工程振動分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第8章-動力吸振技術(shù)

《工程振動分析與控制基礎(chǔ)》第8章動力吸振技術(shù)第8

章動力吸振技術(shù)8.1引言8.2無阻尼動力吸振器8.3有阻尼動力吸振器8.4應(yīng)用與研究進展8.5工程應(yīng)用實例23145678.1引言

8.1引言

機器設(shè)備受到激勵而產(chǎn)生振動時,可以在設(shè)備上附加一個輔助系統(tǒng)(由輔助質(zhì)量、彈性元件和阻尼元件組成)。當設(shè)備(主系統(tǒng))振動時,這個輔助系統(tǒng)也隨之振動,利用輔助系統(tǒng)的動力作用,使其施加到設(shè)備上的動力與激振力互相抵消,使得設(shè)備的振動得到抑制,這種振動控制技術(shù)稱為動力吸振技術(shù)(又稱動力減振技術(shù)),所附加的輔助系統(tǒng)稱為動力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA),又稱可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)最具有代表性的應(yīng)用是臺北101摩天大樓上使用的動力吸振器,用來抵抗風致振動的影響21345678.2無阻尼動力吸振器8.2.1基本原理-1圖8-2所示為無阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型,圖中主系統(tǒng)的設(shè)備質(zhì)量(主質(zhì)量)為m1,激勵力為F1ejωt,主系統(tǒng)的剛度為k1;動力吸振器的質(zhì)量(輔助質(zhì)量)為m2,剛度為k2原有主系統(tǒng)安裝動力吸振器后,由一個單自由度系統(tǒng)變成了一個2自由度系統(tǒng),其強迫振動的運動微分方程為:利用頻響函數(shù)法求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),易得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為圖8-2無阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型8.2.1基本原理-2經(jīng)計算整理后易得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對振幅分別為:從式(8-3)可看出,當α=λ時,A1=0,即主系統(tǒng)振幅為零,動力吸振器就是利用這一特性來消除主系統(tǒng)振動的。此時,主質(zhì)量靜止,外激勵力僅僅使動力吸振器中的輔助質(zhì)量產(chǎn)生振動,其最大振幅為:

