减振与隔振及方法

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、大型汽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力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，使之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1所示。图1a)主动隔振和b)被动隔振图中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。如图1所示，主动隔振的振源是机器本身的干扰力𝐹𝐹=𝐹𝐹0𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝜔𝜔𝜔𝜔。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x=Bsin(ωt−φ)其振幅B=B0�(1−λ2)2+4ζ2λ2这时机器通过隔振器传递到地基的动载荷为()()sinsincoscosNkcFFFxkBtcBtµωϕωωϕ=++=−+−令()()22coskBkBcBωθ=+()()22sinBkBcBµωωθ=+则动载荷FN可表示为()()()22sinNFkBcBtωωϕθ=+−+被动隔振如图1-b所示，此时机器所受的干扰力为：21sinFmxmrtωω==−这里1sinxrtω=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表示隔振的效果，称为隔振系数或力传递率。因此()()max2220001NckBkBcBFkKFFFωω++===因00FBk=222nnnccnkmωωωζλωωω==⋅=则隔振系数K可写为()2222221414Kζλλζλ+=−+当0ζ=，隔振系数K与频率比λ的关系为211Kλ=−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2所示。图2不同阻尼比的隔振系数K与频率比λ的关系曲线由此可见：(1)不论阻尼大小，欲取得一定的隔振效果，即隔振系数K＜1，前提条件是：2nωλω=即2kmω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。频率比λ的值越大，隔振效果越好，在实际应用中常取的频率比2.5~5λ=。（2）增大阻尼可减小机器经过共振区时的最大振幅，但在2λ时却使隔振系数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，可求得与上述主动隔振完全相同的公式。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。下面介绍几种工程中最常用的减振元件和材料。中高频: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stδ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对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3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3不同构造型式的橡胶减振垫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．空气垫减振器一般由气缸体、活塞、活塞杆和气阀组成，通过气阀向气缸体内充入压力空气而形成气垫，气缸体受到剧烈振动经过气垫的缓冲变成活塞平稳的运动，从而达到减振的目的。6．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，除了作小型设备、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。低频由于谐振频率的缘故，以上所提及的几种隔振方法不适用于15赫兹以下的低频段的隔振。在低频领域一般采用以下三种隔振方法：1、中国专利之磁力隔振垫磁力隔振垫是一种新型的宽带被动式隔振系统，它的谐振频率仅为2赫兹且谐振峰非常平缓对高于2赫兹的震动有良好的减振效果。而一般常见的被动式减震系统（如空气减震系统、橡胶减震系统或弹簧减振系统等），因谐振频率较高（约十几赫兹到几十赫兹）所以对低频震动的隔振效果不佳。在磁力隔振垫内部，由强力钕铁硼磁极对产生的磁力隔隙，能够有效地减少和隔绝震动传递。这种作用是双向的，既可以减少地面对仪器设备的振动干扰，也可以减少自身产生振动的设备对地面和周围的震动干扰。适用于各种需要减少外部震动干扰或隔离震动源对外部的影响。例如光学测量装置，精密光学显微镜，电子显微镜等各种精密测试分析仪器；各种压缩机，机械泵等机械设备的消震减震，有效减少水平和垂直方向的振动干扰。特殊设计的磁力隔震垫内没有钢或铜材料的零件，橡胶圈也只是起密封和保持稳定作用，而不是起减震作用，这样就最大限度地降低了谐振频率和谐振峰。有效工作频率范围宽，特别是对于很低频率振动的消震减震效果良好。精心选择的材料、仔细设计的结构、恰当的阻尼系数，使得磁力隔振垫能够达到最好的性价比。不需要日常维护和调整，安装调整简单,漏磁极小。谐振频率远比一般的被动式减震器低，减震隔振性好，可以适用各种场合的不同需要。振动传输特性2、TMC压电式主动隔震系统STACIS是一种高带宽、高增益的主动式隔震系统。它提供与低硬度隔震系统（例如传统的空气隔离装置）不同的，极为良好的隔震性能。STACIS高硬度特性提供卓越的位置稳定性并且不易受到外界声波的干扰，从而使制造业的设备工程师们可以机动灵活地安置设备。系统由一个中央控制器以及三个或更多的单个隔离体组成，每个隔离体都有三维主动式隔离功能。三个或更多的单个隔离体组合后，可以对载荷提供六个自由度上的振动隔离。尽管起初看上去系统有些相互牵连，实际上STACIS的专利拓扑允许隔离体各自独立而不会冲突。安装时一般无须特殊调整，安装后的系统免维护运行。每个STACIS隔离体内都有一个小的中间块，坐落在五个压电传动器（PZT）上面的三个轴上。三个振动传感器测量中间块的移动。这个信号过滤后经由高压放大器（HVA）反馈到PZT。高阻尼的橡胶块（同样在隔离体内部）将中间块与载荷连接起来。主动反馈环路提供0.7～200Hz（疑为20Hz）的隔振，在10Hz附近有一个峰点。10Hz以上主动隔振效果开始减少，被动隔离体接替继续工作。下面是一个振动隔离性能的实际效果：STACIS2100在低频隔振及精密仪器隔振领域为顶尖产品3、混凝土隔振台由于土质和地质情况的多样性，该方法效果不稳定，无精准预判性，一般业界认为在同一条件及同一施工水准下，隔振台质量越大效果越好。