大连理工大学理论力学工程减震自设计实验

1．工程减振背景和探讨背景工程减振在现代工程中应用特别广泛许多工程因为没有考虑共振效应而失败造成经济上的损失和人员上的伤亡。因此其探讨价值不言而喻。工业和运输业中广泛采纳机器作原动力机械振动的危害更加严峻减振要求日益迫切。汽轮机、水轮机和电机等动力机械汽车、火车、船舶和飞机等交通运输工具以及工作母机、矿山机械和工程机械等都沿着高速重载方向发展其振动也日益剧烈。精密机床和精密加工技术的发展中假如离开严格隔振的安静环境工作就不正常,无法达到预期的精度目标。材料工业和建筑工业的发展中广泛采纳高强度的建筑材料建筑高度不断攀升使得建筑受风载激励后振幅达几米之大难以满意舒适和平安要求倘不能减振此类高楼就无法接着发展下去。飞机、导弹、坦克、战车通常在最为恶劣的环境中工作。因此军工部门对减振环节的要求也日渐增多。尤其是如今的精确打击方向的探讨更须要减振理论的支持无论是民用工业还是军事工业其产品性能都及减振技术亲密相关。产品性能又确定了企业的利润效益。因此关于减振的探讨永不过时。对于减振最主动的方法是针对振动的缘由对症下药。引起振动的缘由有许多所以对于不同的振动缘由应实行不同的方法。机电产品绿色设计包括振动工程而振动限制是振动工程的一个重要学科分支。随着科学技术的快速发展、机械的高速化及结构的轻型化大量的工程振动问题不断地涌现引起了机械工作状态的恶化生产效率和工作质量的下降。而机械振动经常是造成机械和结构恶性破坏和失效的干脆缘由。振动使结构的内应力大大增加由于振动产生的交变载荷使结构发生疲惫破坏共振使结构产生不允许的大变形致使结构发生严峻破坏。在有些机械中由于自身作业的环境恶劣再加上振动的存在而引起地基的振动和噪音造成更为恶劣的环境使精密仪器不能正常工作人的劳动条件恶化。工程史上由于振动而引起的失事已屡见不鲜。著名的Tacoma吊桥事务就是一例。该桥长2800尺宽39尺于1940年因风载激起自振历时一小时振动约720周破坏殆尽。所以各种减振系统得到广泛的应用减振系统的探讨也越来越受到重视。除了上述振动导致的危害，随着现代工业的发展以及人民生活水平的提高，人们对减振和降噪的要求越来越高，促使振动限制技术进一步发展。随着技术的进步，几乎全部工业的发展，如汽轮机、水轮机、燃气轮机等动力机械，汽车、火车、飞机、运载火箭，以及挖掘机、推土机等工程机械，都向着高速重载的方向发展，导致振动越来越显著，假如振动问题不加以适当限制往往会引起重大事故，造成设备损毁，并伴随着巨大的生命财产损失。如1988年陕西秦岭发电厂的“2.12”事故，当天下午16时，电厂200MW

5号汽轮发电机组进行提升转速的紧急保安器动作试验，过程中由油膜失稳引起突发性、综合性剧烈振动造成轴系严峻破坏，其中7处对轮螺栓、轴体中5处发生断裂，共断为13段，主机基本毁坏，这次事故造成1名工人腰部被飞出的残片击伤，并引起发电机端部火灾。在制造业，制造零件的精度越来越高，难度越来越大，尤其是精密仪器、宇航零件等的加工，对振动环境的要求越来越严格。在建筑业，各式高楼不断刷新世界纪录，跨海大桥不断涌现，高大建筑物受风载激励后，其振动幅度可能达到几米，要求工程师在设计施工时必需考虑可能带来的平安问题和舒适度问题。2．探讨理论和现状理论振动限制技术分类及特点

振动限制是振动工程领域内的一个重要分支，是振动探讨的动身点及归宿。从广义上说，振动限制包括两方面的内容：一方面是振动的利用，如各类振动机械的研发利用；另一方面是振动的抑制，即尽量减小有害的振动[2]，因为振动加速运转机械的磨损，缩短了产品寿命，使人易疲惫，仪器易失灵。一般的振动限制指的是对有害振动的抑制。振动限制的任务是通过肯定的技术手段使受控对象的振动水平满意人们的预定要求[2]。振动限制技术一般有两种分类方法，一是按限制手段分类，有抑制振源强度、隔振、吸振、阻振、修改结构五种方法[2-5]；另一种是按振动限制过程中是否须要外部能量分类，分为有源限制和无源限制[2]，而有源限制又称为主动限制，无源限制也称为被动限制[6]。

1.2.1

按限制手段分类

1、抑制振源强度

抑制振源强度又称之为消振，这是消退振动的根本方法。由于受控对象的响应是由振源（激励）引起的，外因消退或减弱时，振动响应随之消退或减弱。如对不平衡的刚性或柔性转子，采纳动平衡的方法消退或减弱他们在转动时因质量不平衡出现的离心力及力矩；如高烟囱、热交换器等结构，由于卡门涡旋引起的流激振动，可通过加扰流器的方法破坏卡门涡旋的生成，因而使涡激强度减弱，又如车刀的颤振，可通过加冷却剂的方法减小切削时的车刀及工件之间的摩擦力，破坏出现颤振的条件。

