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1、2023/3/2512.1 隔振的基本原理隔振是控制振动的一个重要方法。从振动控制的角度研究隔振，不涉及结构强度的计算，只是研究如何降低振动本身。隔振方法，就是将振源与基础或连接结构的近刚性连接改成弹性连接（增加一个柔性附加子系统环节），以防止或减弱振动能量的传递，最终达到减振降噪的目的。第1页/共67页2023/3/2522.1 隔振的基本原理隔振器（减震器），由弹性元件、阻尼元件甚至惯性元件以及它们的组合所组成。车架悬架系统减震器钢丝绳隔振器橡胶隔振垫第2页/共67页2023/3/253隔振的分类 第一类隔振:隔隔力力：通过弹性支撑来隔离振源传到基础的力（如发动机减振安装）第二类隔振:隔隔
2、幅幅：通过弹性支撑减小基础传到设备的振动幅值（如仪表环境改善）在有些书籍上，第一类隔振又称为主动隔振或积极隔振(Active Isolation)，第二类隔振称为被动隔振或消极隔振(Passive Isolation)。第3页/共67页2023/3/254隔振的分类根据振源特性不同：单频隔振、多频隔振、随机隔振隔振对象自由度不同：单自由度系统隔振、多自由度系统隔振、无限自由度系统隔振按隔振对象特性不同：线性系统隔振、非线性系统隔振第4页/共67页2023/3/255隔振效果的评价描述和评价隔振效果的物理量很多，最常用的是振动传递系数 T。传递系数T：指通过隔振器传递的力与激振力之间的比值，或传
3、递的位移与激振幅值之间的比值。传递系数传递系数 T T ：或第5页/共67页2023/3/256隔振效果的评价T 越小，说明通过隔振器传递的振动越小，隔振效果也越好。T=1，则表明振源激振全部被传递，没有隔振效果；T 1，说明隔振系统设计失败，这时振动被放大。隔振效率隔振效率 ：第6页/共67页2023/3/257隔振原理（隔力）隔振器传到刚性地基的弹性力和阻尼力 其合力的幅值为：力传递率：经过隔振器传到基础的力幅与激励幅值之比。fkcutmsin0第7页/共67页2023/3/258隔振原理（隔幅）基础做简谐运动：振动微分方程：第8页/共67页2023/3/259 绝对运动方程（以质量块位移
4、为自由度）相对运动方程（以质量块与基础距离改变为自由度）变量替换振动微分方程：隔振原理（隔幅）第9页/共67页2023/3/2510隔振原理（隔幅）绝对运动方程绝对运动方程（以质量块位移为自由度）其中 为激励初相位。稳态响应（特解）具有以下形式：其中：定义绝对运动传递率为：第10页/共67页2023/3/2511隔振原理第一类隔振和第二类隔振系统的传递系数：u 力的传递率和绝对运动的传递率是相同的，隔力和隔幅有着共同的规律。阻尼比、频率比和传递系数的关系曲线阻尼比、频率比和传递系数的关系曲线第11页/共67页2023/3/2512隔振性能分析(1)低频段(2)共振(3)高频段 说明振源的激励通
5、过隔振器全部传给了受控对象，即隔振系统不起隔振作用。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，这是隔振设计时必须避免的。隔振设计开始起作用。传递系数和频率的关系：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，通常取=2.5-5。这是因为通常 是给定的，要进一步提高，就只有降低隔振系统固有频率，而设计过低的固有频率不仅在工艺上存在困难，而且造价高。第12页/共67页2023/3/2513隔振性能分析传递系数和阻尼比的关系：n 不同阻尼值的各条传递系数曲线都相交于 。n阻尼比越大，则共振处峰值越小，曲线越趋平缓，反之则越大，曲线陡峭
