阻尼减振降噪结构几何参数特性分析

阻尼减振降噪结构几何参数特性分析*

孙大刚诸文农马卫东杨光

【摘要】分析了阻尼减振降噪结构模型中几何参数的特性及其对结构损耗因子的影响。对采用非间隔式阻尼层结构和间隔阻尼层结构几何参数进行了研究，最后对大型履带式拖拉机行走系进行了阻尼减振降噪结构的实际应用和性能对比试验分析。

叙词：阻尼减振降噪几何参数分析

引言

在农业机械中常有需做减振降噪处理的杆、管等对称结构件，若对此类结构件采用不同的减振型式，其减振降噪效果会相差很大。因此有必要对它们进行研究，以获得最佳的减振降噪性能。

1 减振结构模型

对于n弹性约束层组合减振结构(简称组合结构)，采用复刚度方法，用结构的损耗因子来评价其对振动能的损耗率

(1)

式中η——组合结构的损耗因子Z ——组合结构的耦连参

数(复数)

(EI)*——n弹性层复弯曲刚度，E为弹性层材料的抗弯模量，I

为结构横截面对中性层的惯性矩

Y——组合结构的几何参数

Y的通式为

(2)

——组合结构的传递弯曲刚度

式中(EI)

t

——组合结构未耦连时的弯曲刚度

(EI)

——组合结构完全耦连时的弯曲刚度

(EI)

∞

由式(1)知，几何参数Y直接影响到结构的减振效果，故需研究不同的减振结构所形成的几何参数Y对结构的减振性能的影响。

2 对称结构几何参数Y的特性

图1矩形截面减振结构

首先以最常见的矩形截面结构(见图1)为例，其1、3为弹性约束层并以第1层为参考层；第2层为阻尼层。弹性层至中性层0—0的距离D 为

(3)

式中E

1′、E

3

′——第1、3弹性约束层的弹性模量的实部

F 1、F

3

——第1、3弹性约束层横截面的面积

再由式(2)求得

（4）

式中H

31——第3层至第1层中性层的距离B

１

′、B

３

′——第1、3

层复弯曲刚度的实部

K １′、K

３

′——第1、3层复拉伸刚度的实部

通常结构的第1、3层(弹性层)采用同种材料，经对式(4)求极值，

Y/K

１

′=0和Y/

K 3′=0，可得出结论：阻尼层采用对称布置可使结构的Y=Y

max

，此时的

结构对振动能量的损耗率达最大值，若结构布置不当，其损耗因子相差很大，有时η仅为10-3～10-2ηopt数量级。

2.1 管状对称结构(非间隔式)的几何参数

管状对称结构件与矩形结构类似，所选用的阻尼层数、型式、结构几何尺寸不同均会使结构的损耗因子值出现较大的变化。图2为非间隔式阻尼层结构，其特点是结构简单，制作容易，对冲击载荷的缓冲效果好；不足的是其损耗因子达一定值后很难再提高。

图2管状对称(非间隔式)阻尼结构

(a) 单阻尼层结构(b) 多阻尼层结构

对于非间隔式阻尼层结构，多阻尼层结构的减振效果要优于单阻尼层结构。然而，随着阻尼层数的增多，其制品的工艺也变得复杂化。对于图2a，其结构的几何参数Y

对于图2b，其结构的几何参数Y

图3管状对称(间隔式)阻尼结构

(a) 单阻尼层结构(b) 多阻尼层结构

2.2 管状对称结构(间隔式)的几何参数

图3为间隔式阻尼层结构，此类结构是在非间隔式阻尼层结构基础上的发展，其结构的损耗因子值比后者有所提高。当其阻尼层的厚度(相对于弹性约束层)较薄时，对较高频率的振动有着良好的减振降噪效果。因此，该结构适用于结构件的降噪处理。同理，多阻尼层结构的效果要优于单阻尼层结构。此种结构与非间隔式阻尼层结构相比，其性能更好，然而由于其加工工艺比较复杂，成本也要更高些。

而对于图3a结构，未耦连时其弯曲刚度为

(7)

式中N——阻尼层的间隔段数

因为阻尼层厚度H

Ｖ《H

1

、H

2

，故几何参数为

对于图3b结构，其弯曲刚度为

(9)

式中

其几何参数为

3 应用及分析

大型履带式拖拉机在作业时，其行走系的驱动链轮、托带轮、支重轮等件会产生剧烈的振动与噪声。此处以386 kW履带式拖拉机为例，对其驱动链轮和托带轮进行阻尼减振降噪的处理。驱动链轮是连接传动系与行走系的重要部件，由实测知，作用在驱动链轮上的载荷主要为低频大幅值的动载荷。考虑到机器经常需前进和倒退作业，特把驱动链轮设计成内、外轮结构(图4a)。在驱动轮的内轮凸出的圆筒上套装上阻尼减振装置，无论机器前进或倒退(驱动轮正转或反转)，振动载荷分别作用于装置对称的两端，装置均可起到阻尼减振的作用。为最大程度地转换振动能为阻尼材料的变形能，宜选用综合性能良好的天然橡胶为阻尼材料。

图4阻尼减振驱动链轮

(a) 安装结构(b) 阻尼性能

1.外轮

2.链轮齿 4.减振装置 4.内轮

根据对该结构的理论分析及参数优化，采用如图2所示的非间隔阻

尼层式结构。把开发出的驱动链轮安装在电液伺服程控试验机上，按照实际工况进行试验。当采用单、双阻尼层时，其性能如图4b所示。从图中可看出，以双阻尼层与单阻尼层结构比较，双阻尼层结构的损耗因子ηmax增大51%，而其疲劳强度却高出约30%。

经对履带式拖拉机托带轮的测试，知其作业主频率大于200 Hz，主要以噪声形式散逸。把托带轮设计成管状对称阻尼降噪结构(图5a)，

图5阻尼降噪托带轮

(a) 结构(b) 阻尼性能

采用了对高频振动有良好的能量散逸性能的间隔阻尼层结构。图5b为单阻尼层和双阻尼层结构的对比试验结果(试验方法同上)，阻尼材料采用天然橡胶。从图5b中可看出，两种结构对于较高频率振动的损耗因子相差不大，这是由于受到实际结构尺寸的限制，阻尼层的厚度尺寸较小所致。为降低成本，采用3分离段、单阻尼层结构。

经采用上述阻尼减振降噪措施后的大型拖拉机，在其驾驶室内测噪声值，由未采取措施前的100 dB(A)下降至82 dB(A)；驾驶座处地板的振动降低了约17 dB(在振动波为1 700 m/s的岩石上剥离作业)，符合《ISO 2613—1978》的标准。

4 结论

(1) 经对阻尼结构几何参数的研究，掌握了其特性及对阻尼减振降噪结构性能的影响。

(2) 应用时必须对实际结构件的功能及贡献进行综合分析，以获得最佳效果。

收稿日期： 19970805

* 机械部教育司基金项目，山西省自然科学基金资助项目

孙大刚太原重型机械学院工程机械系博士副教授， 030024 太原市