第九章隔振与阻尼

第九章隔振与阻尼第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四学习指南本章主要介绍阻尼与隔振的基本概念、基本原理、基本方法，常用隔振或减振器的应用。简介隔振设计与隔振器选择时，降低振动系统固有频率的计算和阻尼应用。第九章隔振与阻尼第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四第一节振动的危害与评价9.1.1振动的危害与特性1、振动的危害⑴直接危害和影响作业人员⑵干扰和影响居民生活、休息和学习。⑶造成建筑物及仪器设备的损害第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2、振动的特性人体感觉的振动频率分为3段：低频段为30Hz以上；中频段为30～100Hz；高频段为100Hz以上。人体对振动的感觉还与振幅有关。最有害的振动频率是与人体某些器官的固有频率吻合的频率，如人体在6Hz左右，内腔在8Hz左右，头部在250Hz左右，神经中枢在250Hz左右。低于2Hz的振动非常危险。2、振动的特性第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四人对振动的感觉与参数的关系第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四9.1.2

振动的评价量与标准1、振动的评价量⑴振动的位移在研究机械结构的强度、变形和旋转机件不平衡时较为实用，可觉察的位移只发生在低频。⑵振动的速度振动的速度和噪声的大小直接有关，而且能提供表征机器运行工况的振动烈度指示值。9.1.2振动的评价量与标准第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑶振动的加速度从劳保和环保的角度出发，一般采用加速度，因为振动对人的影响实际上是振动能量转换的结果。①计权加速度计算：式中：ki—1/3倍频程频谱中第i频段相应的频率计权因数；ai—1/3倍频程频谱中第i频段实测的加速度有效值，m/s2。振动的加速度第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四②频率计权加速度级（计权振级或振级）计算：式中：aw—频率计权加速度有效值，m/s2；a0—是参考加速度，m/s2，a0=10-6m/s2。计权加速度级第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四③等效连续振级计算：④累计百分振级VLZN常用的百分振级为VLZ10、VLZ50、VLZ90，分别表示有10%时间的Z振级超过VLZ10，有50%时间的Z振级超过VLZ50，有90%时间的Z振级超过VLZ90。等效连续振级与累计振级第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2、环境振动的标准

