第五章 振动隔离.ppt

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1、第五章 振动的隔离与阻尼减振 隔振不涉及结构强度的计算，它只是研究如何降 低振动本身。 将振源与基础或连接结构的近刚性连接改成弹性 连接，以防止或减弱振动能量的传递，最终达到 减振降噪的目的。 隔振可以分为两类，一类是对作为振动源的机械 设备采取隔振措施，防止振动源产生的振动向外 传播，称为积极隔振或主动隔振；另一类是对怕 受振动干扰的设备采取隔振措施，以减弱或消除 外来振动对这一设备带来的不利影响，称为消极 隔振或被动隔振。5.1 隔振原理 5.1.1 隔振的分类 隔振，就是在振动源与地基、地基与需 要防振的机器设备之间，安装具有一定弹 性的装置，使得振动源与地基之间或设备 与地基之间的近刚

2、性连接成为弹性连接， 以隔离或减少振动能量的传递。 被动隔振系统，其隔振的目的是为了减少 地基的振动对设备的影响，使设备的振动 小于地基的振动，达到保护设备的目的。 5.1.2 隔振的评价 描述和评价隔振效果的物理量最常用的是 振动传递系数 T 。传递系数的定义是指通 过隔振元件传递的力与扰动力之间的比值 ，或传递的位移与扰动之间的比值，即 T 越小，说明通过隔振元件传递的振动越小 ，隔振效果也越好。如果 T =1 ，则表明干 扰全部被传递，没有隔振效果 。 在工程设计和分析时，通常采用理论计算 传递系数的方法来分析系统的隔振效果， 有时也采用隔振效率来描述隔振系统的性 能，隔振效率的定义为，

3、 5.1.3 隔振原理 无阻尼单自由度隔振系统 ，系统的运动 方程式为： 稳态解的数学表达式为： 通过隔振系统传递给地基的干扰力为： 振动传递系数为 ： 当 时，隔振系统的振动传递系数 将为无穷大。 当隔振系统存在阻尼时，就不会出现这种 情形。 有阻尼单自由度隔振系统 隔振系统的运动方程为 解可以方便地表示为 通过隔振系统传递的干扰力为 ， 在稳定状况下， 传递干扰力的幅度为 振动传递系数为， 有阻尼时，隔振系统的传递系数的表达式 要复杂得多。当系统出现 时，隔振 系统的振动传递系数将不再为无穷大，此 时的传递系数由系统的阻尼决定。 5.1.4 隔振性能分析 隔振设计的目的就是选择并设计合适的

4、隔 振参数，使得 T 值较小。 振动传递系数 T 与 的关系主要表现在：(1) 当 时，即干扰力的频率小于隔 振系统的固有频率时， ，干扰力通过隔 振装置全部传给了基础，即隔振系统不起 隔振作用。 (2) 当 时，即干扰力的频率等于隔振 系统的固有频率时， ，说明隔振系统不 但起不到隔振作用，反而对系统的振动有 放大作用，甚至会产生共振现象。 (3) 当 时，即干扰力的频率大于隔振 系统的固有频率的 倍时， ； 越大， T 越小，隔振效果越好。 从理论上讲， 越大隔振效果越好，但是 在实际工程中必须兼顾系统稳定性和成本 等因素，通常设计 。 振动传递系数 T与 的关系主要表现在： (1) 当

5、时，即隔振系统不起隔振作 用甚至发生共振的区域， 值越大， T 值 越小，这表明在这段区域增大阻尼对控制 振动是有利的。特别是在系统共振时，这 种有利的作用更明显。 (2) 在 时，即隔振系统起隔振作用 的区域， 值越小，则 T 值越小，表明在 这段区域阻尼越小对控制振动越有利，也 就是说此时阻尼对隔振是不利的。 以上分析表明：要取得比较好的隔振效果 ，首先必须保证 ，即设计比较低的 隔振系统频率。如果系统干扰频率 比较 低，系统设计时很难达到 的要求，则 必须通过增大隔振系统阻尼的方法以抑制 系统的振动响应。 5.2 隔振设计与隔振器 在隔振设计中，通常把 100Hz 以上的干 扰振动称作高

