第九章隔振與阻尼

第九章隔振與阻尼第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)指南本章主要介紹阻尼與隔振的基本概念、基本原理、基本方法，常用隔振或減振器的應(yīng)用。簡介隔振設(shè)計(jì)與隔振器選擇時(shí)，降低振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算和阻尼應(yīng)用。第九章隔振與阻尼第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)振動(dòng)的危害與評(píng)價(jià)9.1.1振動(dòng)的危害與特性1、振動(dòng)的危害⑴直接危害和影響作業(yè)人員⑵干擾和影響居民生活、休息和學(xué)習(xí)。⑶造成建筑物及儀器設(shè)備的損害第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、振動(dòng)的特性人體感覺的振動(dòng)頻率分為3段：低頻段為30Hz以上；中頻段為30～100Hz；高頻段為100Hz以上。人體對振動(dòng)的感覺還與振幅有關(guān)。最有害的振動(dòng)頻率是與人體某些器官的固有頻率吻合的頻率，如人體在6Hz左右，內(nèi)腔在8Hz左右，頭部在250Hz左右，神經(jīng)中樞在250Hz左右。低于2Hz的振動(dòng)非常危險(xiǎn)。2、振動(dòng)的特性第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月人對振動(dòng)的感覺與參數(shù)的關(guān)系第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2

振動(dòng)的評(píng)價(jià)量與標(biāo)準(zhǔn)1、振動(dòng)的評(píng)價(jià)量⑴振動(dòng)的位移在研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形和旋轉(zhuǎn)機(jī)件不平衡時(shí)較為實(shí)用，可覺察的位移只發(fā)生在低頻。⑵振動(dòng)的速度振動(dòng)的速度和噪聲的大小直接有關(guān)，而且能提供表征機(jī)器運(yùn)行工況的振動(dòng)烈度指示值。9.1.2振動(dòng)的評(píng)價(jià)量與標(biāo)準(zhǔn)第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶振動(dòng)的加速度從勞保和環(huán)保的角度出發(fā)，一般采用加速度，因?yàn)檎駝?dòng)對人的影響實(shí)際上是振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。①計(jì)權(quán)加速度計(jì)算：式中：ki—1/3倍頻程頻譜中第i頻段相應(yīng)的頻率計(jì)權(quán)因數(shù)；ai—1/3倍頻程頻譜中第i頻段實(shí)測的加速度有效值，m/s2。振動(dòng)的加速度第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月②頻率計(jì)權(quán)加速度級(jí)（計(jì)權(quán)振級(jí)或振級(jí)）計(jì)算：式中：aw—頻率計(jì)權(quán)加速度有效值，m/s2；a0—是參考加速度，m/s2，a0=10-6m/s2。計(jì)權(quán)加速度級(jí)第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月③等效連續(xù)振級(jí)計(jì)算：④累計(jì)百分振級(jí)VLZN常用的百分振級(jí)為VLZ10、VLZ50、VLZ90，分別表示有10%時(shí)間的Z振級(jí)超過VLZ10，有50%時(shí)間的Z振級(jí)超過VLZ50，有90%時(shí)間的Z振級(jí)超過VLZ90。等效連續(xù)振級(jí)與累計(jì)振級(jí)第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)

表9-1城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值（dB）適用地帶范圍晝間夜間特殊住宅區(qū)6565居民、文教區(qū)7067混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)7572工業(yè)集中區(qū)7572交通干線道路兩側(cè)7572鐵路干線兩側(cè)8080第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴適用于連續(xù)發(fā)生的穩(wěn)態(tài)振級(jí)、沖擊振動(dòng)和無理振動(dòng)。對于每日發(fā)生幾次的沖擊振動(dòng)，其最大值晝間不允許超過的標(biāo)準(zhǔn)值10dB，夜間不超過3dB。⑵“特殊住宅區(qū)”是指特別需要安寧的住宅區(qū)。⑶“居民、文教區(qū)”是指純居民區(qū)文教、機(jī)關(guān)區(qū)。⑷“混合區(qū)”是指一般商業(yè)與居民混合區(qū)；工業(yè)、商業(yè)、少量交通與居民混合區(qū)。環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)說明項(xiàng)第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑸“商業(yè)中心區(qū)”是指商業(yè)集中的繁華地區(qū)。