14-振动控制解析

返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动的被动控制技术隔振阻振工程实例减振器振动的主动控制技术振动控制返回首页TheoryofVibrationwithApplications研究振动的一个主要目的就是要进行振动控制，使机械结构能满足预期的性能指标要求。对复杂系统或结构的振动问题仅靠设计是难以彻底解决的，当产品制成后出现了不符合要求的振动，一个重要的方法就是采取减振措施。人们在各个工程领域中进行了大量的研究工作，包括振源、传递途径、系统或结构的动力学特性、减振措施等，这些都属于振动控制研究的范畴。振动控制返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制研究的范畴，其中减振、隔振的理论分析和试验研究工作占有很重要的地位。经典的减振措施主要包括减振、隔振与阻振三大部分。近年来，结构或系统的振动设计与修改已逐步成为振动控制的一个新的组成部分。振动控制分为两大类，一类是振动的被动控制，另一类则是把控制理论、电子计算机技术同机械振动理论与测试技术相结合形成了振动主动控制的新技术。振动控制返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动的被动控制技术振动控制振动的被动控制技术返回首页TheoryofVibrationwithApplications由以上两式可见，强迫振动的振幅取决于激励力幅值的大小、频率比、系统的阻尼、刚度。在此基础上，可得到控制振动振幅的主要因素。222)2()1(kFBncFkFB2max由单自由度受简谐激励的振动系统的分析，得强迫振动的振幅共振时有振动控制振动的被动控制技术返回首页TheoryofVibrationwithApplications1．降低干扰力幅值F如对旋转组件的机械进行动平衡处理，包括在动平衡机上及在现场进行动平衡处理以减小不平衡质量达到降低干扰力幅值.还可以利用专门的装置降低振动的幅值，如使用抗振器，柴油机使用的多摆式抗振器就可以用来控制好几阶干扰力矩.振动控制振动的被动控制技术返回首页TheoryofVibrationwithApplications2．改变干扰力的频率与系统固有频率之比使旋转机械的工作转数调开共振区，使系统处于非共振的振动区，以达到减小振幅的目的；一般情况下，机器转速的设计不可能随意变动，因此往往是通过改变结构的固有频率来降低振动幅值的。改变结构固有频率可通过改变刚度k或改变质量m来实现。振动控制振动的被动控制技术返回首页TheoryofVibrationwithApplications应该注意：利用改变系统的结构来达到控制危险振动有时是不现实的，因为部件的结构形式尚应满足其它性能的要求，而这些要求有一些是与减振相矛盾的。因此在设计新机械设备时，应进行全面优化设计，包括结构动态特性的优化，这也是最重要最根本的。对已投入运行的机械，或已经在使用着的机器，则应根据具体情况进行减振处理。3．在机械结构内增加阻尼力振动控制振动的被动控制技术返回首页TheoryofVibrationwithApplications隔振振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications积极隔振消极隔振振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications回转机械、锻压机械等在运转时会产生较大的振动，影响其周围的环境；有些精密机械、精密仪器又往往需要防止周围环境对它的影响。这两种情形都需要实行振动隔离，简称隔振。隔振可分为两类。一类是积极隔振，即用隔振器将振动着的机器与地基隔离开；另一类是消极隔振，即将需要保护的设备用隔振器与振动着的地基隔离开。这里说的隔振器是由一根弹簧和一个阻尼器组成的模型系统。在实际应用中隔振器通常选用合适的弹性材料及阻尼材料，如木材、橡胶、充气轮胎、沙子等等组成。振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications振源是机器本身。积极隔振是将振源隔离，防止或减小传递到地基上的动压力，从而抑制振源对周围环境的影响。积极隔振的效果用力传递率或隔振系数来衡量，定义为HHTa其中H和HT分别为隔振前后传递到地基上的力的幅值。在采取隔振措施前，机器传递到地基的最大动压力Smax=H。机器与地基之间装上隔振器。系统的受迫振动方程为)sin(tBxtHSsin激振力振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications此系统的受迫振动方程为)sin(tBx22)2()1(1kHB)cos()sin(tcBtkBxckxRFFD此时，机器通过弹簧、阻尼器传到地基上的动压力即F和R是相同频率，在相位上相差的简谐力。2π根据同频率振动合成的结果，得到传给地基的动压力的最大值22)()(cBkBHT2222)2()1()2(1HHT2222)2()1()2(1aHHTa2)2(1kB振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications振源来自地基的运动。消极隔振是将需要防振的物体与振源隔离，防止或减小地基运动对物体的影响。消极隔振的效果也用传递率表示，定义为bBaB为隔振后传到物体上的振动幅值b地基运动的振动幅值。地基为简谐运动tbysin2222)2()1()2(1bB2222)2()1()2(1bBa隔振后系统稳态响应的振幅为振动控制隔振返回首页TheoryofVibrationwithApplications位移传递率与力传递率具有完全相同的形式。a当＞时，＜1，才有隔振效果，而且值越大，越小，隔振效果越好。aa因此，通常将选在2.5至5的范围内。另外＞以后，增加阻尼反而使隔振效果变坏。2为了取得较好的隔振效果，系统应当具有较低的固有频率和较小的阻尼。