隔振原理于隔振设计及应用-阻尼减振与阻尼材料以及工程

第七章隔振与阻尼减振第一节隔振原理一、振动的基本概念1.单自由度振动自由振动是振动系统在无外力作用下的振动形式。单自由度振动模型是最简单也是电子学用的振动模型，为了研究方便，把振动系统集成简化成3个参量进行研究：振动系统由质量块m、无质量的理想弹簧K和无质量的阻尼C组成，位于完全刚性的基础之上，质量块只能在垂直方向上运动，其模型如图所示。图1单自由度振动模型该振动系统的微分运动方程为：0KyyCym其解为：tjtjBeAety20020011)(－阻尼比，RRRKm02；0R－系统临界阻尼，KmR20；0－系统振动固有频率（角速度），mK0；A、B－与振动系统初始条件有关的常数。2.固有频率上式解式中的固有频率0是振动系统的一个重要参量，它是指振动刚体离开平衡位置后自由振动的频率，每个振动系统在每个自由度上都有一个固有振动频率。振动系统固有频率与振动刚体质量和弹簧刚度有关，单自由度自由振动的固有频率为：mkfn2120若已知振动系统的静态下沉度，即刚体压在弹簧上后弹簧的压缩量，则系统的固有频率为：5nf－弹簧静态下沉度。3.阻尼的效应上述解式说明阻尼比对振动系统的运动状态起到非常重要的影响：（1）0，即无阻尼时，解式变为：)cos()(0tAtyA－初始条件确定的最大位移；－初始条件确定的最大初始相位角。即此时系统振动不受任何阻力作用，一旦受某一初始力作用之后，将以恒定的振幅做简谐振动。（2）1，即系统阻尼小于临界时，解式变为：tAetyt201cos)(0上式说明，阻尼越大或系统固有频率越高，则振动衰减越快，其振动振幅随时间的衰减如图所示。图2欠阻尼振动（3）1，即系统阻尼等于临界阻尼时，解式为：ttBeAety00)(则振动系统无法形成周期性振动，而是以指数规律恢复到平衡位置，其振幅与时间关系如图所示。图3临界阻尼振动（4）1，即系统阻尼大于临界阻尼成为过阻尼，解式为：tjtjBeAety11200200)(此时振动系统也无法形成周期性振动，振幅呈指数单调衰减，如图所示。图4过阻尼振动。二、隔振原理隔振器之所以能起到隔振效果，是以弹性支承代替振源与地基之间的刚性连接，从而在一定频率范围内降低了从振动源传递到地基的激振力。振动设备通过隔振器与刚性地基连接，可简化为如图所示的受迫振动系统。由于设备的周期性转动而产生周期性的外力激发系统振动，其运动微分方程为：tFKyyCymcos0图5设备振动模型隔振器的效果一般用隔振传递比T来量化。当质量块受迫振动时，通过弹簧传递到基础的作用力与迫使质量块振动的驱动力的比值称为传递比T。传递比是表征隔振器隔振效果的物理量，传递比越小，则减振效果越好。对于单自由度振动，且振动驱动力为简谐力，则得222202121nnnTffffffTTTTT－通过隔振器传递给基础的力；0T－质量块受到的驱动力；nff－频率比，即驱动力频率与系统固有频率的比值。图6传递率与频率比的关系曲线由图可知，当n2时，1T，隔振器起到隔振的作用，传递率随频率的增加每倍频程衰减12dB。当n2时，1T，隔振器处在共振区域，隔振器会增大被隔振体的振幅。当n2时，传递率随着阻尼的增大而增大；当n2时传递率随着阻尼的增大而减小。但实际隔振系统中，基础的非刚性、被保护对象的非刚性以及隔振器的质量分布都会降低高频的隔振性能，导致高频传递率比理想隔振器的传递率大，并出现周期性峰值。考虑质量后的隔振模型如图7所示，此时隔振器具有连续分布质量、弹性和阻尼，其传递率曲线如图8所示。当隔振器长度与隔振器中传播的振动的1/2波长的整数倍具有可比性，即激振频率大于一定数值时，振动以弹性波的形式在其中传播，隔振器自身的质量会降低隔振器的隔振性能，这种被称为内部共振或驻波效应。此时，隔振器不再符合无质量假设，而应视为分布质量系统。