⑹“工業(yè)集中區(qū)”是指在一個(gè)城市或區(qū)域內(nèi)規(guī)劃明確確定的工業(yè)區(qū)。⑺“交通干線道路兩側(cè)”是指車流量每小時(shí)100輛以上的道路兩側(cè)。⑻“鐵路干線兩側(cè)”是指距每日車流量不少于20列的鐵道外軌30m外兩側(cè)的住宅區(qū)。環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)說明項(xiàng)第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3、環(huán)境振動(dòng)測量實(shí)例實(shí)例一鐵路振動(dòng)監(jiān)測⑴測點(diǎn)位置：杭州凱旋路景芳村居民住宅，距滬杭鐵路線外軌30m。⑵測量日期：1990年11月5日。⑶地面狀況：混凝土地面，堅(jiān)實(shí)、平坦，測點(diǎn)至鐵路間有1.6m寬的水泥路面連接。環(huán)境振動(dòng)測量第13頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷測量方法①振動(dòng)傳感器軸線垂直地面，距居民住宅外墻0.4m。②儀器“功能選擇”開關(guān)置“快”，“頻率計(jì)權(quán)”開關(guān)置“垂直”③連續(xù)測量二十趟列車（包括客、貨、機(jī)車、上、下行）通過時(shí)的最垂向Z振級(jí)。測量方法第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑸測量結(jié)果序號(hào)客/貨/機(jī)車上/下行VLz序號(hào)客/貨/機(jī)車上/下行VLz1貨上行70.011貨上行72.52貨上行74.812客下行67.83貨下行69.713機(jī)下行74.44貨上行70.514機(jī)上行65.65客下行67.915貨下行72.76貨上行67.616客上行65.27機(jī)下行69.617貨下行70.68機(jī)上行67.218客下行66.99客上行65.019機(jī)下行64.210貨下行73.620客下行65.4表9-2測量結(jié)果表第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月測量結(jié)果評(píng)價(jià)量低于GB10070-88“鐵路干線側(cè)”80dB標(biāo)準(zhǔn)值。⑹評(píng)價(jià)量及評(píng)價(jià)結(jié)果第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)例二居民住宅區(qū)環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測⑴測量范圍：杭州市西湖區(qū)九蓮小區(qū)⑵測量時(shí)間：1990年11月2日⑶測點(diǎn)設(shè)備：在九蓮小區(qū)東，西、南、北，中各方位設(shè)置測點(diǎn)六個(gè)，測點(diǎn)位置及編號(hào)詳見下圖。⑷地面狀況：混凝土地面，堅(jiān)實(shí)，平坦。環(huán)境振動(dòng)測量第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月①振動(dòng)傳感器軸線垂向地面，距居民樓外墻壁0.5m以內(nèi)。②儀器連接：感動(dòng)傳感器環(huán)境振動(dòng)分析儀主機(jī)微型打印機(jī)。③儀器“功能選擇”開關(guān)置“快”、“頻率計(jì)權(quán)”開關(guān)置“垂直”。④采樣間隔2秒，采樣時(shí)間20分鐘。⑸測量方法第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑹測量結(jié)果各測點(diǎn)的VLZ10值如下：⑺結(jié)果評(píng)價(jià)：九蓮小區(qū)六個(gè)測點(diǎn)的垂直Z振級(jí)均低于GB10070-88“居民文教區(qū)”晝間70dB、夜間67dB的標(biāo)準(zhǔn)值。測點(diǎn)編號(hào)ABCDEFVLz60.058.056.161.658.663.8表9-3測量結(jié)果表測量結(jié)果與評(píng)價(jià)第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.1隔振的基本概念1、隔振概念通過降低振動(dòng)強(qiáng)度來減弱固體聲傳播的技術(shù)。2、振動(dòng)傳播形式⑴空氣聲振動(dòng)能量由振源直接向空氣輻射的部分。第二節(jié)隔振第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵固體聲通過承載振源的基礎(chǔ)，向地層或建筑物結(jié)構(gòu)傳遞。在固體表面，振動(dòng)以彎曲波的形式傳播，激發(fā)建筑物的地板、墻面、門窗等結(jié)構(gòu)振動(dòng)，再向空中輻射噪聲。水泥地板、磚石結(jié)構(gòu)、金屬板材等是隔絕空氣聲的良好材料，但對固體聲卻有很少衰減。振動(dòng)傳播形式第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3、隔振的措施隔振是將振源與基礎(chǔ)或其他物體的近于剛性連接改為彈性連接，防止或減弱振動(dòng)能量的傳播。實(shí)際上振動(dòng)不可能絕對隔絕，所以通常稱隔振或減振。⑴積極隔振降低振源饋入支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量⑵消極隔振減少來自支撐結(jié)構(gòu)或外界環(huán)境的振動(dòng)傳入。