第5章振动控制

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1、第5章 振动的危害与控制,5.1 振动的基本特征,机械振动 是物体（或物体的一部分）沿直线或曲线并经过平衡位置所作的往复的周期性运动。广泛存在于自然界和工程界。,完成一次振动所需要的时间称为周期，每秒完成的振动数称为频率 。不是周期性出现的振动称为非周期性振动，最简单的周期性振动是按照正弦规律变化的简谐振动 。由频率不同的简谐振动合成的振动称为复合振动。,振动的特性指振动的类型和振动量（位移、速度或加速度）的幅度、频率、相位、振动方式和频谱 。 对于简谐振动，若位移振幅是A，则速度振幅是A，加速度振幅是A2， 对于多共振系统的随机振动也有类似的关系 。对于任何一给定时刻的瞬时值不能预先确定的振

2、动称为随机振动。,按照振动系统中是否存在阻尼作用，振动分无阻尼振动和阻尼振动；按照对系统所施加作用力的形式，振动又可分为自由振动和强迫振动。,无阻尼振动,（1）自由振动。自由振动是一种假定仅在振动初始时刻有外力作用的振动。一个由弹簧K、质量m组成的集中参数模型，以系统处于静平衡（即没有外力作用）时质心的位置为平衡位置，在初始时刻给m一个位移x0后放开。,按照虎克定律，在弹簧的弹性范围内，质量m相对于平衡位置的位移x与它所受弹力F的关系可表示为,k是弹簧的弹性系数，负号表示力与位移的方向相反。,又由牛顿第二定律Fma（a为质量块的加速度）代入上式得到如下运动方程：,设t=0, x=x0，求解这个

3、方程，则得,n系统的固有角频率,质量块的位移随时间作正弦规律的运动，这种随时间作正弦或余弦规律的运动一般称为简谐运动。,m 振动系统的质量； K 弹簧的弹性系数 。,增加振动系统的质量或减少它的弹性系数，使自由振动的频率降低，反之减少质量和增加弹性系数，会使得自由振动的频率增加。当振动系统收到各种因素影响时，如与空气的摩擦、内部的摩擦、声音的辐射等，自由振动的振幅值逐渐衰减。摩擦越大，振动衰减越快。,5.2 振动的危害,振动污染是指振动超过一定的界限，对人体、生物及设施带来有害的影响。 振动会引起人体内部器官的振动或共振，从而导致疾病的发生，对人体造成危害，严重时会影响人们的生命安全；振动是以

4、弹性波的形式在基础、地板、墙壁中传播，在传播过程中向外辐射噪声，也是一种噪声污染。因此振动污染是一种不可忽略的公害。,5.2.1 设备和房屋的振动,当建筑物外有车辆驶过时，地面振动可以通过土壤和基础传给房屋结构而产生振动，在适当的频率和振幅下还会以噪声形式出现。当室内设备振动频率与结构的固有振动频率吻合时，后者引起共振，它的振幅有时可使玻璃、金属薄片出现叮当声。,室内的一些机械振动引起的噪声和一般空气中噪声不同，它在建筑物内部能传输很远距离，而衰减非常小。整个建筑物在风的作用下也可能产生低频振动。,常遇强烈振动是由撞击作用的机器工作时产生的，例如锻锤、冲压机等。低速机组和回转机作用的快速机器产

5、生的振动，通常只在房屋内部沿着房屋结构传播，而在屋外不会有振动的感觉。最合理的措施是把振动在产生的地方抑制。一旦振动已传到建筑物，应尽力使传输振动衰减。,振动对建筑物的危害,5.2.2 振动对人体的影响,人体具有弹性组织，对振动的反应与一个弹性系统相对。振动对人体的影响不仅决定于振动强度，还与振动的频率和方向有关。根据振动作用于人体的部位可分为全身振动（如晕车、晕船）和局部振动（使用电锯使手指麻木、疼痛等）。,能使人感觉到的最小振动称为振动感觉阈。随着振动的加强，人会感觉到不舒适、继而引起疲劳，超过疲劳阈的振动不但有心理反应，而且会有生理反应，引起生理的损伤。长期接触剧烈的振动会引起振动病，表

