减振与隔振及方法

一、减振与隔振的概念

减振是工程上防止振动危害的主要手段。

减振可分为主动减振和被动减振。

主动减振是在设计时就考虑消除振源或减小振源的能量或频率，在精密仪器、航空航天设备、大型汽轮发电机组及高速旋转机械中应用较多，但费用昂贵，普通工程机械中应用较少。被动减振有隔振和吸振等。隔振又可分为主动隔振和被动隔振。

为了防止或限制振动带来的危害和影响，现代工程中采用了各种措施，归纳起来有以下几条原则：

1.减弱或消除振源（主动减振）

这是一项积极的治本措施。如果振动的原因是由于转动部件的偏心所引起的，可以用提高动平衡精度的办法来减小不平衡的离心惯性力。对往复式机械如空气压缩机等也需要注意惯性力的平衡。

2．远离振源（被动隔振）

这是一种消极的防护措施。如精密仪器或设备要尽可能远离具有大型动力机械、压力加工机械及振动机械的工厂或车间，以及运输繁忙的铁路、公路等。

3．提高机器本身的抗振能力（主动减振）

衡量机器结构抗振能力的常用指标是动刚度，动刚度在数值上等于机器结构产生单位振幅所需的动态力。动刚度越大，则机器结构在动态力作用下的振动量越小。

4．避开共振区

根据实际情况尽可能改变系统的固有频率（主动减振）或改变机器的工作转速（被动减振），使机器不在共振区内工作。

5．适当增加阻尼（阻尼吸振）

阻尼吸收系统振动的能量，使自由振动的振幅迅速衰减，对于强迫振动的振幅有抑制作用，尤其在共振区内甚为显著。

6．动力吸振（被动吸振）

对某些设备上的测量或监控仪表，采用在仪表下安装动力吸振器的方法可稳定仪表的指针，提高测量精度。

7．采取隔振措施

用具有弹性的隔振器，将振动的机器（振源）与地基隔离，以便减少振源通过地基影响周围的设备，这就是主动隔振或积极隔振；或将需要保护的精密设备与振动的地基隔离，使之不受周围振源的影响，这就是被动隔振。

下面介绍隔振的基本理论。

被隔振的机器或设备与隔振器相比，可认为前者只有质量而不计弹性，后者是只有弹性和阻尼而不计质量，这样在只考虑单方向振动的情形下，可简化为单自由度隔振系统，如图1所示。

图1 a)主动隔振和b)被动隔振

图中m为机器或设备及底座的质量，k和c为隔振器的刚性系数和粘滞阻尼系数。如图1所示，主动隔振的振源是机器本身的干扰力FF=FF0ssss ssωωωω。如果机器直接安装在地基上，则传递到地基的动载荷的最大值等于干扰力的最大值F0。如果机器与地基间装有隔振器，机器的强迫振动方程为

x=B sin(ωt−φ)

其振幅

B=B0

�(1−λ2)2+4ζ2λ2

这时机器通过隔振器传递到地基的动载荷为

()()

sin sin cos cos N k c F F F x

kB t cB t µωϕωωϕ=++=−+−

令

kB

=

B µω

=则动载荷F N 可表示为 )N F ϕθ=+

被动隔振如图1-b 21sin F mx mr t ωω==−

这里1sin x r t

ω=为基础的运动方程。

这两种情况下定义机器传递到地基的动荷载的最大值F Nmax

与F 0的比值K 表示隔振的效果，称为隔振系数或力传递率。因此

max 0

00N F K F == 因 00F B k =

222n n n c c n k

m ωωωζλωωω==⋅=

则隔振系数K 可写为

K =

当0ζ=，隔振系数K 与频率比λ的关系为

21

1K λ=−

对应于不同的阻尼比ζ，可得出一系列的K 随λ变化的曲线如图2所示。

图2

不同阻尼比的隔振系数K 与频率比λ的关系曲线

由此可见：

(1) 不论阻尼大小，欲取得一定的隔振效果，即隔振系数K ＜1，前提条件是：

n

ωλω=

> 即

<因此应采用刚性系数较低的隔振器或适当加大机器底座的质量。频率比λ的值越大，隔振效果越好，在实际应用中常取的频率比 2.5~5λ=。

（2）增大阻尼可减小机器经过共振区时的最大振幅，

但在λ>时却使隔振系数K 增大，即隔振效果降低。因此阻尼的选择应权衡这两方面的得失。工程中ζ值一般选用0.02~0.1范围。

对被动隔振，以机器经隔振后的振幅B 与振源的振幅r 的比值表示隔振效果，也称为隔振系数K ，可求得与上述主动隔振完全相同的公式。

二、隔振材料与减振器

原则上，凡能支承运转设备动力荷载，又能产生弹性变形，并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。下面介绍几种工程中最常用的减振元件和材料。

中高频:

1．钢弹簧

钢弹簧的应用最为广泛，常见的有螺旋弹簧、锥形弹簧、圈弹簧、板片弹簧

δ可以任意选等。尤以螺旋弹簧在机器减振中多见。由于钢弹簧的静态压缩量

st

择，系统共振频率可控制在很低的范围内，其缺点是阻尼特性差，容易传递高频振动，并在运转启动时转速通过共振频率会产生共振。为此，在应用中应附加阻尼措施。

2．钢丝绳减振器

该类减振器能适应现代化产业对振动冲击和噪声控制技术的严格要求，是一种具有优良的振动和冲击性能的新型产品，可有效地降低结构噪声。具有多向弹性变形、非线性软化型刚度、使用与存储方便、重量轻等优点。

3．橡胶类减振器和隔振垫

橡胶是一种较理想的弹性材料，以天然橡胶、丁氰或氯丁橡胶等尤好。板状或块条状实心橡胶受压变形量很小，必须经过加工成图3所示的肋状钻孔或凸台等方可增加受力时的变形量。若需更大的变形量，则可变更橡胶的受力方式。

图3 不同构造型式的橡胶减振垫

4．玻璃纤维板