6、。n当 时，阻尼值的增加反而加大T 值。工程中常会有一些不规则的冲击和振动，选择合适的阻尼可以抑制系统在这些冲击和振动作用下的振幅，并使自由振动很快消失，尤其共振时，阻尼的作用更为突出。第13页/共67页2023/3/2514隔振性能分析已知隔振系统阻尼，确定最大传递系数问题：求极值问题令最大传递系数：根据最大传递系数、质量和刚度，来确定隔振器阻尼系数：根据最大传递系数、质量和刚度，来确定隔振器阻尼系数：第14页/共67页2023/3/2515具有复刚度的隔振器复刚度：隔振系统运动方程：设：传到基础的力：隔振系统传递系数：（1）常规的 k-c 模型第15页/共67页2023/3/2516具有复
7、刚度的隔振器隔振系统传递系数：（2）：模型损耗因子（Lost Factor）结构阻尼模型传递系数：高频段：加大阻尼材料的损耗因子，不会使高频段的传递系数变坏。（3）*许滨.隔振器的阻尼设计J.噪声与振动控制,1988,(05):59-63 第16页/共67页2023/3/2517隔振性能分析K-C 隔振系统的缺陷低频隔振难以实现；不能实现所需的任意传递率；高频段有高次谐波效应（在高频段，隔振器不应再看做是单自由度系统）；阻尼因素影响。第17页/共67页2023/3/2518主要内容隔振的基本原理隔振的分类隔振效果的评价隔振的原理隔振性能的分析几种典型隔振器原理的分析隔振器设计原则和基本步骤第1
8、8页/共67页2023/3/25192.2 几种典型隔振器原理的分析（1 1）RuzickaRuzicka隔振系统隔振系统（2 2）双层隔振系统）双层隔振系统（3 3）动力反共振隔振系统）动力反共振隔振系统（1 1）（2 2）（3 3）第19页/共67页2023/3/2520隔振系统广义广义广义广义 Ruzicka Ruzicka Ruzicka Ruzicka 隔振系统隔振系统隔振系统隔振系统*宋学谦.广义Ruzicka隔振系统的简谐振动隔离研究J.机械强度,2003,(04):466-469.第20页/共67页2023/3/2521隔振系统 设隔振对象质量为 m，主弹簧刚度系数 k，附加弹
9、簧刚度系数为 Nk，隔振器阻尼系数为 c，基座位移为 u，隔振对象位移为 x，阻尼器的位移为x1。运动方程：零初始条件下，等式两边做拉式变换：第21页/共67页2023/3/2522隔振系统 消去中间变量 ，可得隔振对象位移 x 对基座位移 u 的传递函数：令 ，可得频响函数引入无量纲参数：第22页/共67页2023/3/2523隔振系统得频响函数：由此得绝对运动传递系数绝对运动传递系数Td是 的三元函数。第23页/共67页2023/3/2524隔振系统1、N=0时相当于无阻尼隔振器；N=时相当于常规K-C 隔振器。2、高频段Ruzicka系统传递率曲线比 N=曲线更陡峭，说明比常规 K-C
10、隔振器隔离高频振动能力强；3、减小附加弹簧刚度、即降低阻尼器的连接刚度，Ruzicka系统的高频传递率也随之降低，说明降低阻尼器的连接刚度有助于改善隔振器高频隔振能力；传递率和 N 之间关系：第24页/共67页2023/3/2525隔振系统传递率和 之间关系：给定附加弹簧刚度和主弹簧刚度的比值 N，不同阻尼比的隔振系统传递率曲线都通过一个固定点 P。在 从0 到 连续变化过程中，必定存在一个能给出最低共振峰的阻尼比，该共振峰值就是 P 的高度。该阻尼比称为 Ruzicka 隔振系统的最优阻尼比最优阻尼比 。第25页/共67页2023/3/2526隔振系统如何确定最优阻尼比？重新整理传递系数表达
11、式：式中：传递率T 与阻尼比无关的充分必要条件（公共点 P 的性质）：第26页/共67页2023/3/2527隔振系统解出公共点 P 的横坐标：寻求传递率曲线的峰点，令将 代入上述方程，得最优阻尼比计算公式：同时可得最优传递率 ：第27页/共67页2023/3/2528隔振系统利用上述公式，即可计算Ruzicka隔振系统的最优结构参数。给定隔振对象质量m，基座振动频率和容许最大绝对传递率 T*，求Ruzicka隔振系统的结构参数：1.按照对自由振动衰减速度的要求，确定合适的阻尼比 。2.用 作为最佳阻尼比 ，用最佳阻尼比计算公式计算刚度比 。3.将 代入传递率计算公式中，计算传递率峰值对应的频