6、现为手脚发麻、发冷、僵硬、四肢无力、头痛、记忆力衰退等。,5.3.1 振动的评价 人体对振动的感觉：刚感觉振动0.03g；不愉快感0.05g；不可忍耐感0.5g。 振动有垂直和水平两种，人体对垂直的振动比对水平的振动更敏感。,5.3 振动的评价和测量,GB10070-88城市区域环境振动标准,振动的评价标准可用不同的物理量表示，常用的是加速度和振动级。评价振动对人体的影响远比噪声复杂。对人体的影响有： 振动的“感觉阈”，刚感到振动，无影响； 振动的“不舒服阈”，感到不舒服； 振动的“疲劳阈”，感到疲劳，实际以该阈为标准，超过标准被认为有振动污染； 振动的“危险阈”，产生病变。,人对振动的感受,

7、振动的评价指标,一般用机械振动参数级来描述振动的强度，单位是分贝（dB）。在环境振动中一般选用振动加速度级和振动级强度作为振动强度参数。 振动加速度级,ae 加速度有效值，对于简谐振动,aref 加速度参考值，一般国外取110-6m/s2， 我国取110-5m/s2,振动级定义为修正的加速度级,频率为f的振动加速度有效值 振动修正值,5.3.2 振动的测量,环境工程中，振动的测量利用振动计直接读数。振动级的频率范围取1-80Hz，通常采用加速度级作为标准。 常用的振动测量系统：振动接收器；前置放大器；放大和频率分析器；读数和记录装置。,振动测量系统,5.4 振动控制过程,振动控制过程与噪声控制

8、过程相似，但比较复杂，目前采用的振动控制过程包括： （1）修改结构 通过修改受控对象的动力学特性参数，使振动满足预定的要求，不需要附加任何振动控制方法。动力学特性参数指受控对象质量、劲度、阻尼特性等。,（2）控制振动源振动 即振源消振，消除或减弱振源，最彻底有效的方法。如改善机器的平衡性能、改变扰动力的作用方向、增加机组的质量、在机器上装设动力吸振器等。 主要是为了控制共振，共振是振动的一种特殊状态，当共振机械所受的动力扰动的频率与设备固有频率相一致时，就会使得设备振动加剧，甚至会起到放大作用，可能成为噪声源或引起结构疲劳损失。,（3）隔振 使振动传输不出，从而消除震动的不良影响。在振源与受控

9、对象之间加一个子系统来实现隔振，减少受控对象对振源的激烈响应，应用非常广，措施有： 采用大型基础 最常用，最原始的方法； 防振沟 在机械振动基础四周开设一定宽度和深度的沟槽，填充软质材料； 采用隔振元件 在设备上安装隔振器，如弹簧、胶垫等，使设备和基础之间的刚性连接变成弹性支撑。,（4）吸振（动力吸振） 在受控对象上附加一个子系统使得某一频率的振动得到控制，利用吸振器产生的吸振力以减少受控对象对振源激励的响应。,（5）阻振（阻尼减振） 在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量使响应最小，也常用外加阻尼材料的方法来增大阻尼。阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减；可减弱共振频率附近的振动。阻尼材

10、料是具有内耗、内摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及高分子材料。,（6）防护措施 保护在强烈振动环境中工作的人员免受伤害，还可采用防护措施，穿防振鞋，内有微孔防振鞋垫，利用其弹性减振；局部防振可常用防振手套，减轻振动工具的反冲力和高频振动对人的影响。,振动控制过程,5.5 振动的隔离与阻尼振动,5.5.1 隔振的分类与评价 1. 隔振的分类 隔振就是在振源与地基、地基与需要防振的机器设备之间安装一定弹性的装置，使振源与地基之间或设备与地基之间的刚性连接成为弹性连接，隔离或减少振动能量的传递，达到减振降噪的目的。实际上不能绝对隔振，通常又称为减振。,隔振前，机械设备与地基之间是近刚性连接，连接劲度大，

11、设备运行时如果产生一个扰动力F=Fejt,这个扰动力几乎全部传给地基，再通过地基向四周传播，隔振后，由于弹性隔振作用，设备产生的扰动力发生变化，传递被降低。,根据隔振目的的不同将隔振分为主动隔振(积极隔振）和被动隔振（消极隔振）。 主动隔振，降低设备的扰动对环境的影响， 同时设备本身的振动减少； 被动隔振，减少地基振动对设备的影响，使 设备的振动小于地基的振动，以 保护设备。,2. 隔振的评价,描述和评价隔振效果的物理量很多，最常用的是振动传递系数T。传递系数是指通过隔振元件传递的力与扰动力之比（弹性元件（隔振器）传给基础的力与设备传递到弹性元件（隔振器）上的力（激振力）之比），或传递的位移与

