大連理工大學理論力學工程減震自設(shè)計實驗

1．工程減振背景和探討背景工程減振在現(xiàn)代工程中應(yīng)用特別廣泛許多工程因為沒有考慮共振效應(yīng)而失敗造成經(jīng)濟上的損失和人員上的傷亡。因此其探討價值不言而喻。工業(yè)和運輸業(yè)中廣泛采納機器作原動力機械振動的危害更加嚴峻減振要求日益迫切。汽輪機、水輪機和電機等動力機械汽車、火車、船舶和飛機等交通運輸工具以及工作母機、礦山機械和工程機械等都沿著高速重載方向發(fā)展其振動也日益劇烈。精密機床和精密加工技術(shù)的發(fā)展中假如離開嚴格隔振的安靜環(huán)境工作就不正常,無法達到預期的精度目標。材料工業(yè)和建筑工業(yè)的發(fā)展中廣泛采納高強度的建筑材料建筑高度不斷攀升使得建筑受風載激勵后振幅達幾米之大難以滿意舒適和平安要求倘不能減振此類高樓就無法接著發(fā)展下去。飛機、導彈、坦克、戰(zhàn)車通常在最為惡劣的環(huán)境中工作。因此軍工部門對減振環(huán)節(jié)的要求也日漸增多。尤其是如今的精確打擊方向的探討更須要減振理論的支持無論是民用工業(yè)還是軍事工業(yè)其產(chǎn)品性能都及減振技術(shù)親密相關(guān)。產(chǎn)品性能又確定了企業(yè)的利潤效益。因此關(guān)于減振的探討永不過時。對于減振最主動的方法是針對振動的緣由對癥下藥。引起振動的緣由有許多所以對于不同的振動緣由應(yīng)實行不同的方法。機電產(chǎn)品綠色設(shè)計包括振動工程而振動限制是振動工程的一個重要學科分支。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展、機械的高速化及結(jié)構(gòu)的輕型化大量的工程振動問題不斷地涌現(xiàn)引起了機械工作狀態(tài)的惡化生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量的下降。而機械振動經(jīng)常是造成機械和結(jié)構(gòu)惡性破壞和失效的干脆緣由。振動使結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力大大增加由于振動產(chǎn)生的交變載荷使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲憊破壞共振使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不允許的大變形致使結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴峻破壞。在有些機械中由于自身作業(yè)的環(huán)境惡劣再加上振動的存在而引起地基的振動和噪音造成更為惡劣的環(huán)境使精密儀器不能正常工作人的勞動條件惡化。工程史上由于振動而引起的失事已屢見不鮮。著名的Tacoma吊橋事務(wù)就是一例。該橋長2800尺寬39尺于1940年因風載激起自振歷時一小時振動約720周破壞殆盡。所以各種減振系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用減振系統(tǒng)的探討也越來越受到重視。除了上述振動導致的危害，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們對減振和降噪的要求越來越高，促使振動限制技術(shù)進一步發(fā)展。隨著技術(shù)的進步，幾乎全部工業(yè)的發(fā)展，如汽輪機、水輪機、燃氣輪機等動力機械，汽車、火車、飛機、運載火箭，以及挖掘機、推土機等工程機械，都向著高速重載的方向發(fā)展，導致振動越來越顯著，假如振動問題不加以適當限制往往會引起重大事故，造成設(shè)備損毀，并伴隨著巨大的生命財產(chǎn)損失。如1988年陜西秦嶺發(fā)電廠的“2.12”事故，當天下午16時，電廠200MW

5號汽輪發(fā)電機組進行提升轉(zhuǎn)速的緊急保安器動作試驗，過程中由油膜失穩(wěn)引起突發(fā)性、綜合性劇烈振動造成軸系嚴峻破壞，其中7處對輪螺栓、軸體中5處發(fā)生斷裂，共斷為13段，主機基本毀壞，這次事故造成1名工人腰部被飛出的殘片擊傷，并引起發(fā)電機端部火災。在制造業(yè)，制造零件的精度越來越高，難度越來越大，尤其是精密儀器、宇航零件等的加工，對振動環(huán)境的要求越來越嚴格。在建筑業(yè)，各式高樓不斷刷新世界紀錄，跨海大橋不斷涌現(xiàn)，高大建筑物受風載激勵后，其振動幅度可能達到幾米，要求工程師在設(shè)計施工時必需考慮可能帶來的平安問題和舒適度問題。2．探討理論和現(xiàn)狀理論振動限制技術(shù)分類及特點