不过阻尼也不能太小，否则振动系统在通过共振区时会产生较大的振动。振动控制隔振2返回首页TheoryofVibrationwithApplications阻振振动控制阻振返回首页TheoryofVibrationwithApplications阻振方法是采用阻尼减振方法的简称，即用附加的子系统连接于需要减振的结构或系统以消耗振动能量，从而达到控制振动水平的目的。阻尼减振技术能降低结构或系统在共振频率附近的动响应和宽带随机激励下响应的均方根值，以及消除由于自激振动而出现的动不稳定现象。阻尼减振有两种方式，一类是非材料阻尼，如各种成型的阻尼器，另一类是材料阻尼，如各种粘弹性阻尼材料以及复合材料等。振动控制阻振返回首页TheoryofVibrationwithApplications目前粘贴在结构上的自由阻尼层和约束阻尼层应用很广泛。前者利用拉伸变形来消耗振动能量，后者则利用剪切变形来消耗振动能量。尤其是多层约束阻尼层，往往较之前种方法更为有效。如美国F-4战斗机的武器发射装置的中央腹板由于宽带激励下的多模态共振而迅速破坏。粘贴了多层约束阻尼层后，由于在其工作温度条件下的多个模态上都提供了一定的损耗因子，解决了这种振动疲劳造成的破坏问题振动控制阻振返回首页TheoryofVibrationwithApplications复合材料由于它具有重量轻、刚度大、强度高的优点已被广泛地应用于各个工业部门，尤其是在航空航天工业中得到了广泛的应用。基底材料的粘弹性能对纤维增强的复合材料有可能提供一定的内阻。对于较大的纤维阻尼，长纤维能够提供最佳的内阻。另外，对于一些具有小阻尼的结构，当难以安装阻尼器时，利用连接处的干摩擦也可以有效地减振。振动控制阻振返回首页TheoryofVibrationwithApplications工程实例振动控制工程实例返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例某特种车在2500公里出厂磨合试验结束后进行取力检查时，发现分动器的取力器不工作；检查气缸端盖时，发现两根M10×180螺栓在距离六角螺帽与端盖接合面约166mm处的螺纹部分断裂。分动器该处两只M10×180螺栓断裂现象曾经在2001年3月首台特种车出厂试验时出现过，当时通知MAN公司派人带来螺栓更换断裂的螺栓，MAN公司对螺栓断裂原因分析认为属偶然现象。实例一、分动器的取力器螺栓断裂返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例分动器在车上的布置图（左为前进方向）返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例G2500-2分动器在车上的布置如图所示。取力器通过8个螺栓连接到分动器壳体上，编号1螺栓规格为M10×125（只用于连接气缸盖）；编号2、9螺栓规格为M10×180；编号3、4、6、7、8螺栓规格为M10×105；编号5螺栓规格为M10×70。断裂的编号2、9螺栓均在长约166mm处的螺纹根部断裂，取力器与分动器结合面到编号2、9螺栓拧紧面距离约167mm，这两只螺栓将取力器的三段壳体连接到分动器壳体上。返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例根据强迫振动理论，利用应变电测技术、振动测试技术、信号处理与模态分析技术对特种车的分动器取离器气缸端盖的长螺栓断裂事故进行了分析，发现螺栓断裂性质为双向弯曲疲劳断裂。其主要原因是传动系统工作所产生的激励，经过分动器结构的传递，导致螺栓一阶弯曲共振。传动系统工作时，螺栓受到比较明显的1000~1500Hz频带的振动激励。原装螺栓的一阶弯曲频率在此频带范围内，并且阻尼比很小（0.67%），共振放大效应显著，导致螺栓产生的弯曲共振响应较大，螺纹连接处受到较大的弯曲动应力作用，使得螺纹连接处的疲劳寿命较低。返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例三种解决方案：1、原装螺栓改为双头螺柱2、双头螺柱上加装O型圈3、采用密封胶代替原来的纸质密封圈返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例将原装螺栓改为双头螺柱后，一阶弯曲频率仍在1000~1500Hz频带范围内，但使得模态阻尼比有较大提高（≥3.7%），减小了共振放大效应，估计可使螺纹连接处的弯曲动应力降低一半以上，大幅度提高了螺纹连接处的疲劳寿命。双头螺柱上加装O型圈后，对一阶弯曲频率改变不明显，但模态阻尼比有进一步提高（典型值为5%），可进一步提高螺纹联接处的疲劳寿命。但需要在工艺上解决保证O型圈在安装过程中不被损坏的问题。采用密封胶代替原来的纸质密封圈后，原来状态下呈现连接弱刚度的822Hz一阶弯曲模态已不存在，一阶弯曲模态频率为674Hz，而且阻尼比较大（14.1%），不会与螺栓产生耦合。返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例松拉金成组叶片动应力分析返回首页TheoryofVibrationwithApplications振动控制工程实例1234563000r/min时的进气边动应力1.h=111.342.h=122.013.h=132.694.h=101.645.h=91.946.h=82.563000r/min时的出气边动应力1.h=111.342.h=122.013.h=132.694.h=101.645.h=91.946.h=82.561234563000r/min时进气边最大动应力为21.9MPa，而相应的单叶片最大动应力为95.5MPa，两者比值为0.23，最大动应力降低了4倍多；3000r/min时的进气边最大动应力为19.4MPa，而相应的单叶片最大动应力为101MPa，两者比值为0.19，最大动应力降低了5倍多。返回首页TheoryofVibrationwit