隔振的措施第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械振動(dòng)的傳播途徑第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、力傳遞率定義傳遞到基礎(chǔ)上的力的幅值與作用在m上的力的幅值的比值。通過彈簧和阻尼傳遞給基礎(chǔ)的力為：其幅值為：9.2.2隔振的力傳遞率第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月按力傳遞率的定義可得：當(dāng)系統(tǒng)為單自由度無阻尼振動(dòng)時(shí)，即：阻尼比ξ=0，上式簡化為：力傳遞率第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴當(dāng)f<<f0時(shí)，外力頻率遠(yuǎn)低于系統(tǒng)固有頻率，即圖中AB段，Tf=1，說明激振力通過隔振裝置全部傳給基礎(chǔ)，不起隔振作用。⑵當(dāng)f=f0時(shí)，外力頻率接近系統(tǒng)固有頻率，即圖中BC段，說明隔振措施極不合理，不僅不起隔振作用，反而放大了振動(dòng)的干擾，乃至發(fā)生共振，這是隔振設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)絕對避免的。2、Tf與f/f0及阻尼比ξ關(guān)系分析第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月振動(dòng)的加劇程度取決于阻尼比，從理論上講，ξ→0時(shí)，Tf→∝；隨著阻尼比逐漸增大，共振峰趨于平坦。表9-4幾種振動(dòng)材料阻尼比材料名稱鋼彈簧橡膠軟木阻尼比0.0050.02～0.050.062、Tf與f/f0及阻尼比ξ關(guān)系分析第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶當(dāng)時(shí)，Tf=1，系統(tǒng)無隔振作用。⑷當(dāng)時(shí)，Tf＜1，即圖中CD段，系統(tǒng)起到隔振作用，且值越大，隔振效果越明顯，工程中一般取為2.5~4.5。過大的阻尼比的Tf值不如阻尼小的Tf降低值大，工程中一般選用0.02~0.1。2、Tf與f/f0及阻尼比ξ關(guān)系分析第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、Tf與f/f0及阻尼比ξ關(guān)系分析第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴隔振處理降低的力的振動(dòng)級(jí)差⑵隔振效率3、隔振降噪的估算第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月隔振計(jì)算圖線第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.3隔振材料與減振器凡能支承運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備動(dòng)力荷載產(chǎn)生彈性變形，在卸載后能立即恢復(fù)原狀的材料或元件均可作為隔振材料或減振器。第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴螺旋彈簧減振器的使用和設(shè)計(jì)程序①確定被隔離機(jī)器設(shè)備的重量和可能的最低激振力頻率，要求的隔振效率和安裝支點(diǎn)的數(shù)目。②由激振力頻率和隔振效率查出鋼彈簧的靜態(tài)壓縮量X。③由機(jī)器設(shè)備總重量W和安裝支點(diǎn)數(shù)N，確定選用彈簧的勁度：1、鋼彈簧第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：G—彈簧的剪切彈性系數(shù)，N/cm2，對于彈簧鋼常取8×106N/cm2；n0—彈簧有效工作圈數(shù)；D—彈簧平均直徑，cm；d—彈簧直徑，cm；c—彈簧圈直徑D與彈簧直徑d的比值，即D/d,一般為4~10;k—系數(shù)，；W0—一個(gè)彈簧上的載荷，N；—彈簧材料空許扭應(yīng)力，N/cm2。對于彈簧鋼常取4×104N/cm2。⑵螺旋彈簧的豎向勁度計(jì)算公式第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月彈簧的全部圈數(shù)n應(yīng)包括有效工作圈數(shù)n0和不工作圈數(shù)n1，即n=n0+n1。在n0<7時(shí)，可取n1=1.5圈于彈簧兩端；在n0>7時(shí)，可取n1=2.5圈于彈簧兩端。未受載荷的彈簧，其高度H可由下式計(jì)算：⑵螺旋彈簧的豎向勁度計(jì)算公式第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月①優(yōu)點(diǎn)：有較低的固有頻率（5Hz以下）和較大的靜態(tài)壓縮量（2cm以上），能承受較大的負(fù)荷且彈性穩(wěn)定，耐腐蝕，耐老化，經(jīng)久耐用，在低頻可保持較好的隔振性能。②缺點(diǎn)：阻尼系數(shù)?。?.01~0.005），共振區(qū)有較高的傳遞率，使設(shè)備產(chǎn)生搖擺；由于阻尼比低，高頻區(qū)隔振效果差，使用時(shí)要在彈簧和基礎(chǔ)之間加橡膠，毛氈等內(nèi)阻較大的墊，以及內(nèi)插桿和彈簧蓋等穩(wěn)定裝置。⑶螺旋彈簧的優(yōu)缺點(diǎn)第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬彈簧隔振器第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月這類隔振器可以分為壓縮型、剪切型和壓縮-剪切型等。