超低频隔振技术，其基本思想是利用正刚度单元(即传统的被动隔振器,如金属弹簧或气囊等)与具有负刚度特性的单元(如欧拉压杆、倒立摆或永磁负刚度机构等)的并联组合,使系统具有高的静态刚度和极低的动态刚度图7-38

MinusK公司的超低频隔振器7.7.2舰船隔振在船舶工程领域,隔振技术也有着极其广泛的应用,尤其在舰艇隐身技术方面,已成为舰艇机械噪声控制的核心技术之一1.船用聚氨酯隔振器聚氨酯材料的特点是:①硬度范围更广,在邵氏A10到邵氏D80范围内,伸长率可达400%~800%;②具有高强度和伸长率,强度是橡胶的2~3倍;③伸长率随硬度增大而变小,但是变化比橡胶小;④撕裂强度比橡胶高,耐油性能优于丁腈橡胶,耐天然老化性能优于天然橡胶和其他合成橡胶,且具有一定的耐臭氧、耐辐射性能2.复合气囊与主被动混合隔振系统复合式气囊对诸如水下爆炸、海浪拍击、碰撞等各种各样的冲击都有极好的缓冲隔离作用,主要用于潜艇、水面舰船上的电子设备和其他高灵敏度设备的隔振21345677.8工程应用实例7.8.1纳米光刻机平台超低频隔振45nm光刻机需要VC-F甚至VC-G级的微振动环境,要求隔振系统固有频率低至1Hz。传统的隔振系统存在低固有频率与高承载力相矛盾的问题,为此,本例采用准零刚度隔振技术配合主动控制技术研制了一款超低频主动隔振器,如图7-42所示图7-42超低频主动隔振器示意图7.8.2光学遥感卫星微振动隔离光学遥感卫星(见图7-44)使用各种焦距的可见光照相机、红外照相机和多光谱照相机从宇宙空间对地球环境进行摄影,以取得大量有研究价值的地球照片和资料,具有十分重要的商业价值与军事意义。卫星在轨运行期间的微振动环境,往往对光学相机的成像质量产生影响图7-44光学遥感卫星7.8.3机载光电吊舱隔振机载光电吊舱(见图7-47)是航空侦察的主要设备,它是一种利用光电载荷对地面目标进行搜索、识别、定位与跟踪的航空探测监视系统,以获得高质量的图像。制约机载光电吊舱成像质量的主要因素是载机的振动图7-47机载光电吊舱7.8.4海洋平台隔振海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施,是海上生产作业的重要基地,长期处于恶劣的海洋环境中,受风、浪、流、海冰、地震等自然环境作用,在使用过程中存在明显持续不断的振动问题图7-51导管架式海洋平台阻尼隔离层示意图谢谢。《工程振动分析与控制基础》第8章动力吸振技术第8

章动力吸振技术8.1引言8.2无阻尼动力吸振器8.3有阻尼动力吸振器8.4应用与研究进展8.5工程应用实例23145678.1引言

8.1引言

机器设备受到激励而产生振动时,可以在设备上附加一个辅助系统(由辅助质量、弹性元件和阻尼元件组成)。当设备(主系统)振动时,这个辅助系统也随之振动,利用辅助系统的动力作用,使其施加到设备上的动力与激振力互相抵消,使得设备的振动得到抑制,这种振动控制技术称为动力吸振技术(又称动力减振技术),所附加的辅助系统称为动力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA),又称可调谐质量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)最具有代表性的应用是台北101摩天大楼上使用的动力吸振器,用来抵抗风致振动的影响21345678.2无阻尼动力吸振器8.2.1基本原理-1图8-2所示为无阻尼动力吸振系统的动力学模型,图中主系统的设备质量(主质量)为m1,激励力为F1ejωt,主系统的刚度为k1;动力吸振器的质量(辅助质量)为m2,刚度为k2原有主系统安装动力吸振器后,由一个单自由度系统变成了一个2自由度系统,其强迫振动的运动微分方程为:利用频响函数法求系统的稳态响应,易得系统的频响函数矩阵为图8-2无阻尼动力吸振系统的动力学模型8.2.1基本原理-2经计算整理后易得主质量和辅助质量的相对振幅分别为:从式(8-3)可看出,当α=λ时,A1=0,即主系统振幅为零,动力吸振器就是利用这一特性来消除主系统振动的。此时,主质量静止,外激励力仅仅使动力吸振器中的辅助质量产生振动,其最大振幅为:

A2=-F1A/k2(8-4)8.2.2设计要点在设计无阻尼动力吸振器时,应注意考虑以下问题:1)为了消除原有主系统的共振振幅,应使吸振器的固有频率ω2等于主系统的固有频率ω1,即α=1,则当λ=α=1时,由式(8-3a)可知主系统的共振振幅A1=0,即达到减振的目的。2)注意扩大吸振器的减振频带3)应考虑吸振器的振幅A2能否满足结构空间要求综上所述,无阻尼动力吸振器结构简单,元件少,减振效果好。但减振频带窄,主要适用于激振频率变化不大的情况21345678.3有阻尼动力吸振器8.3.1基本原理在上述无阻尼动力吸振器中,加入适当的阻尼,就构成了有阻尼动力吸振器。它除了具有动力吸振作用外,还可利用阻尼消耗振动能量,使得减振效果更好,还可使减振频带加宽,具有更广的适用范围图8-4所示为有阻尼动力吸振系统的动力学模型。与图8-1相比可知,辅助质量m2与主质量m1之间除了弹性元件k2外,还加入了阻尼元件c2,则相应的运动微分方程为:同样利用频响函数法可求得主质量和辅助质量的相对振幅分别为:式中,ζ=c2/(2)为吸振器的阻尼比,其他参数的含义同前8.3.2设计要点在设计有阻尼动力吸振器时,应注意以下两个问题1)为保证吸振器在整个频率范围内都有较好的减振效果,在设计吸振器参数时,应满足使P、Q两点的纵坐标相等且成为曲线上的最高点的条件(见图8-6)。为满足这一条件,最优的吸振器参数如下:2)为了保证减振效果达到预定的要求,在满足上述最佳参数的情况下,还应使P和Q两点纵坐标所对应的振幅小于允许的振幅,即图8-6安装有阻尼动力吸振器后主质量的幅频响应(μ=0.1,α=αopt,ζ=ζopt)21345678.4应用与研究进展8.4.1被动式动力吸振技术-11.轨道车辆动力吸振技术图8-9所示为国外研制的钢轨动力吸振器,能够有效地抑制钢轨的共振,降低轮轨噪声3dB图8-9钢轨动力吸振器8.4.1被动式动力吸振技术-22.直升机旋翼动力吸振技术减振技术一直是直升机型号发展中要解决的一个重要问题,也是伴随直升机诞生而来的一个技术难点,直升机设计阶段必须尽最大努力控制和降低振动水平目前,直升机上广泛采用的是被动式吸振技术,主要优点是对原结构、产品不做任何修改,可以作为选装件。被动式动力吸振器包括旋翼动力吸振器和机身常规动力吸振器直升机桨毂双线摆式动力吸振器的结构如图8-15所示,一般布置在相邻两片桨叶之间,支臂固定在桨毂上,用以吸收旋翼水平振动。其动力吸振原理是:当直升机旋翼旋转时,配重块就在销子上做纯滚动,产生离心力分量来平衡由旋翼产生的激振力,达到吸振的目的8.4.2主动式动力吸振技术-11.主动式动力吸振器主动式动力吸振器工作的过程中,吸振器会根据作用于主系统上外激励力的变化随时调整作动力大小,产生一个与外激励力大小相等但是方向相反的力作用在主系统上,从而尽可能地使主系统所受的力为零,以此减弱主系统的振动水平,实现振动控制的目的主动式动力吸振器由于能够快速准确地追踪主系统外激励力的变化,因而具有较好的宽频控制效果与良好的鲁棒性与减振量级主动式吸振技术的作动器需要较大的能量输入,以提供抵消受控对象的作用力,特别是在外激励频率与吸振频率有一定偏差时,其所需的能量输入将急剧上升,这会增加系统的负担,同时其稳定性也会受到影响,使得其应用受到限制8.4.2主动式动力吸振技术-22.半主动式动力吸振器半主动式动力吸振技术通过在主系统上