12、率比 。4.根据 和给定的 ，计算隔振系统的固有频率 。5.根据 和 ，以及给定的 m，确定隔振系统的主刚度和阻尼器的阻尼系数。第28页/共67页2023/3/2529双层隔振系统车辆隔振的力学模型 设车架质量为 ，是悬挂系统和车轴的折算质量，和 为悬挂系统的刚度和阻尼系数，和 为轮胎的刚度系数和阻尼系数。运动方程：第29页/共67页2023/3/2530双层隔振系统写成矩阵形式：或其中：等式两边傅氏变换第30页/共67页2023/3/2531双层隔振系统式中：令：定义：其中 是隔振对象绝对位移响应对基础激励的传递函数。可得：第31页/共67页2023/3/2532双层隔振系统其中双层隔振系统
13、绝对运动传递率：式中：第32页/共67页2023/3/2533双层隔振系统特别当 时，n 在高频段，双层隔振器绝对传递系数下降速度比简单的单层隔振器快。n 隔振器的实质是“机械滤波器”，双层隔振器为四阶滤波器，在高频段的滤波性能要比简单的单层隔振器好。第33页/共67页2023/3/2534动力反共振隔振器Dynamic Anti-resonant Vibration Isolator 系统动能：系统势能：系统耗散系数：代入Lagrange方程：第34页/共67页2023/3/2535动力反共振隔振器记 ，代入上式得运动传递率：第35页/共67页2023/3/2536动力反共振隔振器动力反共振
14、隔振器运动传递率与频率比的关系第36页/共67页2023/3/2537动力反共振隔振器1.动力反共振隔振器的共振频率总比简单隔振器低，当无阻尼时，隔振频率 为：2.传递率在大于系统共振频率时存在一个极小点，无阻尼时为零，对应的频率为3.可解决常规隔振器低频隔振要求和隔振器静变形之间矛盾。4.反共振隔振器与隔振对象 M 无关，即同一反共振隔振器可适用于不同隔振对象。第37页/共67页2023/3/2538动力反共振隔振器参考：顾仲权.动力反共振隔振J.噪声与振动控制,1989,(06):36-40+32.周为民,顾仲权.主动反共振隔振装置的研究(一)理论分析与优化设计J.南京航空航天大学学报,1
15、989,(03).周为民,顾仲权.主动反共振隔振装置的研究(二)试验研究J.南京航空航天大学学报,1989,(04).第38页/共67页2023/3/25392.3 隔振器设计原则和基本步骤隔振器设计的原则是隔振效率高、结构紧凑、形状合理、材料适宜。需考虑的主要因素振源，激振的类型、频率，给定的工作环境和可利用的空间尺寸；隔振器的总刚度应满足隔振系数的要求；隔振器的总阻尼既决定于通过共振区时对振幅的限制，又要满足隔振效率的要求；第39页/共67页2023/3/25402.3 隔振器设计原则和基本步骤隔振设计的方法：正方法和逆方法正方法：已知振源特性及其参数，选定隔振器的布置方式及特性参数，计算
16、隔振效果，若不满足，则重新选取隔振器的布置方式和特性参数，反复进行，直至满足要求，也称试凑法；逆方法：利用计算机技术，采用优化算法，在已知振源特性和参数条件下，直接确定满足要求的隔振器布置方式和特性参数。第40页/共67页2023/3/25412.3 隔振器设计原则和基本步骤各类隔振器的设计步骤大体相同1.首先作振动分析，找出主要振源，确定振源类型、性质、振幅、速度、加速度、频率、方向等参数；2.根据隔振设计要求，取得设计原始资料，如隔振设备的产品型号、外形尺寸、重量、重心、主要技术性能数据，工作环境等；3.计算隔振器所需的固有频率，按频率比2.5-5；4.根据固有频率，估算隔振方向上的总刚度
17、，初步决定隔振器的类型、数量和布置形式，隔振器的尺寸尽量小，布置和安装应根据隔振设备的尺寸、重量以及可利用的空间尺寸等因素；5.隔振器的布置应尽量做到对称于系统中心，避免产生耦合振动，对主振动方向上的振动采取有效控制。6.估算隔振器的振幅和传递系数，当幅值或传递系数过大需要调整时，从步骤3重新调整隔振器参数；7.确定刚度后，进行强度校核。第41页/共67页2023/3/2542作业 分析如图所示的Ruzicka隔振系统力传递关系，讨论隔振器参数N，阻尼比 对隔振效果的影响。要求：要求：1 1、作业文件采用、作业文件采用 word 2003word 2003版格式，或者转成版格式，或者转成PDF
