理论力学基础-14.4减振与隔振

第四节 减振与隔振
一、减振与隔振的概念
    减振是工程上防止振动危害的主要手段。减振可分为主动减振和被动减振。主动减振是在设计时就考虑消除振源或减小振源的能量或频率，在精密仪器、航空航天设备、大唐轮发电机组及高速旋转机械中应用较多，但费用昂贵，普通工程机械中应用较少。被动减振有隔振和吸振等。隔振又可分为主动隔振和被动隔振。
    为了防止或限制振动带来的危害和影响，现代工程中采用了各种措施，归纳起来有以下几条原则：
1．减弱或消除振源（主动减振）
    这是一项积极的治本措施。如果振动的原因是由于转动部件的偏心所引起的，可以用提高动平衡精度的办法来减小不平衡的离心惯性力。对往复式机械如空气压缩机等也需要注意惯性力的平衡。
2．远离振源（被动隔振）
    这是一种消极的防护措施。如精密仪器或设备要尽可能远离具有大型动力机械、压力加工机械及振动机械的工厂或车间，以及运输繁忙的铁路、公路等。
3．提高机器本身的抗振能力（主动减振）
    衡量机器结构抗振能力的常用指标是动刚度，动刚度在数值上等于机器结构产生单位振幅所需的动态力。动刚度越大，则机器结构在动态力作用下的振动量越小。
4．避开共振区
    根据实际情况尽可能改变系统的固有频率（主动减振）或改变机器的工作转速（被动减振），使机器不在共振区内工作。
5．适当增加阻尼（阻尼吸振）
    阻尼吸收系统振动的能量，使自由振动的振幅迅速衰减，对于强迫振动的振幅有抑制作用，尤其在共振区内甚为显著。
6．动力吸振（被动吸振）
    对某些设备上的测量或监控仪表，采用在仪表下安装动吸振器的方法可稳定仪表的指针，提高测量精度。
7．采取隔振措施
    用具有弹性的隔振器，将振动的机器（振源）与地基隔离，以便减少振源通过地基影响周围的设备，这就是主动隔振或积极隔振；或将需要保护的精密设备与振动的地基隔离，使不受周围振源的影响，这就是被动隔振。
    下面介绍隔振的基本理论。
    被隔振的机器或设备与隔振器相比，可认为前者只有质量而不计弹性，后者是只有弹性和阻尼而不计质量，这样在只考虑单方向振动的情形下，可简化为单自由度隔振系统，如图14-16所示。图中m为机器或设备及底座的质量，k和c为隔振器的刚性系数和粘滞阻尼系数。

 

图14-16

    如图14-16a所示，主动隔振的振源是机器本身的干扰力 。如果机器直接安装在地基上，则传递到地基的动载荷的最大值等于干扰力的最大值F0。如果机器与地基间装有隔振器，机器的强迫振动方程为

