隔振原理及机械设备的隔振方法

隔振原理及隔振器、隔振原件与隔振材料的性能和选择本章内容隔振原理及机械设备的隔振方法隔振器、隔振元件与隔振材料的分类及主要性能隔振器、隔振元件与隔振材料的选用单双层隔振与浮筏隔振隔振原理及机械设备的隔振方法积极隔振与消极隔振振动传递率与隔振效率隔振系统中控制振动的三个基本因素冲击隔离机械设备振动隔离设计要点积极隔振与消极隔振一般采取以下措施来防止或减弱有害的机械振动：消除或减小振源，切断及抑制从振源向外界的振动传递；防止振动物体或结构的共振。中间一项就是振动隔离的问题。振动隔离的目的是：防止机器设备的振动对建筑结构及环境的影响；防止建筑结构或基础的振动对机器设备的影响。前者为积极隔振，后者为消极隔振。振动隔离的实例振动隔离的实例不胜枚举，属于前者的还有动力机械、机械加工设备及破碎机械的振动隔风；属于后者的还有精密加工设备－如刻线机、高精度数控机床及电子分析仪器等的弹性支承；车辆的支承装置是为了减少因轨道路面不平而引起的车轮振动向车身传递也属于消极隔振之列。积极隔振与消极隔振的力学模型图1－1积极隔振与消极隔振的力学模型a)积极隔振b)消极隔振振动传递率与隔振效率图1—1a示出了质量为M、刚度为k、粘性阻尼系数为c的单自由度振动系统(积极隔振)，当外力——这是单一频率的周期激励力、角速度为、振动力的频率为－垂直作用在物体M上，基础同时也受到弹簧力及阻尼力，物体同样也受到弹簧力及阻尼力，物体按一定的规律运动。把基础所受到的弹簧力及阻尼力的合力与作用在物体上的外力相比，这个比值称为振动传递率，用式(1—1)表示：（1－1）)cos(0tF)/1(s)(2HzrF0FaT0||FFTTa振动传递率与隔振效率振动传递率的含义是：传到基础上的力是原振动力的百分之几。如果物体直接固定在基础上，那么振动力就全部传到基础上，此时。所以，只有当小于1时，才有隔振效果。振动传递率与隔振效率有时还可以用隔振效率来表示隔振效果，可用式（1－2）计算：（1－2）隔振效率的实际含义是：振动力被隔离掉百分之几。一般说振动传递率的概念用得较多，因为振动传递率曲线非常形象地说明了系统隔振好坏程度与某些参数的关系。)%1(00aTTFFF振动传递率与隔振效率表1－1振动传递率和隔振效率的关系振动传递率与隔振效率对于小阻尼系统，例如钢弹簧的支承系统，其振动传递率可用式（1－3）计算：（1－3）对于粘性阻尼系统，如橡胶隔振器支承系统，其振动传递率可用式(1—4)计算：（1－4）1)/(120ffTa202220202)/(4])/(1[)/(41ffffffTa振动传递率与隔振效率从式(1—3)及(1—4)可以看出，振动传递率与频率比()及阻尼比（）有关，三者关系可画成如图1—2所示的曲线由图1—2可知：当＝1时，传递率为极大，此时整个隔振系统处于危险的共振状态；当＝时，传递率＝1，此时隔振系统无隔振效果，但传递力也不放大；当＞，传递率＜l，有一定的隔振效果，振动传递率可按式(1—4)计算或从图1—2查出。aT0/ff0/ff0/ff20/ffaTaT2图1－2振动传递率曲线振动传递率与隔振效率因此，要使隔振系统有效果，必须使＞。一般的处理方法是取为2.5～4.5，也就是说要获得满意的隔振效果，应该使隔振支承系统的固有频率为振动力频率的。0/ff25.41~5.21阻尼的作用在振动力的作用下，物体振动的垂向振幅可由式（1－5）计算：（1－5）阻尼的作用在振动传递率曲线上看得很清楚，在共振区内，阻尼可以抑制传递率的幅值，使物体的振幅也不至于过大在非共振区，当＞时，阻尼反而使传递率增大。0F0x20222000)/(4])/(1[ffffkFx0/ff2消极隔振对于消极隔振，如图1—1b所示，可用隔振系数表示其隔振效果，它的含义是被隔离的物体振幅与基础振幅之比，(或是振动速度幅值、加速度幅值的比值)用式(1—6)计算：（1－6）式中——物体的垂向振幅(cm)；——基础的垂向振幅(cm)。