18、PDF文件；文件；2 2、文件命名：、文件命名：学号学号+姓名姓名+振动控制作业振动控制作业1.doc1.doc(.pdf)(.pdf)；3 3、邮件主题同文件名邮件主题同文件名，以附件形式发送，以附件形式发送 4 4、作业提交截止日期：、作业提交截止日期：5 5月月2121日。日。第42页/共67页432023/3/25第三章 减振器和缓冲器贺旭东振动工程研究所(A18-620)第43页/共67页2023/3/2544第三章 减振器和缓冲器3.1 减振器(振动控制工程第三章)减振器的基本原理固体摩擦减振器流体减振器冲击阻尼减振器电磁阻尼减振器3.2 缓冲器(振动控制工程第四章)缓冲的基本原理
19、两类缓冲问题第44页/共67页2023/3/2545减振器的基本原理减振，就是利用各种类型的阻尼耗散振动体的振动能量，从而达到降低振动量值的目的。对减振器的基本要求，就是尽可能多的把振动动能转换为热能，并迅速失散出去。工程中常同时采取隔振或吸振措施，构成减振隔振器和减振吸振器（阻尼隔振器和阻尼吸振器）；在有些工程中，由于工程要求不同或受条件限制，只能采取单纯的减振办法，如轴承减振器。在一些情况下，采用减振器，其结构简单且效果显著，具有明显的工程应用价值。第45页/共67页2023/3/2546减振器的基本原理减振的力学原理fkcutmsin0 阻尼在共振区域减振效果明显；但对于基础激励的减振，
20、当频率比大于 时，阻尼值增大会降低影响减振效果，因此需要根据不同的减振要求，合理选择阻尼。第46页/共67页2023/3/2547减振器的基本原理类型类型减振原理减振原理阻尼特性阻尼特性固体摩擦固体摩擦减振器减振器利用运动件与阻尼件之间以及利用运动件与阻尼件之间以及阻尼件与固定件之间振动时产阻尼件与固定件之间振动时产生的摩擦消耗振动能量生的摩擦消耗振动能量摩擦阻尼摩擦阻尼流体阻尼流体阻尼减振器减振器利用流体的粘性对振动体施加利用流体的粘性对振动体施加阻尼作用阻尼作用粘性阻尼粘性阻尼冲击减振冲击减振器器非完全弹性体相互碰撞时，将非完全弹性体相互碰撞时，将损耗振动能量损耗振动能量冲击阻尼冲击阻尼电
21、磁阻尼电磁阻尼减振器减振器利用金属运动件在磁场内振动利用金属运动件在磁场内振动时产生的涡流与磁场相互作用时产生的涡流与磁场相互作用形成的阻尼来减小振动形成的阻尼来减小振动电磁阻尼电磁阻尼常用减振器的类型、减振原理和阻尼特性常用减振器的类型、减振原理和阻尼特性第47页/共67页2023/3/2548固体摩擦减振器固体摩擦减振器是利用振动体与阻尼件以及阻尼件与固定件之间相互摩擦，以耗散振动能量的装置。固体表面间的摩擦阻尼是一种非线性阻尼，其阻尼值随振幅大小而定。固体摩擦减振器结构简单，对工作环境温度不敏感，且阻尼材料不会在真空中挥发，在工程中应用比较广泛；其缺点是摩擦易受污染与磨损，工作状态需经常
22、调整。第48页/共67页2023/3/2549固体摩擦减振器1、转子减振器 为了降低由旋转机械引起的振动量级，除了在旋转机械的基座安装隔振器外，更重要的应对转子本身采取减振措施，即安装转子减振器。（1）摩擦环阻尼减振器第49页/共67页2023/3/2550固体摩擦减振器（2）摩擦盘阻尼减振器第50页/共67页2023/3/2551固体摩擦减振器（3）转子叶片阻尼减振器第51页/共67页2023/3/2552固体摩擦减振器2、轴承减振器 转轴结构开始运转时，转速从零到工作转速必然要通过临界转速，停止运转时同样如此。为减小通过临界转速时的振动，可采用摩擦式轴承减振器。12345第52页/共67页