2、隔振

隔振是指在振源和受控对象之间串加一个子系统，该子系统称之为隔振器，用来减小主系统对外界激励的响应。这是一种广泛应用的减振技术，如飞机座舱内仪表板通过隔振器及机体相连，从而减小机体振动向仪表板的传递；动力机械通过隔振器及基础件相连，从而减小机械运转时产生的交变激励力和力矩向基础件的传递。

3、吸振

吸振又称动力吸振，即在受控对象上附加一个子系统，用它产生的反作用力减小或消退受控对象对振源激励的响应，子系统为动力吸振器。这是一种在各领域广泛应用的减振技术，如为减小直升飞机在飞行中机体振动水平而采纳的连于驾驶舱内的弹簧—质量块型吸振器，连在桨毂处的双线摆型激振器及连在桨叶根部的摆式吸振器；高层建筑顶部安装的有阻尼动力吸振器（也称为调谐质量阻尼器）

4、阻振

阻振，又称阻尼减振。其方法为，在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量而使响应减小，如粘贴阻尼材料的汽车壁板能有效地降低车辆在不平路面上行驶引起的随机激励响应，直升机增加桨叶减摆器的阻尼以防止出现动不稳定现象。

5、修改结构

通过修改受控对象的动力学特性参数（如质量、刚度以及阻尼特性参数，惯性原件的质量、转动惯量及分布等）以使其振动满意预定要求，这是一种不须要附加任何子系统的振动限制方案。对于实际存在的受控对象来说，这是个修改结构的问题，对于初始设计阶段的受控对象来说，是个动态设计问题，在工程应用中的产品设计阶段，主要对结构进行修改和优化以降低对外界激励的响应。如在转子系统中，变更转子材料、形态来变更临界转速以满意运用要求。现状动力吸振技术始于1909年Frahm在德国邮船上安装的防摇水箱，这是动力吸振器最早的工程应用[10]。但直到1928年J.Ormondroyd和才推导出了动力吸振原理[11],

首先提出了吸振器优化设计的不动点理论，Hahnkamm基于无阻尼单自由度系统和附加在其上的无阻尼吸振器推出了最优调谐比设计公式[12]。

Brock最终在1946年推导出了最优阻尼的关系，至此，动力吸振器发展形成了一个较为完整的体系。此后，随着工程建设及科学探讨的须要，动力吸振器不断发展，至今已经在各领域广泛应用。

动力吸振器(Dynamic

Vibration

Absorber,

DVA)是通过弹性元件把协助质量连接到振动系统上的一种减振装置[7]

，一般可简化为一个由质量、弹簧、阻尼元件组成的单自由度振动系统。动力吸振器工作时通过调整自身结构形式、动力参数以及及主系统的耦合关系来变更主系统的振动状态，以达到在预期频段上减小主振系强迫振动响应的目的[8]。通过协助质量的动力作用，使吸振器弹性元件在主系统上产生的作用力可以抵消部分或大部分作用在主系统上的外界激振力来减弱主系统振动。相当于把主系统的振动能量转移到了动力吸振器上。3减振方法及减振措施工程中利用强迫振动理论进行消振或减振的方法1.消退振源尽可能减弱振源,使系统所受激励尽可能地小,以致不出现过度动响应。受控对象的响应是由振源(激励)引起的外因消退或减弱,响应自然也消退或减弱。如对不平衡的刚性或柔性转子,采纳动平衡方法消退或减弱它们在转动时因质量不平衡出现的离心力及力矩,另外,还可实行抵消振动的方法,即由限制引起的振动抵消未加限制时的原有振动。2.避开共振区在振源及受控对象之间串联隔振器可以减小受控对象对振源激励的响应。如飞机座舱内仪表板通过隔振器及机体相连从而减小机体振动向仪表板的传递动力机械通过隔振器及基础相连从而减小机械运转时产生的交变扰力和力矩向基础的传递。按隔振的原理可将隔振分为主动隔振和被动隔振。主动隔振就是通过隔振器或隔振材料的作用将由机器干扰力F(t)作用而产生的振动大部分隔离掉,不使之向外传给四周环境。而被动隔振则是将外来的振动位移A通过隔振器的作用,消退其大部分,使设置于隔振器上的精密仪器、设备免受四周环境振动的影响。3增大阻尼实行肯定的措施人为地增加系统的阻尼,以最大限度地消耗振源能量,降低系统的振动水平;增加系统的稳定性。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件通过消耗能量而使响应减小,如直升机增加桨叶减摆器的阻尼以防止出现动不稳定现象——“地面共振”。4动力消振器在受控对象上附加一个动力吸振器,用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应。如高层建筑顶部安装的有阻尼动力吸振器。5结构修改通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满意预定的要求这是一种不需附加任何子系统的振动限制方案目前是特别引人注目的。所谓动力学特性参数是指影响受控对象质量、刚度及阻尼特性的那些参数如惯性元件的质量、转动惯量及其分布。对实际存在的受控对象来说这是个结构修改问题而对处于初始设计阶段的受控对象来说则是个动态设计问题。3.动力吸振器基本概念1吸振将原系统能量转移到附加系统上从而使原系统振动减小。2动力吸振器原理动力吸振是通过增加弹簧质量系统,使之