表9-1城市区域环境振动标准值（dB）适用地带范围昼间夜间特殊住宅区6565居民、文教区7067混合区、商业中心区7572工业集中区7572交通干线道路两侧7572铁路干线两侧8080第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑴适用于连续发生的稳态振级、冲击振动和无理振动。对于每日发生几次的冲击振动，其最大值昼间不允许超过的标准值10dB，夜间不超过3dB。⑵“特殊住宅区”是指特别需要安宁的住宅区。⑶“居民、文教区”是指纯居民区文教、机关区。⑷“混合区”是指一般商业与居民混合区；工业、商业、少量交通与居民混合区。环境振动标准说明项第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑸“商业中心区”是指商业集中的繁华地区。⑹“工业集中区”是指在一个城市或区域内规划明确确定的工业区。⑺“交通干线道路两侧”是指车流量每小时100辆以上的道路两侧。⑻“铁路干线两侧”是指距每日车流量不少于20列的铁道外轨30m外两侧的住宅区。环境振动标准说明项第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四3、环境振动测量实例实例一铁路振动监测⑴测点位置：杭州凯旋路景芳村居民住宅，距沪杭铁路线外轨30m。⑵测量日期：1990年11月5日。⑶地面状况：混凝土地面，坚实、平坦，测点至铁路间有1.6m宽的水泥路面连接。环境振动测量第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑷测量方法①振动传感器轴线垂直地面，距居民住宅外墙0.4m。②仪器“功能选择”开关置“快”，“频率计权”开关置“垂直”③连续测量二十趟列车（包括客、货、机车、上、下行）通过时的最垂向Z振级。测量方法第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑸测量结果序号客/货/机车上/下行VLz序号客/货/机车上/下行VLz1货上行70.011货上行72.52货上行74.812客下行67.83货下行69.713机下行74.44货上行70.514机上行65.65客下行67.915货下行72.76货上行67.616客上行65.27机下行69.617货下行70.68机上行67.218客下行66.99客上行65.019机下行64.210货下行73.620客下行65.4表9-2测量结果表第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四测量结果评价量低于GB10070-88“铁路干线侧”80dB标准值。⑹评价量及评价结果第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四实例二居民住宅区环境振动监测⑴测量范围：杭州市西湖区九莲小区⑵测量时间：1990年11月2日⑶测点设备：在九莲小区东，西、南、北，中各方位设置测点六个，测点位置及编号详见下图。⑷地面状况：混凝土地面，坚实，平坦。环境振动测量第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四①振动传感器轴线垂向地面，距居民楼外墙壁0.5m以内。②仪器连接：感动传感器环境振动分析仪主机微型打印机。③仪器“功能选择”开关置“快”、“频率计权”开关置“垂直”。④采样间隔2秒，采样时间20分钟。⑸测量方法第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑹测量结果各测点的VLZ10值如下：⑺结果评价：九莲小区六个测点的垂直Z振级均低于GB10070-88“居民文教区”昼间70dB、夜间67dB的标准值。测点编号ABCDEFVLz60.058.056.161.658.663.8表9-3测量结果表测量结果与评价第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四9.2.1隔振的基本概念1、隔振概念通过降低振动强度来减弱固体声传播的技术。2、振动传播形式⑴空气声振动能量由振源直接向空气辐射的部分。第二节隔振第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑵固体声通过承载振源的基础，向地层或建筑物结构传递。在固体表面，振动以弯曲波的形式传播，激发建筑物的地板、墙面、门窗等结构振动，再向空中辐射噪声。水泥地板、砖石结构、金属板材等是隔绝空气声的良好材料，但对固体声却有很少衰减。振动传播形式第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四3、隔振的措施隔振是将振源与基础或其他物体的近于刚性连接改为弹性连接，防止或减弱振动能量的传播。实际上振动不可能绝对隔绝，所以通常称隔振或减振。⑴积极隔振降低振源馈入支撑结构的振动能量⑵消极隔振减少来自支撑结构或外界环境的振动传入。隔振的措施第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四机械振动的传播途径第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四1、力传递率定义传递到基础上的力的幅值与作用在m上的力的幅值的比值。通过弹簧和阻尼传递给基础的力为：其幅值为：9.2.2隔振的力传递率第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四按力传递率的定义可得：当系统为单自由度无阻尼振动时，即：阻尼比ξ=0，上式简化为：力传递率第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑴当f<<f0时，外力频率远低于系统固有频率，即图中AB段，Tf=1，说明激振力通过隔振装置全部传给基础，不起隔振作用。⑵当f=f0时，外力频率接近系统固有频率，即图中BC段，说明隔振措施极不合理，不仅不起隔振作用，反而放大了振动的干扰，乃至发生共振，这是隔振设计时应绝对避免的。2、Tf与f/f0及阻尼比ξ关系分析第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四振动的加剧程度取决于阻尼比，从理论上讲，ξ→0时，Tf→∝；随着阻尼比逐渐增大，共振峰趋于平坦。表9-4几种振动材料阻尼比材料名称钢弹簧橡胶软木阻尼比0.0050.02～0.050.062、Tf与f/f0及阻尼比ξ关系分析第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑶当时，Tf=1，系统无隔振作用。⑷当时，Tf＜1，即图中CD段，系统起到隔振作用，且值越大，隔振效果越明显，工程中一般取为2.5~4.5。过大的阻尼比的Tf值不如阻尼小的Tf降低值大，工程中一般选用0.02~0.1。2、Tf与f/f0及阻尼比ξ关系分析第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2、Tf与f/f0及阻尼比ξ关系分析第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑴隔振处理降低的力的振动级差⑵隔振效率3、隔振降噪的估算第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四隔振计算图线第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四9.2.3隔振材料与减振器凡能支承运转设备动力荷载产生弹性变形，在卸载后能立即恢复原状的材料或元件均可作为隔振材料或减振器。第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四⑴螺旋弹簧减振器的使用和设计程序①确定被隔离机器设备的重量和可能的最低激振力频率，要求的隔振效率和安装支点的数目。②由激振力频率和隔振效率查出钢弹簧的静态压缩量X。③由机器设备总重量W和安装支点数N，确定选用弹簧的劲度：1、钢弹簧第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四式中：G—弹簧的剪切弹性系数，N/cm2，对于弹簧钢常取8×106N/cm2；n0—弹簧有效工作圈数；D—弹簧平均直径，cm；d—弹簧直径，cm；c—弹簧圈直径D与弹簧直径d的比值，即D/d,一般为4~10;k—系数，；W0—一个弹簧上的载荷，N；—弹簧材料空许扭应力，N/cm2。对于弹簧钢常取4×104N/cm2。⑵螺旋弹簧的竖向劲度计算公式第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四弹簧的全部圈数n应包括有效工作圈数n0和不工作圈数n1，即n=n0+n1。在n0<7时，可取n1=1.5圈于弹簧两端；在n0>7时，可取n1=2.5圈于弹簧两端。未受载荷的弹簧，其高度H可由下式计算：⑵螺旋弹簧的竖向劲度计算公式第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四①优点：有较低的固有频率（5Hz以下）和较大的静态压缩量（2cm以上），能承受较大的负荷且弹性稳定，耐腐蚀，耐老化，经久耐用，在低频可保持较好的隔振性能。②缺点：阻尼系数小（0.01~0.005），共振区有较高的传递率，使设备产生摇摆；由于阻尼比低，高频区隔振效果差，使用时要在弹簧和基础之间加橡胶，毛毡等内阻较大的垫，以及内插杆和弹簧盖等稳定装置。⑶螺旋弹簧的优缺点第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四金属弹簧隔振器第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四这类隔振器可以分为压缩型、剪切型和压缩-剪切型等。设计和选用时应注意：⑴准确估算其劲度和固有频率，以满足和使承受载荷在其允许范围内。⑵静负荷时的最大压缩量不应超过原长度的10%~15%。2、橡胶隔振器和隔振垫第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四橡胶隔振器第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四橡胶空气隔振器第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四橡胶隔振垫第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四橡胶弹性接管第四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四3、酚醛树脂玻璃纤维板残余变形小，耐腐、防火、不易老化、价格低，是一种良好的隔振材料。4、气体弹簧减振器固有频率低，对高低频振动均可使用，隔振性能好，但制造工艺复杂，价格较高。5、其它隔振措施隔振机座、隔振沟、隔振墙、软连接等。其它隔振元件及措施第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四9.3.1阻尼减振原理振动系统阻尼大小常用系统损耗因数来度量。其定义为：薄板振动时每周期内损耗的能量D与系统的最大弹性势能EP之比除以2π。即板受迫振动的位移和振速分别为：第三节阻尼减振第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四阻尼力在位移dy上所消耗的能量为：阻尼力在一个周期内损耗的能量为：系统的最大势能为：

