隔振测量与评价都有哪些关键问题?

2022-06-27 08:33:03 阅读次数:3884

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摘要:在振动工程控制里面,有很多种隔振设计方法,这些方法都是根据机械振动基础理论和工程经验得到的。但这些方法是建立在简化处理的力学模型之上,模型及其边界条件跟实际的结构还是不太一样。因此,直接进行试验测试是一个重要的、必不可少的手段。

关键词:振动工程控制 隔振设计 东方所 北京东方振动和噪声技术研究所


1.    隔振测量评价的意义是什么?

在振动工程控制里面,有很多种隔振设计方法,这些方法都是根据机械振动基础理论和工程经验得到的。但这些方法是建立在简化处理的力学模型之上,模型及其边界条件跟实际的结构还是不太一样。因此,直接进行试验测试是一个重要的、必不可少的手段。

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2.    隔振器特性测量方法有哪些?

2.1隔振器静刚度测量

原理公式比较简单:K=F/X             (1)

式中: K——静刚度(N/mm)F——作用载荷(N)X——载荷作用下的位移变形(mm)

测定隔振器的静刚度就是测量静载-变形特性,一般是小隔振器用简易的重力方法测试,大隔振器用压力试验机测试。作用载荷与其对应的位移变形关系如图2.1所示。

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2.1 静载荷与变形的关系

2.2隔振器动刚度测量

隔振器的动态特性主要指动刚度和阻尼系数。在实验中将隔振器和质量块构成的一个振动系统进行测量。其系统原型参见图2.2

一般是先测量振动系统的固有频率,然后进行计算得出动刚度,其计算公式2为:

k=m(2πf)2     (2)

式中 k——隔振器动刚度;m——附加质量块质量;f——振动系统固有频率。

常用三种测量方法:1.固有频率和共振频率法  2.半功率点法  3.自由振动衰减法

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2.2 单自由度有阻尼系统

3.    评价隔振效果的指标有哪些?

3.1隔振系统的概念

基于隔振原理分析,无论是单层隔振还是双层隔振,在设计阶段都是用传递率的方法来评估隔振器的好坏,但这是建立在大块式刚性基座的假设之上的。工程上有些场景并不满足这种假设,如下图3.1-1弹性安装系统和图3.1-2刚性安装系统的示意对比。为此引入了两个新的评价指标——插入损失和振级落差。

将机组ZM视作一刚性体,将隔振器简化为一具有一定刚度和阻尼的理想元件。

ZM=jωMZI=K/jω+CZF=F2/V2                (3)

式中F——力 V——振动速度;Z——机械阻抗。

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3.1-2 刚性安装系统

3.2三种隔振评价指标的定义

n  传递率TA定义为传递到底座上的力F2跟扰动力F1的比值,即TA=F2/F1

n  插入损失LI的公式为LI=20lg(V2R/V2),注意这里除了用振动速度,还可以用力、声压等指标评价

n  振级落差D定义为机组在弹性安装情况下,在弹性支撑(隔振器)上、下的振动响应比,即D=V1/V2

3.3评价指标的测量

3.1 隔振评价量与测试难易程度

传递率

插入损失

振级落差

小机组容易,大机组难

容易

由于扰动力及传递力的实测都是难以实现的,因此一般都不用实测方法来获取传递率,而是用插入损失和振级落差的实测来估计传递率。

插入损失的测量比较耗时费力,对于大型机组基本不可能完成。例如图3.3-1所示的船用发电机组。

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3.3-1 船用发电机组

振级落差的问题在于是选用速度级落差,还是加速度级落差。这里就有争论了,一般情况下,偏重考虑结构振动传递,则用速度级落差较好,一般使用如图3.3-2所示的速度传感器拾取信号;如果偏重考虑对人的影响或偏重考虑高频问题时,可用加速度级落差,一般使用如图3.3-3所示的加速度传感器拾取信号。对于单频信号来说速度级落差跟加速度级落差是一样的,但要求用总振级来评价时,必须说明是哪一种方式。工程上机械设备的干扰源往往是有多个频率成分组成的,而弹性支撑装置的阻抗特性也是随频率变化的,因此各个频率下的隔振效果是各不相同的。一般是在频谱图中观察V1(f)V2(f)的变化情况,并以低阶(经验是200HZ以下)主要干扰频率计算的振级落差来评价。

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3.3-2 振动速度传感器(频响:0.17-100HZ

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3.3-3 振动加速度传感器(频响:0.5-5000HZ

 

3.4隔振评价指标对比

传递率的概念是传统的,是建立在大块式刚性基座的假设上的。其缺点是它只是表明了扰动力与传递力之比。并不能反应基座的运动状况,且只适用于低频段。高频振动是以弹性波的形式传播的,与隔振器的刚度无关,主要取决与声阻抗。此外对于非刚性基座,用它来评价隔振效果就显得不够合理。因为在非刚性系统中,由于基座弹性的影响,即使不安装弹性支承,作用到基座上的振动力也将小于扰动力。

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从公式4可知,刚性安装系统中,若基座为弹性支撑(即ZF比较小时),F2R也小于F1

振级落差的最大好处是易于实测,也是目前工程实际中采用得最多的,但它也有缺点。振级落差和机组的阻抗特性ZM无关而只取决于弹性支承和基座的阻抗特性,在隔振器已定的情况下,基座阻抗特性的变化将对振级落差产生很大影响:

Ø  当基座刚性很大时,无论扰动频率怎样变化,基座的振动总是一个很小值,即使是源设计错了,使扰动频率和弹性支承机组的固有频率相一致了,基座的振动也不会很大,以至于得出隔振良好的错误评价。

Ø  当基座刚性不大时,当扰动频率与基座结构的第一阶固有频率相一致,此时振级落差很小,反而得出隔振效果不佳的片面评价。这是因为振级落差是直接在隔振器上、下测量的,受基座支承面板局部振动的影响极大。

备注:

① 基座的刚度指的是隔振器下面基础的刚度,而不是隔振器本身的刚度。

② 在非刚性基座的情况下,还是插入损失评价隔振效果会比较合理,问题是工程上如何通过振级落差的实例来估算插入损失。

3.5隔振评价指标如何选择?

 

3.5 三种评价指标之间的关系

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n  ZF>>ZM时,刚性支座。(LI-LT)差值趋于0,插入损失可替代传递率,经验上范围应该是ZM/ZF0.25;(LD-LT)差值趋于∞,用振级落差就不能替代传递率。这就是为什么陆用机组不用振级落差评价隔振效果的原因。

n  ZF ZM时,中性支座。经验上范围应该是0.7ZM/ZF1.4,(LD-LT)差值趋于0,振级落差可替代传递率,此时不能用插入损失替代传递率,也不能用振级落差替代插入损失。

n  ZF<<ZM时,弹性支座。(LD-LI)差值趋于0,此时插入损失跟振级落差区别很小,但都不能替代传递率。经验上ZM/ZF2.5LD-LI3dB时,可以用振级落差替代插入损失来评价隔振效果。

4.    东方所在隔振测量与评价当中的应用

北京东方所成立30多年,始终致力于振动噪声测试分析技术和测试分析产品的创新研究与开发,对各行各业的用户在隔振测量与评价的应用,提供专业的技术应用工具与服务。

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参考文献:《振动隔离效果的评定》——严济宽

视频讲解:https://www.zhihu.com/zvideo/1448589992604393472