1、第 1 页 共 38 页吸振器原理在离心脱水机设计改进中的应用摘要为了使离心脱水机在相当大的频率范围内能够平稳的工作,从而满足振动的要求。本文对离心脱水机进行动力学分析,应用吸振器原理对离心脱水机现有的隔振性能进行分析,得出理论上吸振器的参数,再应用 MATLAB 软件仿真得到其运动曲线,编程使之逐渐逼近理想运动曲线,得出一个可调的参数范围。根据理论值可知这个可调的参数范围在允许的误差范围内,所以在给定辅助质量与主质量比的条件下,对离心脱水机的改进可以使其在相当大的频率范围内,主系统的振动小于允许的振动。关键词:吸振器,离心脱水机,MATLAB第 2 页 共 38 页The Using of
2、Absorber Principle in Designing and Impriving the Dehydration Centrifuge MachineAbstractIn order to make the dehydration centrifuge machine work stablely within a large frequency, so that it can meet the requirements of vibration. This article does dynamic analysis of the dehydration of centrifuge m
3、achine. With the absorber principle,take the present isolation of dehydration centrifuge machine for analysising. So that it can gain the parameters of the isolation machine theoretically.Using the MATLAB software to Simulate and then gain the movement of the dehydration centrifuge machine,and then
4、programming,finally make the movement to the progressive approximation of ideal movement. Then make the parameters adjustably.According to the theoretical value ,we know that this adjustable parameters is allowed in the area of error. Therefor,in the conditions of a given quality and supporting qual
5、ity,the improving of the dehydration centrifuge machine can make The vibration of main system less than the the allowed vibration.Key words: absorber, dehydration centrifuge machine,MATLAB1 绪论1.1 研究的目的及意义振动和噪声是工程机械工作时的两大公害。机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机器、仪器和设备,当它们处于运行时,不可避免地存在诸如回转件的不平衡、负载不均匀、结构刚度的
6、各向异性、润滑不良及配合间隙等原因所引起的载荷变动、碰撞和冲击,以及由于使用、运输和外界环境条件下能量的传递、存储和释放都会诱发或激励机械振动 1。于是,如何第 3 页 共 38 页减少振动成为当今研究的主要方面。本次课题研究的是吸振器原理在离心脱水机设计改进中的应用。离心脱水机在工作时会产生很大的噪声,影响设备的工作效率。从现有资料来看,无论是何种设备都需要隔振的措施。传统的减振系统无论如何优化设计都不可能在全频率范围内对振源振动实施有效抑制。自 20 世纪年代以来,工业发达国家开始研究基于振动控制的隔振系统。隔振的作用是减小振源和被隔振物体之间的动态耦合,从而减少不良振动传递给被保护物体或
7、从物体传出 2。通常情况下,机械振动是有害的。振动往往会破坏机器的正常工作和原有性能,振动产生的动载荷使机器加快失效,产生噪声,恶化劳动条件和环境,甚至损坏设备造成事故。但机械振动也有可利用的一面,如输送、夯实、捣固、清洗、脱水、人工时效等设备中利用机械振动工作的振动机械,只要设计合理,它们都有耗能小、效率高、结构简单等优点 3。例如本次课题研究的离心脱水机就是利用振动来进行工作的,但是理想的状况是振动只用于工作而不对外界产生影响,于是就要采用隔振技术对其加以改进,从而更适合我们生产的需求。1.2 隔振技术的现状根据现有资料显示,国内外为减少振动对工程机械的影响,采取了很多隔振的措施,但总结起