6、频振动， 6-100Hz 的振动定 义为中频振动， 6Hz 以下的振动为低频振 动。常用的绝大多数工业机械设备所产生的 基频振动都属于中频振动，部分工业机械 设备所产生的基频振动的谐频和个别的机 械设备（如高速转动设备）产生的振动属 于高频振动，而地壳的振动和地震等产生 的振动都属于低频振动。 5.2.1 隔振设计步骤 1 测试分析，确定被隔振设备的原始数 据，包括设备及安装台座的尺寸、质量、 重心和中心主惯性轴的位置，机器质量和 转动惯量，以及激励振动源的大小、方向 、频率、位置等。 2 由以上数据，按频率比 的要求 计算隔振系统的固有频率 ，也可以根据 隔振设计的具体要求，例如设备所允许的

7、 振幅，来计算隔振系统的固有频率。 3根据隔振系统所需要的固有频率，计 算隔振器应该具有的刚度。 4计算设备工作时的振幅，核算是否满 足隔振设计的要求，必要时通过降低隔振 系统的刚度或增加机座的质量来达到要求 的隔振指标。 5根据计算结果和工作环境要求，选择 隔振器的类型以及安装方式，计算隔振器 的尺寸并进行结构设计。最后必须考虑隔 振系统隔振效率和设备启停过程中通过共 振区时的振幅，由此决定隔振系统的阻尼 。 5.2.2 常用隔振器及其应用 1 钢弹簧隔振器钢弹簧隔振器是常用的一种隔振器，它 有螺旋弹簧式隔振器和板条式钢板隔振器 两种类型。 钢弹簧隔振器的优点是： (1) 可以达到较低的固有

8、频率， 5Hz 以下 ；(2) 可以得到较大的静态压缩量，通常可 以取得 20mm 的压缩量； (3) 可以承受较大的载荷； (4) 耐高温、耐油污，性能稳定。缺点是： (1) 由于存在自振动现象，容易传递中频振动。 (2) 阻尼太小，临界阻尼比一般只有 0.005 ，因 此对于共振频率附近的振动隔离能力较差。为了 弥补钢弹簧的这一缺点，通常采用附加粘滞阻尼 器的方法，或在钢弹簧钢丝外敷设一层橡胶，以 增加钢弹簧隔振器的阻尼 2. 橡胶隔振器 橡胶隔振器最大的优点是本身具有一定的 阻尼，在共振点附近有较好的隔振效果。 橡胶隔振器通常采用硬度和阻尼合适的橡 胶材料制成，根据承力条件的不同，可以

9、分为压缩型、剪切型、压缩剪切复合型等. 3 空气弹簧 隔振器的隔振效率高，固有频率低 ( 在 1Hz 以下 ) ，而且具有粘性阻尼，因此，具有良 好的隔振性能。 5.3 防振沟 在振动波传播的途径上挖沟，以阻止振 动的传播，这种沟叫做“防振沟”。如果振动 是以在地面传播的表面波为主，采用防振 沟的方法十分有效。 第六章 阻尼减振 6.1阻尼减振 原理6.1.1 阻尼的定义与作用 阻尼是指系统损耗能量的能力。从减 振的角度看，就是将机械振动的能量转变 成热能或其它可以损耗的能量，从而达到 减振的目的。阻尼技术就是充分运用阻尼 耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等 各项技术问题上发挥阻尼在减振方面

10、的潜 力，以提高机械结构的抗振性、降低机械 产品的振动、增强机械与机械系统的动态 稳定性。 阻尼的作用主要有： (1) 阻尼有助于降低机械结构的共振振幅，从 而避免结构因动应力达到极限所造成的破坏。对 于任一结构，当激励频率 等于共振频率 时，其位 移响应的幅值与各阶模态的阻尼损耗因子成反比 ，即：阻尼损耗因子用结构损耗的能量与结构振动能 之比加以定义 ：是无量纲的参量，表明结构损耗振动能量的能 力 (2) 阻尼有助于机械系统受到瞬态冲击后 ，很快恢复到稳定状态。机械结构受冲击 后的振动水平可表示为， 若以 表示振动水平的降低率，则， 结构受瞬态激励后产生自由振动时，要 使振动水平迅速下降，必

11、须提高结构的阻 尼比。 (3) 阻尼有助于减少因机械振动所产生的 声辐射，降低机械噪声。 (4) 可以提高各类机床、仪器等的加工精 度、测量精度和工作精度。 (5) 阻尼有助于降低结构传递振动的能力 。 6.1.2 阻尼的产生机理 从工程应用的角度讲，阻尼的产生机理 就是将广义振动的能量转换成可以损耗的 能量，从而抑制振动、冲击、噪声。 1 工程材料的内阻尼 材料阻尼的机理是：宏观上连续的金属 材料会在微观上因应力或交变应力的作用 产生分子或晶界之间的位错运动、塑性滑 移等，产生阻尼。在低应力状况下由金属 的微观运动产生的阻尼耗能，称为金属滞 弹性。当金属材料在周期性的应力和应变作用 下，加载