12、扰动之间的比值。,或,T越小，通过隔振元件传递的振动越小，隔振效果越好。 T等于1，干扰全被传递，没有隔振效果，或者没有采取隔振措施； T小于1，激振频率小于系统固有频率，扰动部分被传递，一定的隔振效果； T大于1，隔振系统设计失败，系统发生共振，振动被放大。,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隔振系统的隔振效果，有时也采用隔振效率来分析隔振系统的性能，隔振效率为,3. 隔振原理,设质量为m，隔振器可看作是一个劲度为K的弹簧与一个阻尼系数（摩擦系数）为的阻尼器组成的有阻尼振动系统，把它并联在机器与刚性地基之间。共振频率f0,一个自由度的隔振系统,隔振器的临界阻尼 表示外力

13、停止后，使系统不能产生振 动的最小阻尼,隔振器的阻尼 阻尼比 机器的质量,当阻尼比Rm/Rc=1时，振动被抑制，共振频率Fr=0；当Rm/Rc=0时，系统无阻尼或阻尼很小，可以忽略不计，则,物体在周期性外力Ft=F0cost作用下，设这个外应力在垂直的方向上运动，F0是交变外力的最大值，与这个力平衡的是系统的惯性力，摩擦力和弹性力。根据牛顿第二定律， 机器的运动方程,y 位移 v 振速 a 加速度 k，Rm，m 系统本身的特性,方程的一个解,F0/k 系统在承受最大干扰力F0下的弹性变形cm f 激发外力的频率Hz f0 系统的共振频率Hz 相位角,机器在减振器上的最大振幅Ym,4. 隔振性能

14、分析,隔振系统的效果评价中，常用传递系数T来表征隔振系统的隔振效果。传递系数T越小，在相同的激励条件下，通过隔振系统传递的力就小，隔振效果就好,传递力的数学表达式,传递系数与频率比的关系曲线,描述隔振效果的另一个重要物理量是在一个交变外力作用下的机器振幅，与同样大小的静态外力作用下的机器静态下沉重之比值，该比值称为放大系数,隔振系统的放大系数D与f/f0和Rm/Rc的值有关。,放大系数与频率比的关系曲线,当ff0l时，动态放大系数D和传递系数均稍稍大于1。即外干扰动力频率小于系统的固有振动频率时，外干扰力主要受弹簧弹性力的抵抗，干扰力通过弹簧毫不减少地传给基础，此时隔振器不起减振作用。机器振幅

15、YF0k即与减振器的劲度k成反比。所以ff0的频率范围被称为劲度控制区。,当f/f0=1时，动态放大系数D和传递系数T最大，T=1。但在这个区域内发生共振现象，隔振系统不但没有起到隔振作用反而放大了振动的干扰，受隔振器阻尼系数Rm与系统临界阻尼系数Rc之比的影响显著，如果在这个区域内增加阻尼系数，可以大幅度降低隔振器的动态放大系数和力的传递率。因此，共振频率f0附近的范围被称为阻尼控制区。,当f/f0 时，动态放大系数和力传递率小于1，隔振器起了作用，而且f/f0的比值越高，振动传递愈小，一般说隔振效果愈好。当f/f05以后，比值在继续增加，T的降幅不明显。此时机器的振幅YF0/m，即与机器的

16、质量成反比，故称ff0范围为质量控制区，在这一区域内隔振器才能发挥它的减振效果，所以也称这个区为减振区。,设计隔振器或选择隔振器，主要是应用减振区内的减振效果。在实际工程中，设计f/f0=2.5-5，兼顾系统的稳定性和成本。,在实际隔振设计中，有时为了简化将阻尼材料的阻尼比忽略不计，传递系数可简化为,干扰（激振）频率f由设备的振动频率所确定，其振动基频一般为振源设备轴的转数。对于一个机组，激振可能不止一个，通常取其中频率最低的一个进行设计计算比较安全。,n 设备轴的转数，r/min,固有频率是由振动物体本身的性质所决定的，对于简谐振动系统的固有频率f0,K 减振器的刚度，即减振器的倔强系数，等于使减振器伸长单位长度所需要的力，kg/cm m 振动系统的质量，kg,根据物理学原理，设备的静态压缩量Xcm与设备的重力Pi成正比，与减振器的刚度K成反比。,则共振频率,对于非理想的弹性材料，如橡胶、纤维板等减振器，故有频率应作修正,修正系数，隔振材料的动态刚度与静态刚度的比值,噪声降低量与传递率T的关系 在采取隔振处理后，噪声会得