振動限制是振動工程領(lǐng)域內(nèi)的一個重要分支，是振動探討的動身點及歸宿。從廣義上說，振動限制包括兩方面的內(nèi)容：一方面是振動的利用，如各類振動機械的研發(fā)利用；另一方面是振動的抑制，即盡量減小有害的振動[2]，因為振動加速運轉(zhuǎn)機械的磨損，縮短了產(chǎn)品壽命，使人易疲憊，儀器易失靈。一般的振動限制指的是對有害振動的抑制。振動限制的任務(wù)是通過肯定的技術(shù)手段使受控對象的振動水平滿意人們的預定要求[2]。振動限制技術(shù)一般有兩種分類方法，一是按限制手段分類，有抑制振源強度、隔振、吸振、阻振、修改結(jié)構(gòu)五種方法[2-5]；另一種是按振動限制過程中是否須要外部能量分類，分為有源限制和無源限制[2]，而有源限制又稱為主動限制，無源限制也稱為被動限制[6]。

1.2.1

按限制手段分類

1、抑制振源強度

抑制振源強度又稱之為消振，這是消退振動的根本方法。由于受控對象的響應(yīng)是由振源（激勵）引起的，外因消退或減弱時，振動響應(yīng)隨之消退或減弱。如對不平衡的剛性或柔性轉(zhuǎn)子，采納動平衡的方法消退或減弱他們在轉(zhuǎn)動時因質(zhì)量不平衡出現(xiàn)的離心力及力矩；如高煙囪、熱交換器等結(jié)構(gòu)，由于卡門渦旋引起的流激振動，可通過加擾流器的方法破壞卡門渦旋的生成，因而使渦激強度減弱，又如車刀的顫振，可通過加冷卻劑的方法減小切削時的車刀及工件之間的摩擦力，破壞出現(xiàn)顫振的條件。

2、隔振

隔振是指在振源和受控對象之間串加一個子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)稱之為隔振器，用來減小主系統(tǒng)對外界激勵的響應(yīng)。這是一種廣泛應(yīng)用的減振技術(shù)，如飛機座艙內(nèi)儀表板通過隔振器及機體相連，從而減小機體振動向儀表板的傳遞；動力機械通過隔振器及基礎(chǔ)件相連，從而減小機械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的交變激勵力和力矩向基礎(chǔ)件的傳遞。

3、吸振

吸振又稱動力吸振，即在受控對象上附加一個子系統(tǒng)，用它產(chǎn)生的反作用力減小或消退受控對象對振源激勵的響應(yīng)，子系統(tǒng)為動力吸振器。這是一種在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的減振技術(shù)，如為減小直升飛機在飛行中機體振動水平而采納的連于駕駛艙內(nèi)的彈簧—質(zhì)量塊型吸振器，連在槳轂處的雙線擺型激振器及連在槳葉根部的擺式吸振器；高層建筑頂部安裝的有阻尼動力吸振器（也稱為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）

4、阻振

阻振，又稱阻尼減振。其方法為，在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量而使響應(yīng)減小，如粘貼阻尼材料的汽車壁板能有效地降低車輛在不平路面上行駛引起的隨機激勵響應(yīng)，直升機增加槳葉減擺器的阻尼以防止出現(xiàn)動不穩(wěn)定現(xiàn)象。

5、修改結(jié)構(gòu)

通過修改受控對象的動力學特性參數(shù)（如質(zhì)量、剛度以及阻尼特性參數(shù)，慣性原件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及分布等）以使其振動滿意預定要求，這是一種不須要附加任何子系統(tǒng)的振動限制方案。對于實際存在的受控對象來說，這是個修改結(jié)構(gòu)的問題，對于初始設(shè)計階段的受控對象來說，是個動態(tài)設(shè)計問題，在工程應(yīng)用中的產(chǎn)品設(shè)計階段，主要對結(jié)構(gòu)進行修改和優(yōu)化以降低對外界激勵的響應(yīng)。如在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，變更轉(zhuǎn)子材料、形態(tài)來變更臨界轉(zhuǎn)速以滿意運用要求?，F(xiàn)狀動力吸振技術(shù)始于1909年Frahm在德國郵船上安裝的防搖水箱，這是動力吸振器最早的工程應(yīng)用[10]。但直到1928年J.Ormondroyd和才推導出了動力吸振原理[11],

