具有隔、吸振雙功能減振裝置的設(shè)計與試驗

熊志遠，康鐘緒，宋瑞祥，吳 瑞，趙 娜，熊 靚

(北京市勞動保護科學研究所,北京 100054)

隔振是利用彈性隔振器減小設(shè)備或裝置與被隔振物體之間的動態(tài)耦合，減少不良振動傳遞給被保護物或從物體中傳出，從而達到隔離振動傳遞的目的。工程上常采用隔振措施減振的動力設(shè)備有風機、空壓機、水泵、空調(diào)機組、破碎機等[1-3]。

吸振是利用吸振器的固有頻率等于或接近振源的頻率，從而使吸振器產(chǎn)生共振，利用吸振器彈簧上的彈性恢復力與振源的激振力形成一對大小相等、方向相反、作用在同一直線上的平衡力，以抑制設(shè)備或裝置的振動。工程上常采用吸振措施減振的設(shè)備或裝置有汽車后橋[4]、管道[5]、直升機槳轂[6-8]、船舶[9-11]等。

長期以來，人們習慣于把隔振和吸振分割開來，把隔振器與吸振器當成兩種不同的振動控制裝置分開使用。盡管隔振器能夠隔離大部分的振動傳遞，但是某些機械設(shè)備的殘余振動仍舊明顯，這些殘余振動影響設(shè)備壽命和工作狀況，影響周圍環(huán)境和安全生產(chǎn)。

本研究基于現(xiàn)有隔振臺座提出了一種新的臺座結(jié)構(gòu)，在臺座內(nèi)部預制空腔，在空腔底部中央位置預埋支撐桿，在支撐桿上安裝橡膠動力吸振器。目的在于開發(fā)具有隔、吸振雙功能的減振裝置，期望在激勵頻率有一定飄移的情況下也能具有優(yōu)于純隔振系統(tǒng)的減振效果。

1 雙功能減振裝置

圖1是具有隔、吸振雙功能減振裝置的示意圖，它由兩部分組成，一部分是新型隔振臺座結(jié)構(gòu)，另一部分是橡膠動力吸振器結(jié)構(gòu)，它們通過預埋支撐桿以及鎖緊螺母連接在一起，分別闡述如下。

1.1 新型隔振臺座

安裝水泵等動力設(shè)備時，一般在設(shè)備下方安裝隔振臺座，隔振臺座下方安裝隔振器，以隔離振動傳遞。設(shè)計中，隔振臺座的質(zhì)量一般取1.5至3倍動力設(shè)備的質(zhì)量，其作用主要表現(xiàn)為：降低隔振系統(tǒng)重心、增加穩(wěn)定性、減少設(shè)備因設(shè)置隔振基礎(chǔ)而增加的顫動；同時，還具有減小機組重心偏移，使剛度相等的各隔振器具有近似相同的壓縮量。盡管目前的隔振臺座，材料組成上有鋼筋混凝土型和全鋼型兩種，結(jié)構(gòu)形式上有旁托隔振器隔振臺座、內(nèi)嵌隔振器隔振臺座和T型隔振臺座，但是它們對振動的控制均限于振動隔離。

基于現(xiàn)有隔振臺座，本文提出一種新臺座結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 隔、吸振雙功能減振裝置示意圖

在臺座上方安裝振動機械，下方安裝隔振元件。該臺座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，四周焊接角鋼，在鋼筋混凝土中預埋地腳螺栓，以便與振動機械固定連接，角鋼保護鋼筋混凝土不受磨損，且利于下方隔振器的安裝、調(diào)試。臺座邊長一般大于設(shè)備底座邊長0.4至0.5 m。在臺座內(nèi)部預制空腔，在空腔底面中間位置預埋支撐桿，橡膠動力吸振器穿過支撐桿，經(jīng)鎖緊螺母安裝在空腔內(nèi)，蓋上厚鋼板，擰緊沉頭螺釘即可。相逆，松開沉頭螺釘，取出鋼板，松開鎖緊螺母，能夠卸下吸振器。在空間設(shè)置上，巧妙地將吸振器隱藏起來，并加以保護，不與動力設(shè)備發(fā)生空間沖突。

圖2是鋼制預埋支撐桿，它上部為車絲，用以與鎖緊螺母相連壓緊內(nèi)鋼管，下部有凸臺。在制作臺座時，就將其下面部分垂直埋入鋼筋混凝土中。橡膠動力吸振器通過支撐桿、鎖緊螺母而與隔振臺座固定相連。

圖2 預埋支撐桿

1.2 橡膠動力吸振器

1.2.1 橡膠動力吸振器的特性及結(jié)構(gòu)