23、2023/3/2553固体摩擦减振器3、金属丝阻尼减振器 减振器的弹簧用多股不锈钢丝绳制成，阻尼靠各股金属丝之间的相对运动时的摩擦产生。阻尼值的大小与钢丝绳的直径、股数、长度、缠绕方式等因素有关。213456第53页/共67页2023/3/2554固体摩擦减振器金属丝阻尼减振器特点：（1）既能减振隔振，又能减振缓冲，而且可以消除一般金属隔振器所存在的高频驻波问题；（2）所占用的几何空间小，必要时可采用多级减振装置；（3）具有软化刚度特性，振动幅值越大，刚度越软，隔振系统的共振频率就越低，隔振效果越好。（4）不怕酸、海水、油等侵蚀，不会燃烧，不会老化，适用温差大（-73-260 oC）、腐蚀性强
24、，高真空等恶劣环境。（5）使用寿命长。金属丝阻尼减振器目前正广泛应用于飞机、导弹、舰艇、动力机械以及处于太空、南北极环境中的设备上。第54页/共67页2023/3/2555流体减振器流体在管路或容器中流动时，流体对管壁或容器壁及流体内各部分之间的粘性摩擦就要消耗能量，这就是流体减振器的工作原理；流体减振器可分为液体减振器和气体减振器两类，载荷较小时多采用气体减振器，载荷较大时往往采用液体减振器或液体与气体联合减振；流体减振器结构简单，重量轻，尺寸小，设计制造较容易，使用维护方便，工作稳定，寿命长，常用来防止飞机摆振，和减小船舶、汽车、火车发动机扭转振动。第55页/共67页2023/3/2556
25、流体减振器1、油液减振器 液体减振器通常用油类作介质，故又称油液减振器。比较适用于需要强力减振的场合。油液应满足一定得要求：在较宽的温度范围内保持正常工作，有适当粘度，且粘度不随温度有明显变化，具有较高的沸点和较低的凝固点，要求对金属、橡胶等密封材料没有危害作用。第56页/共67页2023/3/2557流体减振器第57页/共67页2023/3/2558流体减振器3、空气减振器12345612345第58页/共67页2023/3/2559冲击阻尼减振器 冲击阻尼减振器是根据非完全弹性体碰撞时，必然引起振动能量损耗这一原理设计的。具有重量轻，体积小，构造简单等优点，通常用来减小量值不大的高频振动，
26、如机械加工切削刀具的减振等。第59页/共67页2023/3/2560冲击阻尼减振器第60页/共67页2023/3/2561电磁阻尼减振器 电磁阻尼减振器常用于电工仪表中，利用电磁感应原理来阻尼仪表指针的振荡。123VF第61页/共67页2023/3/25623.2 缓冲器缓冲器的机能，就是把系统对 冲击 的响应，即传递力、加速度、相对位移等最大值降到允许限度以下。冲击是一种瞬态现象，特点：冲击作用时，系统间能量传递时间很短；冲击激振函数是非周期的，其频谱是连续的；冲击作用下系统产生的运动为瞬态运动，运动状况与冲击持续时间及系统固有频率有关。第62页/共67页2023/3/2563缓冲的原理 当
27、物体 m 在 时间间隔内受到力 F 的作用，物体发生速度改变 ，物体动量变化取决于冲击力的时间积分，即冲量为式中 为冲击激振函数。当作用时间 比系统固有周期小时，就是所谓的冲击现象。第63页/共67页2023/3/2564缓冲的原理弹簧的缓冲作用弹簧的缓冲作用第64页/共67页2023/3/2565两类缓冲问题第一类缓冲问题冲击激励函数以力的形式作用在设备上，为减少传递给支撑结构或基础的冲击力而设置缓冲装置；飞机机炮发射、煅床冲床工作等。第二类缓冲问题当设备的基础受到冲击激励而产生突然运动，为使传递到设备上的冲击力最小所采取措施；飞机着陆时设备的保护、车辆受到碰撞或急刹车时对车辆设备的保护、集
28、装箱或其它包装受到冲击，对内部设备的保护等。第65页/共67页2023/3/2566两类缓冲问题冲击隔离和振动隔离的区别隔振主要处理稳态现象，振幅较小；缓冲主要处理过渡现象（位移和加速度的最大值），由于振幅较大，非线性问题有时必须加以考虑。隔据器的设计，主要是寻求激振频率和系统固有频率之间的关系，使传递率在一允许的范围内。缓冲的主要问题是所设计的缓冲器应能储存冲击作用时的能量，冲击结束后将此能量以系统作自由衰减振动而释放出来，所以缓冲器实际上是一个储能装置，通过这一装置，使较尖锐的冲击波以较缓和的形式作用在设备上，起到保护作用。第66页/共67页2023/3/2567感谢您的观看！第67页/共67页