消极隔振系数与积极隔振的振动传递率表达式完全一样。pT20222020200)/(4])/(1[)/(41ffffffUxTp0x0U对于消极隔振与积极隔振，都应强调以下几点：当时，发生共振，应力求避免；不论阻尼大小，只有，才有隔振效果；一般情况下，建议把取为2.5～4.5。对于大型的或重要的设备以及有特殊要求的情况，可按六个自由度计算，请参考有关专著。对于涉及随机过程的随机振动的隔离，本书未予讨论。1/0ff0/2ff0/ff隔振系统中控制振动的三个基本因素隔振系统中控制振动及其传递的三个基本因素是：弹簧或隔振器的刚度、被隔离物体质量及系统支承的阻尼。它们各自的影响简述如下：刚度——隔振器的刚度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。必须指出的是，对于一个设计正确的隔振系统，支承的刚度计算最重要，但弹簧及隔振器的刚度对物体振幅的影响不大。质量——被隔离物体的质量M使支承系统保持相对静止，物体质量越大，在确定振动力作用下物体振动越小。增大质量还包括增大隔振底座的面积，以增大物体的惯性矩，可减小物体的摇晃。但质量的增加并不能减小传递率。阻尼——隔振系统的支承阻尼有以下的作用：在共振区减小共振峰，抑制共振振幅；减弱高频区物体的振动，在隔振区为系统提供了一个使弹簧短路的附加连接，从而提高了支承的刚度，使传递率增大。因此阻尼的作用有利也有弊，设计时应特别注意．冲击隔离和周期性激励力的振动隔离相似，对于脉冲冲击也可以考虑隔离，也分为积极的与消极的两类。积极的冲击隔离是隔离段压机、冲床及其它具有脉冲冲击力的机械，以减少其对环境的影响；消极的冲击隔离是隔离基础的脉冲冲击、使安装基础上的电子仪器及精密设备能正常工作，舰船上的设备为了防止因爆炸引起的强烈冲击而设计的隔离系统显然也属此列。图1—3为单自由度冲击隔离系统的力学模型示意图。冲击隔离与缓冲是有区别的，缓冲是让缓冲材料介于相互碰撞的物体之间，使碰撞的冲击力要比直接碰撞低，如汽车缓冲器，飞机着陆架等。冲击隔离与振动隔离在性质上是有区别的，但也有一定的相似之处。有些设备的隔振系统或有些隔振器同时具有隔振和防冲击的作用。冲击隔离图1－3单自由度冲击隔离系统的力学模型a)积极的隔冲系统b)消极的隔冲系统积极的冲击隔离积极的冲击隔离如图1—3a所示，其中脉冲冲击力P的数学表达式如下：（1－7）可假定系统的初始条件（1－8）物体的位移（t0）及速度可用式（1－9）、（1－10）表达：（1－9）（1－10）()(-tt0)0(t-t,t0)PtP0002(0:0,)ftxxv00()tPtvdtM020020sin(1)1tvtxe02002cos(1)1tvtxe积极的冲击隔离传给基础的最大扰动力可用式(1－11)计算，最大扰动力时的传递率(定义与振动隔离的传递率类似)用式(1—12)计算：（1－11）（1－12）由上可见，冲击传递率与系统的固有频率成正比，也就是系统的固有频率越小，传递率越小；隔离支承的阻尼是有一定作用的，阻尼越大、传递率越小。max00tFMv00atTe消极的冲击隔离消极的冲击隔离如图1—3b所示，基础的脉冲位移由式(1—13)表达：（1－13）物体的初始速度由式(1—14)表达：（1－14）物体的位移与式（1－9）相同，隔离系数与式（1－12）相同。消极的冲击隔离和积极的冲击隔离的隔离原理是相同的，为了达到一定的隔离效果，须选择较软的弹性支承并增大系统的支承阻尼性能。()(-tt0)0(t-t,0t)UtU0v0200()tvUtdt机械设备振动隔离设计要点一般机械设备的隔振支承的设计，可按一个自由度的情况计算，也就是只计算一个方向的振动与传递，而不必象设计重型机械或精密设备那样按六个自由度计算。