由图8可见，内部共振显著增大高频的传递率，并使得传递率出现周期性峰值。隔振效果还可以用隔振效率来表示，隔振效率定义为：%100)1(TI隔振效率比振动传递系数更为直观，因而在实际隔振设计中通常都采用隔振效率描述隔振效果。第二节隔振设计及应用一、隔振设计从隔振原理可以看出，隔振效率主要跟振动源激励频率与系统固有频率之比、阻尼比有关。因此，隔振设计也主要围绕这几个参量进行。常规的隔振设计内容和程度如下。1.隔振要求的确定在进行隔振设计时，首先要明确隔振的要求，即隔振的标准。建筑物内设备振动对人的影响主要是由于设备振动传递到建筑物内而激发起的噪声，因而隔振要求主要与设备振动强度、建筑物内敏感点的位置与噪声允许材料、振动设备的安装位置、建筑结构等有关，需根据这些因素综合考虑确定所需隔振要求。表1列举了各类建筑和设备所需的振动传递比T的建议值，此建议值是行业内专家经过多年工程经验总结而来，可供设计时作为参考。表1各类建筑和设备所需的振动传递比的建议值A.安建筑用途区分隔离固体声要求建筑类别振动传递比T很高音乐厅、歌剧院、录音室、播音室、演播厅、会议室、声学实验室、电影院等0.01~0.05较高医院、旅馆、学校、高层公寓、住宅、图书馆等0.05~0.2一般办公室、多功能体育馆、餐厅、商店0.2~0.4较低要求工厂、地下室、车库、仓库等0.8~1.5B.按设备各类区分设备种类振动传递比T地下室、工厂等楼层建筑（2层以上）水泵功率≤3kW0.30.10功率3kW0.20.05往复式冷冻机10kW0.30.1510~40kW0.250.1040~110kW0.200.05密闭式冷冻设备0.300.10离心式冷冻机0.150.05空调调节设备0.300.20发电机0.200.10冷却塔0.300.15~0.20C.按设备功率区分设备功率/kW振动传递比T底层、一楼两层以上（重型结构）两层以上（轻型结构）≤4－0.500.104~100.500.250.0710~300.200.100.0530~750.100.050.02575~2200.050.030.0152.计算振动源扰力频率对于转动类设备，扰力频率f（或驱动频率）由设备的振动频率确定，其振动的基频一般即转动轴的转速，因此扰力频率f为60nf3.确定隔振系统的固有频率隔振系统的中由隔振系统的静态下沉度即刚体压在弹簧上后弹簧的压缩量求得：5nfHz隔振设计的一个原则即尽量降低隔振系统有固有频率。从隔振原理可看出，只有当扰力频率大于系统固有频率的2倍时，隔振系统才起到隔振的作用。系统固有频率越低，隔振效率越高。降低隔振系统固有频率的方法一般有两种：一是增加设备的重量M，通常可采用加混凝土基座（或称混凝土惰性块）的方法实现；二是减小隔振器的刚度K，即选择更柔软的隔振器，使得在同样荷载下产生更大的压缩量。通常尽量在振动设备下配置较大的混凝土惰性块，然后再在其下方设置隔振装置，如图9和10所示。采用这种构造有如下优点：（1）减少设备自身振动的振幅。由于增大了设备总质量，而设备激振力不变，因此可以降低设备振幅，对保护设备自身起到很大的改善作用。（2）降低机组重心，增加系统稳定性，确保设备的安全工作。（3）降低机组重量分布不均产生的偏心影响，从而使得各支撑点受力更均匀，增加系统稳定性。4.选择合适的隔振器确定好系统固有频率之后，即可根据隔振系统重量与所需压缩量计算隔振器的数量和刚度，以此选择合适的隔振器装置。一般来说，为达到隔振目的，隔振材料或隔振器应符合下列要求：（1）弹性性能优良，刚度低；（2）承载力大，强度高，阻尼适当；（3）耐久性好，性能稳定，不因外界温度、湿度等条件变化而引起性能发生较大变化。（4）抗酸、碱、油的侵蚀能力强；（5）取材容易；（6）加工制作和维修、更换方便。