12、线 和卸载线 在一次周期的应力循 环中，构成了应力 - 应变的封闭回线 ABCDA ，阻尼耗能的值正比于封闭回线的 面积。 粘弹性材料属于高分子聚合物，从微观结构上 看，这种材料的分子与分子之间依靠化学键或物 理键相互连接，构成三维分子网。高分子聚合物 的分子之间很容易产生相对运动，分子内部的化 学单元也能自由旋转，因此，受到外力时，曲折 状的分子链会产生拉伸、扭曲等变形；分子之间 的链段会产生相对滑移、扭转。当外力除去后， 变形的分子链要恢复原位，分子之间的相对运动 会部分复原，释放外力所做的功，这就是粘弹材 料的弹性；但分子链段间的滑移、扭转不能全复 原，产生了永久性变形，这就是粘弹材料的

13、粘性 ，这一部分功转变为热能并耗散，这就是粘弹材 料产生阻尼的原因。 为了充分利用各种材料的物理机械性能， 还出现了各种复合材料供工程应用，例如 纤维基材料、金属基材料、非金属基材料 等，均是利用各种基本材料和高分于材料 复合而成。用作精密机床基础件的环氧混 凝土则以花岗岩碎块作为基体，用环氧树 脂做粘结剂所制成的复合材料。由两种或 多种材料组成的复合材料，因为不同材料 的模量不同，承受相同的应力时会有不等 的应变，形成不同材料之间的相对应变， 因而会有附加的耗能，因此复合材料可以 大幅度提高材料的阻尼值。 2 流体的粘滞阻尼 大部流体具有粘滞性，在运动过程中会 损耗能量。流体内部的速度梯度、

14、流体和管壁的相 对速度，均会因流体具有粘滞性而产生能 耗及阻尼作用，称为粘性阻尼。粘性阻尼 的阻力一般和速度成正比。为了增大粘性 阻尼的耗能作用，制成具有小孔的阻尼器 ，当流体通过小孔时，形成涡流并损耗能 量，所以小孔阻尼器的能耗损失实际包括 粘滞损耗和涡流损耗两部分。 3 接合面阻尼与库仑摩擦阻尼 机械结构的两个零件表面接触并承受动 态裁荷时，能够产生接合面阻尼或库仑摩 擦阻尼。 4 冲击阻尼 冲击阻尼是一种结构耗能，工程中可通过 设置冲击阻尼器来获得冲击阻尼 5 磁电效应阻尼 机械能转变为电能的过程中，由磁电效应 产生阻尼。称之为涡流阻尼。 6.2 阻尼材料与阻尼结构6.2.1 阻尼材料

15、衡量材料阻尼特性的参数是材料损耗因子 ，大多数阻尼材料的损耗因子随环境条件 变化而变化，特别是温度和频率对损耗因 子具有重要影响。 不同的阻尼材料有不同的性能曲线，适用 于不同的使用环境。粘弹性阻尼材料 粘弹性阻尼材料是目前应用最为广泛的一 种阻尼材料，可以在相当大的范围内调整 材料的成份及结构，从而满足特定温度及 频率下的要求。粘弹性阻尼材料主要分橡 胶类和塑料类，一般以胶片形式生产，使 用时可用专用的粘结剂将它贴在需要减振 的结构上。 阻尼材料在特定温度范围内有较高的阻尼 性能，根据性能的显著不同，可划分为三 个温度区：温度较低时表现为玻璃态，温 度较高时表现为橡胶态，在过渡区内材料 模量急剧下降，而损耗因子较大。损耗因 子最大处称为阻尼峰值，达到阻尼峰值的 温度称为玻璃态转变温度。 频率对阻尼材料性能也有很大影响，其影 响取决于材料的使用温度区。在温度一定 的条件下，阻尼材料的模量大致随频率的 增高而增大， 对大多数阻尼材料来说，温度与频率两个 参数之间存在着等效关系。对其性能的影 响，高温相当于低频；低温相当于高频。 对大多数阻尼材料来说，温度与频率两个 参数之间存在着等效关系。对其性能的影 响，高温相当于低频；低温相当于高频