本节扼要介绍机械设备振动隔离的设计要点：扰动力分析首先要分清是积极隔振还是消极隔振。如果是积极隔振，则要调查或分析机械设备最强烈的扰动力或力矩的方向、频率及幅值，如果是消极隔振，则要调查所在环境的振动优势频率、基础的振幅及方向。隔振系统的固有频率与传递率(隔振效率)隔振系统的固有频率应根据设计要求，由所需的振动传递率或隔振效率来确定，各类机器在不同场合时振动传递率推荐值可参考表1—2。对于消极隔振，可根据设备对振动的具体要求及环境振动的恶劣程度确定消极隔振系数。表1－2机械设备隔振系统振动传递率的推荐值（右图）aT机械设备振动隔离设计要点机组的允许振动精密的设备及机器，其允许振动的指标在出厂说明书或技术要求中可以查到．这是保证设备正常运转的必要条件，应在设计支承时给以确保。一般机械隔振后机组的允许振动，推荐用10mm／s的振动速度为控制值，对于小型机器可用6．3mm／s的振动速度为控制值。因为机器隔振之后，其振幅或振速可能要超过没有隔振的情况，也就是超过机器直接固定在基础上的情况。对于消极隔振，应按设备的振动要求来设计隔振系统，请特别注意分清设备给定的允许振动是用振速还是用振幅表示的，因为二者的处理方法是不一样的。附加质量块一般机械的隔振系统设计，往往是将发动机与工作机器共同安装在一个有足够刚度和质量的隔振底座上，隔振底座的质量就称为附加质量块，这个附加质量块的重量一般为机组重量的若干倍。采用附加质量块有以下好处：使隔振器受力均匀，设备振幅得到控制；减少因机器设备重心位置的计算误差所产生的不利影响；使系统重心位置降低增加系统的稳定性；提高系统的刚度，减少其它外力引起的设备倾斜；防止机器通过共振转速时的振幅过大；作为—个局部能量吸收器以防止噪声直接传给基础。机械设备振动隔离设计要点对于各种机器隔振系统的附加质量块的重量与机组重量的比像可采用表1—3内的推荐值，对于支承在楼板上的机器，可采用推荐值的下限，对于支承在地面上的机器，应尽可能取上限。表1－3附加质量块与机组重量比值的推荐范围隔振元件的布置隔振元件的选择起动与停车其它部件的柔性联接与固定总之，隔振系统的正确设计，不仅需要正确的振动隔离理论，而且也需要机械方面的综合知识及经验。本章内容隔振原理及机械设备的隔振方法隔振器、隔振元件与隔振材料的分类及主要性能隔振器、隔振元件与隔振材料的选用单双层隔振与浮筏隔振隔振器、隔振元件与隔振材料的分类及主要性能从理论上说，凡是具有弹性的材料均能作为隔振元件，但在实际工程应用上受到很多条件的限制，例如能否大量供应，性能是否稳定，使用寿命长短以及是否具有防水、防油、防火性能等。兹将目前国内大量使用的隔振元件和隔振材料介绍如下。隔振器隔振垫管道柔性接管其它隔振元件隔振元件的选择隔振器最常用的隔振器可分为：金属弹簧隔振器、橡胶隔振器、金属丝网隔振器、金属弹簧、橡胶复合隔振器以及空气弹簧隔振器等。金属弹簧隔振器金属弹簧隔振器是目前国内应用最广泛的隔振器，其作为隔振支承元件使用时，有以下几方面的性能及优点：适用频率范围为1.5Hz～5Hz；弹簧的动、静刚度的计算值与实测值基本一致，而且受到长期大载荷作用也不易产生松弛现象，性能稳定；耐高温、耐低温、耐油、耐腐蚀、不老化，寿命长；价格较便宜，不用经常更换；可适应各种不同要求的弹性支承，即可制成压缩型也可制成悬吊型。同时，也存在以下缺点：阻尼性能差，但有的型号隔振器已对弹簧作了适当的处理，使其阻尼性能得到一定的改善；高频振动的隔离效果差，隔声效果亦差，但它与橡胶隔振垫串联放置使用性能有所改善；在制造中需要严密的热处理工艺。图1－4各类金属弹簧隔振器示意图:a)钢丝绳螺旋弹簧b)蝶形弹簧c)螺旋柱簧d)板簧e)螺旋拉簧f)螺旋板簧g)折板簧h)螺旋锥簧i)不锈钢钢丝绳弹簧隔振器橡胶隔振器橡胶隔振器具有以下的性能及优点：适用频率范围为4Hz一15Hz；橡胶隔振器不仅在轴向，而且在横