首先提出了吸振器優(yōu)化設(shè)計的不動點理論，Hahnkamm基于無阻尼單自由度系統(tǒng)和附加在其上的無阻尼吸振器推出了最優(yōu)調(diào)諧比設(shè)計公式[12]。

Brock最終在1946年推導出了最優(yōu)阻尼的關(guān)系，至此，動力吸振器發(fā)展形成了一個較為完整的體系。此后，隨著工程建設(shè)及科學探討的須要，動力吸振器不斷發(fā)展，至今已經(jīng)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

動力吸振器(Dynamic

Vibration

Absorber,

DVA)是通過彈性元件把協(xié)助質(zhì)量連接到振動系統(tǒng)上的一種減振裝置[7]

，一般可簡化為一個由質(zhì)量、彈簧、阻尼元件組成的單自由度振動系統(tǒng)。動力吸振器工作時通過調(diào)整自身結(jié)構(gòu)形式、動力參數(shù)以及及主系統(tǒng)的耦合關(guān)系來變更主系統(tǒng)的振動狀態(tài)，以達到在預期頻段上減小主振系強迫振動響應(yīng)的目的[8]。通過協(xié)助質(zhì)量的動力作用，使吸振器彈性元件在主系統(tǒng)上產(chǎn)生的作用力可以抵消部分或大部分作用在主系統(tǒng)上的外界激振力來減弱主系統(tǒng)振動。相當于把主系統(tǒng)的振動能量轉(zhuǎn)移到了動力吸振器上。3減振方法及減振措施工程中利用強迫振動理論進行消振或減振的方法1.消退振源盡可能減弱振源,使系統(tǒng)所受激勵盡可能地小,以致不出現(xiàn)過度動響應(yīng)。受控對象的響應(yīng)是由振源(激勵)引起的外因消退或減弱,響應(yīng)自然也消退或減弱。如對不平衡的剛性或柔性轉(zhuǎn)子,采納動平衡方法消退或減弱它們在轉(zhuǎn)動時因質(zhì)量不平衡出現(xiàn)的離心力及力矩,另外,還可實行抵消振動的方法,即由限制引起的振動抵消未加限制時的原有振動。2.避開共振區(qū)在振源及受控對象之間串聯(lián)隔振器可以減小受控對象對振源激勵的響應(yīng)。如飛機座艙內(nèi)儀表板通過隔振器及機體相連從而減小機體振動向儀表板的傳遞動力機械通過隔振器及基礎(chǔ)相連從而減小機械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的交變擾力和力矩向基礎(chǔ)的傳遞。按隔振的原理可將隔振分為主動隔振和被動隔振。主動隔振就是通過隔振器或隔振材料的作用將由機器干擾力F(t)作用而產(chǎn)生的振動大部分隔離掉,不使之向外傳給四周環(huán)境。而被動隔振則是將外來的振動位移A通過隔振器的作用,消退其大部分,使設(shè)置于隔振器上的精密儀器、設(shè)備免受四周環(huán)境振動的影響。3增大阻尼實行肯定的措施人為地增加系統(tǒng)的阻尼,以最大限度地消耗振源能量,降低系統(tǒng)的振動水平;增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件通過消耗能量而使響應(yīng)減小,如直升機增加槳葉減擺器的阻尼以防止出現(xiàn)動不穩(wěn)定現(xiàn)象——“地面共振”。4動力消振器在受控對象上附加一個動力吸振器,用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對象對振源激勵的響應(yīng)。如高層建筑頂部安裝的有阻尼動力吸振器。5結(jié)構(gòu)修改通過修改受控對象的動力學特性參數(shù)使振動滿意預定的要求這是一種不需附加任何子系統(tǒng)的振動限制方案目前是特別引人注目的。所謂動力學特性參數(shù)是指影響受控對象質(zhì)量、剛度及阻尼特性的那些參數(shù)如慣性元件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及其分布。對實際存在的受控對象來說這是個結(jié)構(gòu)修改問題而對處于初始設(shè)計階段的受控對象來說則是個動態(tài)設(shè)計問題。3.動力吸振器基本概念1吸振將原系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移到附加系統(tǒng)上從而使原系統(tǒng)振動減小。2動力吸振器原理動力吸振是通過增加彈簧質(zhì)量系統(tǒng),使之