僅由鋼彈簧和質(zhì)量塊組成的無阻尼動力吸振器在共振頻率處減振效果顯著，但是激勵頻率若偏離共振頻率時，其減振效果則會顯著下降。然而，在實際工程應用中，激勵頻率常常會有一定量的飄移，由此，出現(xiàn)了由鋼彈簧、質(zhì)量塊和阻尼組成的有阻尼動力吸振器，其優(yōu)點是有一定的有效減振帶寬，當激勵頻率在一定范圍之內(nèi)發(fā)生漂移時，仍具有較好的減振效果。橡膠是黏彈性材料，具有一定的阻尼以及持久的高彈性能，而且制造成本低廉。目前，其已被廣泛應用于各類減振與隔振系統(tǒng)中，同時，也被大量應用于有阻尼動力吸振器。

圖3是橡膠動力吸振器結(jié)構(gòu)示意圖，1是內(nèi)鋼管，位于隔振器的中心位置；2是邵氏硬度為30°的圓筒形橡膠件；3是圓筒形鋼制質(zhì)量塊，位于吸振器最外層。通過橡膠熱硫化工藝將鋼管1、質(zhì)量塊3以及橡膠件2連接在一起。

圖3 橡膠動力吸振器示意圖

1.2.2 橡膠動力吸振器的固有頻率測試

圖4 時域圖

將橡膠動力吸振器套進另一預埋支撐桿，并擰緊鎖緊螺母，將支撐桿垂直夾緊于工作臺上的虎鉗口內(nèi)，同時保證吸振器具有上下自由振動的空間。在吸振器質(zhì)量塊上表面吸附一個小型輕質(zhì)加速度傳感器，傳感器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集分析儀相連，數(shù)據(jù)采集分析儀通過網(wǎng)線與裝有DASP專業(yè)軟件的電腦相連。從垂直方向用力錘錘擊吸振器質(zhì)量塊[12]，圖4是所采集數(shù)據(jù)的時域圖，見圖中框架，從敲擊瞬間之后的約0.9 s內(nèi)選取分析數(shù)據(jù)。圖5是框架內(nèi)數(shù)據(jù)的頻譜圖，從圖5中可以看到橡膠動力吸振器的固有頻率約為24 Hz。

圖5 頻譜圖

2 減振性能測試

圖6所示是具有隔、吸振雙功能減振裝置的試驗測試框架圖。將橡膠動力吸振器安裝到預埋支撐桿上，擰緊鎖緊螺母，而后蓋上鋼板，擰緊沉頭螺釘。整個臺座置于25 mm厚的橡膠隔振墊上。在臺座上方通過地腳螺栓安裝激振器，激振器與功率放大器相連，功率放大器再與信號發(fā)生器相連。

圖6 雙功能減振裝置振動性能測試框架圖

信號發(fā)生器通過控制功率放大器可使激振器產(chǎn)生不同形式的波形以及不同的振動頻率。在臺面及地面分別安裝1個加速度傳感器，加速度傳感器通過數(shù)據(jù)線與4通道信號采集分析儀相連，信號采集分析儀與裝有DASP專業(yè)軟件的電腦相連，電腦配備專業(yè)數(shù)據(jù)狗。該系統(tǒng)能對臺面、水泥板地面的振動進行精確測量。

圖7是未安裝吸振器、激振器產(chǎn)生的激勵為頻率等于23 Hz的正弦波形時，測量得到的臺面振動頻譜圖。

圖7 單一激振頻率作用下的振動頻譜圖

從圖7可看出，只有在23 Hz時才出現(xiàn)有加速度峰值，其余頻率幾乎沒有振動，23 Hz對應的波峰值為0.277 35 m/s2。針對吸振器固有頻率24 Hz及其附近頻率23 Hz、22 Hz、21 Hz以及25 Hz、26 Hz、27 Hz，分安裝吸振器與未安裝吸振器兩種情況進行試驗測試，頻譜圖曲線形狀均與圖7相似，波峰值見表1。

由表1可知，對于24 Hz激振頻率，未安裝吸振器時，臺面與地面的3次測量值的平均值分別為0.278 05 m/s2、0.004 07 m/s2；安裝吸振器時，臺面與地面的3次測量值的平均值分別為0.108 44 m/s2、0.001 30 m/s2。相比于未安裝吸振器，安裝吸振器后臺面與水泥地面減振百分率分別為

其余頻率激勵時的臺面與地面減振百分率見表2。

從表2中可以看出，當激振頻率在吸振器固有頻率附近一定范圍內(nèi)漂移時，安裝吸振器與未安裝吸振器相比，其減振效果均有所提高，而且越接近固有頻率減振效果越明顯。

3 結(jié)語

（1）新的減振裝置是基于現(xiàn)有隔振臺座以及橡膠動力吸振器而提出。

（2）在臺座內(nèi)部空腔安裝橡膠動力吸振器，不與動力設(shè)備發(fā)生空間沖突，空間位置設(shè)置合理。

表1 振動測試數(shù)據(jù)/(m?s-2)

表2 減振百分率/(%)

（3）實驗結(jié)果表明：當激振頻率在吸振器固有頻率附近一定范圍內(nèi)漂移時，安裝吸振器與未安裝吸振器相比，其減振效果均有所提高，而且越接近固有頻率減振效果越明顯。

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