設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)注意：⑴準(zhǔn)確估算其勁度和固有頻率，以滿足和使承受載荷在其允許范圍內(nèi)。⑵靜負(fù)荷時(shí)的最大壓縮量不應(yīng)超過原長度的10%~15%。2、橡膠隔振器和隔振墊第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠隔振器第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠空氣隔振器第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠隔振墊第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠彈性接管第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3、酚醛樹脂玻璃纖維板殘余變形小，耐腐、防火、不易老化、價(jià)格低，是一種良好的隔振材料。4、氣體彈簧減振器固有頻率低，對高低頻振動(dòng)均可使用，隔振性能好，但制造工藝復(fù)雜，價(jià)格較高。5、其它隔振措施隔振機(jī)座、隔振溝、隔振墻、軟連接等。其它隔振元件及措施第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1阻尼減振原理振動(dòng)系統(tǒng)阻尼大小常用系統(tǒng)損耗因數(shù)來度量。其定義為：薄板振動(dòng)時(shí)每周期內(nèi)損耗的能量D與系統(tǒng)的最大彈性勢能EP之比除以2π。即板受迫振動(dòng)的位移和振速分別為：第三節(jié)阻尼減振第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月阻尼力在位移dy上所消耗的能量為：阻尼力在一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量為：系統(tǒng)的最大勢能為：

9.3阻尼減振第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月在共振頻率上有：則：。

9.3阻尼減振第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的阻尼材料有瀝青、軟橡膠和阻尼漿。阻尼漿由多種高分子材料配合而成。主要由基料、填料、溶劑三部分組成。1、基料基料是阻尼材料的主要成分，其作用使構(gòu)成阻尼材料的各種成分進(jìn)行粘合并粘結(jié)金屬板?；闲阅艿暮脡膶ψ枘嵝Ч饹Q定作用。常用的基料有瀝青橡膠和樹脂等。9.3.2阻尼材料(Dampingmaterial)第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、填料填料的作用是增加阻尼材料的內(nèi)損耗能力和減少基料的用量以降低成本。常用的有膨脹珍珠巖、石棉絨、石墨、碳酸鈣和硅石等。一般情況下，填料占阻尼材料的30%~60%.3、溶劑溶劑的作用是溶解基料，常見的溶劑有汽油、醋酸乙脂、乙酸乙酯和乙酸丁酯等。填料與溶劑第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月表9-5幾種國產(chǎn)阻尼材料第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月表9-6幾種典型的阻尼材料組成比名稱成分和重量百分比/%厚白漆軟木阻尼材料厚白漆20，光油13，生石膏23，軟木粉13，松香水4，水27。瀝青阻尼材料瀝青57，胺焦油23.5，熟柚油4，蓖麻油1.5，石棉絨14，汽油適量。橡膠-蛭石阻尼材料氯丁橡膠42，酚醛樹酯15，蛭石15，石棉1.5，磷酸二苯脂2.5，三硫化鉬15，硫酸鈣8，混合溶劑適量。瀝青-石棉阻尼材料瀝青35，石棉50，桐油、亞麻油15。第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、自由阻尼結(jié)構(gòu)將一定厚度的阻尼材料粘合或噴涂在金屬板的一面或兩面形成自由阻尼層結(jié)構(gòu)。當(dāng)板受振動(dòng)彎曲變形時(shí)，板和阻尼層都允許有壓縮和延伸的變形。阻尼振動(dòng)系統(tǒng)損耗因數(shù)表示為：式中：η2—阻尼材料的損耗因數(shù)；E2—阻尼材料的楊氏彈性模量；d2—阻尼材料的厚度；E1—基板的楊氏彈性模量；d1—基板的厚度。9.3.3阻尼減振措施第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月對于多數(shù)情況，E0/E1的數(shù)量級(jí)為10-1～10-4，只有較大的厚度比才能達(dá)到較高的阻尼。通常取厚度比為2～3時(shí)，復(fù)合自由阻尼層的損耗因數(shù)可以達(dá)到阻尼材料的損耗因數(shù)的0.4倍。因此，為保證自由阻尼層有較好的阻尼特性，就要有較大的厚度，這也是自由阻尼的缺點(diǎn)。自由阻尼結(jié)構(gòu)第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月約束阻尼層復(fù)合結(jié)構(gòu)的損耗因數(shù)可表示為：式中：E3、η3—分別為約束板的彈性模量和損耗因數(shù)。在實(shí)際使用中，基板和約束層的彈性模量相近，復(fù)合板的阻尼大小和阻尼厚度無關(guān)。如果使用合理，可以使阻尼復(fù)合板的損耗因數(shù)接近甚至大于阻尼材料的損耗因數(shù)。取得較好效果。2、約束阻尼層結(jié)構(gòu)第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月阻尼層結(jié)