A2=-F1A/k2(8-4)8.2.2設(shè)計要點在設(shè)計無阻尼動力吸振器時,應(yīng)注意考慮以下問題:1)為了消除原有主系統(tǒng)的共振振幅,應(yīng)使吸振器的固有頻率ω2等于主系統(tǒng)的固有頻率ω1,即α=1,則當λ=α=1時,由式(8-3a)可知主系統(tǒng)的共振振幅A1=0,即達到減振的目的。2)注意擴大吸振器的減振頻帶3)應(yīng)考慮吸振器的振幅A2能否滿足結(jié)構(gòu)空間要求綜上所述,無阻尼動力吸振器結(jié)構(gòu)簡單,元件少,減振效果好。但減振頻帶窄,主要適用于激振頻率變化不大的情況21345678.3有阻尼動力吸振器8.3.1基本原理在上述無阻尼動力吸振器中,加入適當?shù)淖枘?就構(gòu)成了有阻尼動力吸振器。它除了具有動力吸振作用外,還可利用阻尼消耗振動能量,使得減振效果更好,還可使減振頻帶加寬,具有更廣的適用范圍圖8-4所示為有阻尼動力吸振系統(tǒng)的動力學(xué)模型。與圖8-1相比可知,輔助質(zhì)量m2與主質(zhì)量m1之間除了彈性元件k2外,還加入了阻尼元件c2,則相應(yīng)的運動微分方程為:同樣利用頻響函數(shù)法可求得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對振幅分別為:式中,ζ=c2/(2)為吸振器的阻尼比,其他參數(shù)的含義同前8.3.2設(shè)計要點在設(shè)計有阻尼動力吸振器時,應(yīng)注意以下兩個問題1)為保證吸振器在整個頻率范圍內(nèi)都有較好的減振效果,在設(shè)計吸振器參數(shù)時,應(yīng)滿足使P、Q兩點的縱坐標相等且成為曲線上的最高點的條件(見圖8-6)。為滿足這一條件,最優(yōu)的吸振器參數(shù)如下:2)為了保證減振效果達到預(yù)定的要求,在滿足上述最佳參數(shù)的情況下,還應(yīng)使P和Q兩點縱坐標所對應(yīng)的振幅小于允許的振幅,即圖8-6安裝有阻尼動力吸振器后主質(zhì)量的幅頻響應(yīng)(μ=0.1,α=αopt,ζ=ζopt)21345678.4應(yīng)用與研究進展8.4.1被動式動力吸振技術(shù)-11.軌道車輛動力吸振技術(shù)圖8-9所示為國外研制的鋼軌動力吸振器,能夠有效地抑制鋼軌的共振,降低輪軌噪聲3dB圖8-9鋼軌動力吸振器8.4.1被動式動力吸振技術(shù)-22.直升機旋翼動力吸振技術(shù)減振技術(shù)一直是直升機型號發(fā)展中要解決的一個重要問題,也是伴隨直升機誕生而來的一個技術(shù)難點,直升機設(shè)計階段必須盡最大努力控制和降低振動水平目前,直升機上廣泛采用的是被動式吸振技術(shù),主要優(yōu)點是對原結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品不做任何修改,可以作為選裝件。被動式動力吸振器包括旋翼動力吸振器和機身常規(guī)動力吸振器直升機槳轂雙線擺式動力吸振器的結(jié)構(gòu)如圖8-15所示,一般布置在相鄰兩片槳葉之間,支臂固定在槳轂上,用以吸收旋翼水平振動。其動力吸振原理是:當直升機旋翼旋轉(zhuǎn)時,配重塊就在銷子上做純滾動,產(chǎn)生離心力分量來平衡由旋翼產(chǎn)生的激振力,達到吸振的目的8.4.2主動式動力吸振技術(shù)-11.主動式動力吸振器主動式動力吸振器工作的過程中,吸振器會根據(jù)作用于主系統(tǒng)上外激勵力的變化隨時調(diào)整作動力大小,產(chǎn)生一個與外激勵力大小相等但是方向相反的力作用在主系統(tǒng)上,從而盡可能地使主系統(tǒng)所受的力為零,以此減弱主系統(tǒng)的振動水平,實現(xiàn)振動控制的目的主動式動力吸振器由于能夠快速準確地追蹤主系統(tǒng)外激勵力的變化,因而具有較好的寬頻控制效果與良好的魯棒性與減振量級主動式吸振技術(shù)的作動器需要較大的能量輸入,以提供抵消受控對象的作用力,特別是在外激勵頻率與吸振頻率有一定偏差時,其所需的能量輸入將急劇上升,這會增加系統(tǒng)的負擔,同時其穩(wěn)定性也會受到影響,使得其應(yīng)用受到限制8.4.2主動式動力吸振技術(shù)-22.半主動式動力吸振器半主動式動力吸振技術(shù)通過在主系統(tǒng)上安裝動態(tài)特性參數(shù)可調(diào)的動力吸振器,使得主系統(tǒng)的固有頻率能夠隨著外界激勵的變化而變化,充分吸收主系統(tǒng)的振動,以達到最好的吸振效果半主動式動力吸振技術(shù)不需要提供很大的外界能量,系統(tǒng)相對較為簡單、穩(wěn)定,吸振效果良好,兼具了主動式動力吸振器和被動式動力吸振器的優(yōu)點,應(yīng)用前景更為廣闊,已廣泛應(yīng)用于土木與建筑工程以及車輛工程等領(lǐng)域按照調(diào)諧參數(shù)的不同,半主動式動力吸振器又可分為阻尼可調(diào)式和剛度可調(diào)式兩大類21345678.5工程應(yīng)用實例8.5.1多跨轉(zhuǎn)子軸系臨界振動控制電力、石化等領(lǐng)域的許多大型旋轉(zhuǎn)機械普遍采用多跨串聯(lián)運行方式,如低壓和高壓離心壓縮機串聯(lián)機組等對不平衡轉(zhuǎn)子進行動平衡是降低轉(zhuǎn)子臨界共振的常用措施圖8-22雙跨轉(zhuǎn)子軸系試驗臺8.5.2輕型客車動力總成振動控制汽車的動力總成由發(fā)動機、變速器及其附件組成,它是汽車的動力源和動力的傳輸機構(gòu),也是汽車上最主要的振動噪聲源,圖8-24所示為安裝在轎車副車架上的動力吸振器,用以降低發(fā)動機的轟鳴聲圖8-24安裝在轎車副車架上的動力吸振器8.5.3衛(wèi)星飛輪振動控制研究發(fā)現(xiàn),飛輪振動是影響衛(wèi)星有效載荷性能指標的主要因素,對其進行有效振動控制顯得十分必要本例采用動力吸振技術(shù)對飛輪振動進行控制。所設(shè)計的飛輪動力吸振器結(jié)構(gòu)