1、嘉庚学院 机电系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。5.1.1 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
2、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，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
3、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
4、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 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
5、，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
6、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
7、，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
8、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。6.1阻尼减振 原理 6.1.1 阻尼的定义与作用 阻
9、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
10、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
11、、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
12、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
13、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、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
14、材料与阻尼结构 6.2.1 阻尼材料 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
15、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。可以利用这种关系把这两个参数合成为一个参数，即当量频率 。对于每一种阻尼材料，都可以通过试验测量其温度及频率与阻尼性能的关系曲线，从而求出其温频等效关系，绘制出一张综
16、合反映温度与频率对阻尼性能影响的总曲线图，也叫示性图 阻尼涂料 阻尼涂料由高分子树脂加入适量的填料以及辅助材料配制而成，是一种可涂覆在各种金属板状结构表面上，具有减振、绝热和一定密封性能的特种涂料。由于涂料可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构复杂的表面如舰艇、飞机等，更体现出它的优越性。阻尼涂料一般直接涂敷在金属板表面上，也可与环氧类底漆配合使用。沥青型阻尼材料 沥青型阻尼材料比橡胶型阻尼材料价格便宜，它的结构损耗因子随厚度的增加而增加。一种用于汽车底部的沥青阻尼材料厚度及结构损耗因子的关系。阻尼层厚度 1.5 2 2.4 3 4 损耗因子 0.05 0.08 0.11 0.16 0
17、.25 复合型阻尼金属板材 在两块钢板或铝板之间夹有非常薄的粘弹性高分子材料，就构成复合阻尼金属板材。金属板弯曲振动时，通过高分子材料的剪切变形，发挥其阻尼特性，它不仅损耗因子大，而且在常温或高温下均能保持良好的减振性能。这种结构的强度由各基体金属材料保证，阻尼性能由粘弹性材料和约束层结构加以保证。复合型阻尼金属板材的主要优点是：(1)振动衰减特性好，复合型阻尼钢板损耗因子一般在 0.3 以上。(2)耐热耐久性能好，阻尼钢板采用特殊的树脂，即便在 140 空气中连续加热 1000 小时，各种性能也不劣化。(3)机械性能好，复合阻尼钢板的屈服点、抗拉强度等机械品质与同厚度普通钢板大致相同。(4)
18、焊接性能好，焊缝性能与普通钢相同。(5)复合阻尼钢板还具有阻燃性、耐大气腐蚀性、耐水性、耐油性、耐臭氧性、耐寒性、耐冲击性及烤漆时的高温耐久性等优点。阻尼合金和其它阻尼材料 阻尼合金具有良好的减振性能，既是结构材料又有高阻尼性能，例如双晶型 Mn-Cu 系合金，具有振动衰减特性好、机械强度高、耐腐蚀等优点，被用于舰艇、鱼雷等水下设施的构件上。高温条件下，玻璃状阻尼陶瓷是采用较多的一类阻尼材料，通常被用于燃气轮机的定子、转子叶片的减振等。细粒玻璃也是一种适合于高温工作环境的阻尼材料，其材料性能的峰值温度比玻璃状陶瓷材料高 100 左右。对于有抗静电要求的场合，使用较多的是抗静电阻尼材料。抗静电阻
19、尼材料具有优良的抗静电性能和一定的屏蔽特性。该阻尼材料有橡胶型与塑料型两类。橡胶型为黑色阻尼橡胶，具有弹性、良好的耐磨性与抗冲击性能；塑料型可根据要求配色。抗冲击隔热阻尼材料，由橡胶型闭孔泡沫阻尼材料复合大阻尼压敏粘和防粘纸组成，具有良好的抗冲击、隔热、隔声作用，可用于抑制航天、航空、船舶的薄壁结构的振动及液压管道的减振。5.4.4 阻尼基本结构及其应用 阻尼基本结构大致可分为离散型的阻尼器件和附加型的阻尼结构。离散型阻尼器件可分为两类。一类是应用于振动隔离的阻尼器件，如金属弹簧减振器、粘弹性材料减振器、空气弹簧减振器、干摩擦减振器等；另一类是应用于吸收振动的阻尼器件，如阻尼吸振器、冲击阻尼吸
20、振器等。附加型阻尼结构可大致分为三类。一类是直接粘附阻尼结构，如自由层阻尼结构、约束层阻尼结构、多层的约束阻尼结构、插条式阻尼结构等；第二类是直接附加固定的阻尼结构，如封砂阻尼结构、空气挤压薄膜阻尼结构；第三类是直接固定组合的阻尼结构，如接合面阻尼结构等。附加阻尼结构是提高机械结构阻尼的主要结构形式之一。通过在各种结构件上直接粘附阻尼材料结构层，可增加结构件的阻尼性能，提高其抗振性和稳定性。附加阻尼结构特别适用于梁、板、壳件的减振。自由阻尼结构接粘附的阻尼结构主要有自由阻尼结构和约束阻尼结构。图 6.9 自由阻尼结构 自由阻尼结构是将一层大阻尼材料直接粘附在需要作减振处理的机器零件或结构件上，
21、机械结构振动时，阻尼层随结构件变形，产生交变的应力和应变，起到减振和阻尼的作用。自由阻尼层结构结合梁的结构如图 6.9，自由阻尼层结构结合梁的损耗因子与结构参数的关系式如下 自由阻尼处理组合梁结构的损耗因子，损耗因子既是阻尼厚度比 h 的函数，也是阻尼层模量比 e 的函数 只有在 e 较大时，才随 h 的增大而增大，直到具有实际工程意义.自由阻尼层结构组合板的损耗因子关系式具有隔离层的自由阻尼处理结构，它具有阻尼高、重量轻和刚度好的特点，隔离层用轻质高刚度材料制作。当基本弹性层产生弯曲振动时，隔离层有类似于杠杆的放大作用，可增加阻尼层的拉压变形，从而增加阻尼材料的耗能作用 约束阻尼结构由基本弹
22、性层、阻尼材料层和弹性材料层（称约束层）构成。当基本弹性层产生弯曲振动时，阻尼层上下表面各自产生压缩和拉伸变形，使阻尼层受剪切应力和应变，从而耗散结构的振动能量。约束阻尼结构比自由阻尼结构可耗散更多的能量，因此具有更好的减振效果。约束阻尼结构梁的损耗因子 X 为剪切参数 Y 为刚度参数在阻尼结构形式的选择上，应根据工作环境条件等要求合理选取、综合考虑。通常，自由阻尼结构适合于拉压变形，而约束阻尼结构适合于剪切变形。用两种以上不同质地的阻尼材料制成多层结构，可提高阻尼性能。由于多层结构同时使用不同的玻璃态转变温度和模量的阻尼材料，这样可加宽温度带宽和频率带宽。阻尼处理位置对于减振性能影响显著，有时在结构的全面积上进行阻尼处理可能会造成浪费，而实际工程结构通常也只能进行局部阻尼处理。如何使局部阻尼处理达到最佳的阻尼效果是阻尼处理位置的优化问题，可以根据不同阻尼结构的阻尼机理，相应地进行优化处理，以达到最佳的性能价格比。