9.3阻尼减振第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四在共振频率上有：则：。

9.3阻尼减振第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四常用的阻尼材料有沥青、软橡胶和阻尼浆。阻尼浆由多种高分子材料配合而成。主要由基料、填料、溶剂三部分组成。1、基料基料是阻尼材料的主要成分，其作用使构成阻尼材料的各种成分进行粘合并粘结金属板。基料性能的好坏对阻尼效果起决定作用。常用的基料有沥青橡胶和树脂等。9.3.2阻尼材料(Dampingmaterial)第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2、填料填料的作用是增加阻尼材料的内损耗能力和减少基料的用量以降低成本。常用的有膨胀珍珠岩、石棉绒、石墨、碳酸钙和硅石等。一般情况下，填料占阻尼材料的30%~60%.3、溶剂溶剂的作用是溶解基料，常见的溶剂有汽油、醋酸乙脂、乙酸乙酯和乙酸丁酯等。填料与溶剂第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四表9-5几种国产阻尼材料第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四表9-6几种典型的阻尼材料组成比名称成分和重量百分比/%厚白漆软木阻尼材料厚白漆20，光油13，生石膏23，软木粉13，松香水4，水27。沥青阻尼材料沥青57，胺焦油23.5，熟柚油4，蓖麻油1.5，石棉绒14，汽油适量。橡胶-蛭石阻尼材料氯丁橡胶42，酚醛树酯15，蛭石15，石棉1.5，磷酸二苯脂2.5，三硫化钼15，硫酸钙8，混合溶剂适量。沥青-石棉阻尼材料沥青35，石棉50，桐油、亚麻油15。第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四1、自由阻尼结构将一定厚度的阻尼材料粘合或喷涂在金属板的一面或两面形成自由阻尼层结构。当板受振动弯曲变形时，板和阻尼层都允许有压缩和延伸的变形。阻尼振动系统损耗因数表示为：式中：η2—阻尼材料的损耗因数；E2—阻尼材料的杨氏弹性模量；d2—阻尼材料的厚度；E1—基板的杨氏弹性模量；d1—基板的厚度。9.3.3阻尼减振措施第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四对于多数情况，E0/E1的数量级为10-1～10-4，只有较大的厚度比才能达到较高的阻尼。通常取厚度比为2～3时，复合自由阻尼层的损耗因数可以达到阻尼材料的损耗因数的0.4倍。因此，为保证自由阻尼层有较好的阻尼特性，就要有较大的厚度，这也是自由阻尼的缺点。自由阻尼结构第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四约束阻尼层复合结构的损耗因数可表示为：式中：E3、η3—分别为约束板的弹性模量和损耗因数。在实际使用中，基板和约束层的弹性模量相近，复合板的阻尼大小和阻尼厚度无关。如果使用合理，可以使阻尼复合板的损耗因数接近甚至大于阻尼材料的损耗因数。取得较好效果。2、约束阻尼层结构第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四阻尼层结构第五十四页，共