隔振器材和隔振器种类较多，各种类型隔振器有各自的性能特点，应根据需要对应选择合适的隔振器。常见的隔振设备见表2表2常见隔振设备隔振垫橡胶隔振垫玻璃纤维垫金属丝网隔振垫软木、毛毡、乳胶海绵等制成的隔振垫隔振器橡胶隔振器全金属隔振器（螺旋弹簧隔振器、蝶簧隔振器、板簧隔振器和钢丝绳隔振器空气弹簧弹性吊架（橡胶类、金属弹簧类或复合型）柔性接管可曲绕橡胶接头金属波纹管橡胶、帆布、塑料等柔性接头二、弹簧隔振器在隔振工程中，钢弹簧隔振器具有性能稳定、承载能力强、寿命长、抗环境污染能力强、计算可靠、固有频率低等优点，隔振中应用较多，并且已有定型产品。常用的为钢圆柱螺旋弹簧隔振器。钢弹簧隔振器应用非常广泛，从各种精密仪器隔振到数十吨的锻锤、数百吨重的铁路轨道隔振，甚至整个大楼的隔振，钢弹簧隔振器都可以取得满意的效果。钢弹簧隔振器的最大优点是固有频率低，通常其频率范围可以2~6Hz，因此其隔振效果非常好（特别是低频段），对低速旋转（转速小于800rpm）的设备更为有效。钢弹簧隔振器的另一个突出优点是可以进行非常精确的计算，在荷载范围内它的压缩量与负荷之间呈良好的线性关系，因此可准确计算，得到隔振系统的压缩量与固有频率。弹簧的设计方法非常成熟，可以根据需要设计出各式各样的隔振器满足各种要求。钢弹簧隔振器的缺点是阻尼很小，通常自身阻尼比约为0.001~0.05，因此，在通过固有频率区域时会产生剧烈的振动，此时应该与阻尼器同时使用。此外钢弹簧还存在高频失效的问题，根据内部质量共振原理，在激振频率大于一定数值时，振动以弹性波的形式在其中传播，无法获得应有的隔振效果。高频失效可以采取在弹簧隔振器的上下盖板垫、橡胶隔振垫、柔性减振材料的方法来解决。将一定数量的弹簧，以某种形式的外壳，通过预压螺栓组成一个整体，则形成弹簧隔振器。外壳按几何形状可分为圆形或矩形；构造可分封闭式、半封闭式或外露式等。弹簧隔振器的结构如图11所示。有时在弹簧隔振器下部或上部或上下部加一层邵氏硬度为40°~60°的橡胶板，其目的有两个：（1）减少弹簧隔振器高频短路和固体传声传递。（2）增加安装面摩擦力，阻止水平移动。将弹簧隔振器和阻尼结构组成一体，则组成阻尼弹簧隔振器。如图12所示为某公司研制并生产的大荷载黏滞性阻尼弹簧隔振器的几种结构形式。三、橡胶隔振器1.橡胶隔振器性能特点橡胶隔振器和橡胶隔振垫在隔振中应用极为广泛，其主要优点为：（1）可自由选取形状和尺寸，制造比较简单，可根据需要选择3个相互垂直方向的刚度；通过改变橡胶硬度、隔振器内外部结构可以大幅度改变隔振器的性能，以满足各种刚度的要求。（2）可使隔振系统的固有频率达到较低水平，通常可达到10~15Hz，并且具有较高的阻尼，对高频振动能量的吸收有很好的效果，通常可不需要再安装阻尼隔振器。（3）不会产生高频失效的现象，橡胶隔振器能使高频的结构噪声（也叫固体噪声）显著降低，通常能使得100~3200Hz频段内的结构噪声降低达20dB左右。（4）无论在拉、压、剪切和扭转受力情况下，变形都比较大。和金属弹簧隔振器相比，其主要缺点为：（1）其固有频率难以达到5Hz以下，因此对于低转速设备不适用。（2）其抗环境污染与抗温度变化能力较弱，容易受到日照、湿度、臭氧等环境影响，寿命较短。另外在长时间荷载作用下，会产生蠕变现象，不能长期接受较大应变。橡胶隔振器一般寿命为3~5年。2.橡胶隔振器类型根据受力方式，橡胶隔振器可分为压缩式（或称挤压式）、剪切式和压缩剪切复合式。压缩式一般承载能力大，多适用于荷载大或者安装空间小的场所。压缩式隔振器在形状结构上还可以做成各种形式，以适应安装条件的要求。压缩式橡胶隔振器如图13所示。剪切式隔振器如图14所示，这种隔振器单纯依靠橡胶受压时所产生的剪切力，不能承受很大的荷载而变形量较大，多用于轻负荷低转速的设备隔振上。其隔振效果好，但稳定性稍差。剪切挤压复合隔振器