其振幅

    这时机器通过隔振器传递到地基的动载荷为

令

    则动载荷FN可表示为

    被动隔振如图14-16b所示，此时机器所受的干扰力为

    这里 为基础的运动方程。
    这两种情况下定义机器传递到地基的动荷载的最大值FNmax与F0的比值K表示隔d的效果，称为隔振系数或力传递率。因此

因

则上式可d为

（14-34）

    当ζ=0时，K与频率比λ的关系为

（14-35）

    由式（14-34），对应于不同的阻尼比ζ，可得出一系列的K随λ变化的曲线如图14-17所示。

图14-17

由此可见：
(1)不论阻尼大小，欲得隔振效果，即K＜1，必须

即

    因此应采用刚性系数较低的隔振器或适当加大机器底座的质量。λ的值越大，隔振效果越好，在实际应用中常取λ=2.5~5。
(2)增大阻尼可减小机器经过共振区时的最大振幅，但在 时却使K增大，即隔振效果降低。因此阻尼的选择应权衡这两方面的得失。工程中ζ值一般选用0.02~0.1范围。
    对被动隔振，以机器经隔振后的振幅B与振源的振幅r的比值表示隔振效果，也称为隔振系数K，可求得与式（14-36）完全相同的公式。
二、隔振材料与减振器
    原则上，凡能支承运转设备动力荷载，又能产生弹性变形，并在卸载后能立即恢复原状的材料或元件均可作为隔振材料或减振器。下面介绍裰止こ讨凶畛Ｓ玫募跽裨件和材料。
1．钢弹簧
    钢弹簧的应用最为广泛，常见的有螺旋弹簧、锥形弹簧、圈弹簧、板片弹簧等。尤以螺旋弹簧在机器减振中多见。由于钢弹簧的静态压缩量 可以任意选择，系统共振频率可控制在很低的范围内，其缺点是阻尼特性差，容易传递高频振动，并在运转启动时转速通过共振频率会产生共振。为此，在应用中应附加阻尼措施。
2．钢丝绳减振器
    该类减振器能适应现代化产业1振动冲击和噪声控制技术的严格要求，是一种具有优良的振动和冲击性能的新型产品，可有效地降低结构噪声。具有多向弹性变形、非线性软化型刚度、使用与存储方便、重量轻等优点。
3．橡胶类减振器和隔振垫
    橡胶是一种较理想的弹性材料，以天然橡胶、丁氰或氯丁橡胶等尤好。板状或块条状实心橡胶受压变形量很小，必须经过加工成图14-18所示的肋状钻孔或凸台等方可增加受力时的变形量。若需更大的变形量，则可变更橡胶的受力方式。

图14-18

4．玻璃纤维板
    用酚醛树脂或聚醋酸乙烯胶合的玻璃纤维板（俗称冷藏板）也是一种隔振材料，可应用于负载不大的设备减振。其特点是隔振效果良好，有防火、防腐、施工方便、价格低廉的优点，材料来源广泛。另外，当材料受潮后，隔振效果稍受影响。
5．其它材料
    软木、毛毡、泡沫塑料、塑料气垫纸、矿渣棉毡、废橡胶、废金属丝等也可以作为隔振材料使用。但塑料制品易老化，性能随环境变化较大，除了作小设备、仪器等临时性的隔振措施外，工程中应用不多。
    隔振材料和减振器的工程应用是错综复杂的，必须根据实际情况因地制宜地选择各种隔振材料和减振器，并合理地进行结构布置，以便取得良好的隔振效果。
三、振动的阻尼
    现代车辆、船舶、飞机等交通工具的壳体，机器的护壁、风机的壳体以及使用金属板料制造的隔声罩、声屏障、通风管道等，为了减轻结构的重量都日趋轻薄，薄板受外力作用时将发生振动而辐射噪声。为了有效地抑制振动噪声，需要在薄板表面紧贴或喷涂一层或几层内摩擦大的材料b如沥青、软橡胶或其它高分子材料，这一措施称为阻尼减振，这类材料称为阻尼材料。
1．振动阻尼的原理
    阻尼材料所以能减弱振动，降低噪声的辐射，主要原因是它减弱了金属板中传播的弯曲波。即当机器或薄板发生弯曲振动时，振动能量迅速传递给紧贴在薄板上内摩擦耗损大的阻尼材料，于是引起薄板和阻尼层之间相互摩擦和错动，阻尼材料忽而受拉伸，忽而受压缩，将振动能量转化为热能被消耗。因此，在薄板上涂贴阻尼材料，不仅可以减弱共振时产生的强烈振动，还可以减低机器振动或撞击而产生的噪声。
2．阻尼材料的使用
    有的阻尼材料已预制成薄层，可直接用胶结剂贴在金属板上，另外还有将阻尼材料浆喷涂在金属板面上的。
    阻尼层与金属板的结合方式大体分两种，一种是将阻尼材料粘合或喷涂在金属板的表面，称为自由阻尼层，自由阻尼层又分为单面顾面自由阻尼层。另一种是将阻尼材料粘合在两层金属板的中间，称为约束阻尼层，如图14-19所示。当板面发生弯曲振动时，约束阻尼层受到交变的剪切应力，使振动能量转化为内摩擦的热能而消耗，从而使振动受到抑制，可减弱噪声的辐射，故又称为剪切型阻尼层。约束阻尼层随较自由阻尼层稍为复杂，但效果较好。在要求不太高的场合，通常采用自由阻尼层形式。

 

 

图14-19