8、来主要有以下三种:橡胶隔振,螺旋钢丝隔振和液压隔振。橡胶隔振传统的振源采用弹性支承降低振动,隔振装置结构简单,成本低,性能可靠。压缩型结构简单,制造容易,应用广泛。剪切型自振频率较低,但强度不高。这是目前国内外最广泛采用的。钢丝绳作为减振元件具有低频大阻尼和高频低刚度的变参数性能,与传统的橡胶减振器相比具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化以及体积小等优点,隔振效果主要取决于它的非线性迟滞特性。具有抗油、抗腐蚀、抗温液压支承系统是传统橡胶支承与液压阻尼组成一体的结构,在低频率范围内能提供较大的阻尼,对离心脱水机大幅值振动起到迅速衰减的作用。以上三种隔振方法是当今国内外隔振的主要方法。1.3
9、本文的主要工作研究吸振器原理如何应用在离心脱水机的设计改进中,使得离心脱水机在工作时能够保持更加平稳的态势,减少振动对设备的不良影响,增加设备的使用寿命,提高工作效率。第 4 页 共 38 页(1) 在熟练掌握振动学的基础上建立离心脱水机的动力学模型。(2) 对系统动力学模型进行受力分析,得出运动学方程,变换成矩阵形式即得系统的数学模型。(3) 计算系统的有关参数,得出放大因子和频率比的函数关系式(4) 在 MATLAB 环境下编程实现函数关系式,并得到图像,分析所得图像,在不改变原有质量比的条件下,根据吸振器原理选择最佳刚度比和最佳阻尼比。2 振动及隔振技术 2.1 振动简介机械振动是一种特
10、殊形式的机械运动。可解释为:机器或结构物在其平衡位置附近所作的“往复运动” 。一个振动系统包括了三个方面:输入,输出和系统模型(或系统特性) 。输入就是动载荷,可以是力,力矩等,也可以是运动量或称为振动环境。输出就是响应,包括系统的位移,速度,加速度或内力,应力和应第 5 页 共 38 页变等。日常生活中,每时每刻都有振动现象存在,如心脏的跳动,琴弦的拨动,车辆在不平路面上行使时车厢的振动等。在动力机械中也存在着大量的振动的问题,如柴油机在工作时,由气缸内气体的压力和运动部件的惯性引起的轴系振动;汽轮发电机转子不平衡或不均匀电网负荷引起的轴系、机壳和基础的振动;燃气轮机叶片受不均衡燃气作用产生
11、的叶栅振动等 4。有许多振动现象对人类有益或能为人类所利用,如琴弦拨动产生的音乐和各种振动机械。但对于大多数机械和结构,振动往往是有害的,它不仅使机器的精度和其它性能降低,而且使构件中增加了附加动应力,缩短了构件的寿命,甚至酿成大地震使房屋倒塌,桥梁毁坏,公路瘫痪;舰船轴系振动引起推进轴断裂,使舰船丧失战斗能力;汽轮发电机组剧烈振动而断轴,引起机毁人亡事故等。研究机械振动学的目的有两方面,一是掌握机械振动的规律,利用振动为人类造福;二是设法减少振动的危害。机械振动可按不同的方式进行分类1.按产生振动的输入特性,可分为自由振动、受迫振动和白激振动 3 类自由振动 系统受到初始激振作用后,仅靠其本
12、身的弹性恢复力“自由地”振动的特性仅决定于系统本身的物理持性(质量 m、刚度 A);受迫振动 又称强迫振动,系统受到外界持续的激振作用而“被迫地”进行振动特性除决定于系统本身的持性外,还决定于激振的特性;自激振动 有的系统由于具有非振荡性能源和反馈特性,从而引起一种稳定的振动。2.按振动的周期性,可分为周期振动和非周期振动两大类周期振动 振动系统的某些物理量(如位移、速度、加速度等),在相等的时间间隔内作往复运动。往复一次所需的时间间隔称为“周期” ;每经过一个周期以后,运动又重复前一周期的全过程(如图 11 所示)。非周期振动 即瞬态振动,振动系统的物理量的变化没有固定的时间间隔,即没有的周
13、期(如图 l2 所示)。第 6 页 共 38 页图 1-1 周期震动 图 1-2 非周期震动3.按振动的输出特性,可分为简谐振动,非简谐振动和随机振动简谐振动 可以用简单正弦函数或余弦函数表述其运动规律的振动,显然,简谐振动属于周期性振动。非简谐振动 不可以直接用简单正弦函数或余弦函数表述其运动规律的振动,如图 1-1 所示的振动。非简谐振动也可能是周期性振动。随机振动 不能用简单函数或简单卤数的组合来表述其运动规律,而只能用统计的方法来研究其规律的非周期性振动。4.按振动系统的结构参数的特性,可分为线性振动和非线性振动线性振动 振动系统的惯性力、阻尼力、弹性恢复力分别与加速度、速度、位移成线
14、性关系,能够月常系数线性微分方程表述的振动;非线性振动 振动系统的阻尼力或弹性恢复力具有非线性性质,故只能用非线性微分方程表述的振动。5.按振动系统的自由度数目分类,可分为单自由度和多自由度系统振动单自由度系统的振动 确定系统在振动过程中任何瞬时的几何位置,只需要一个独立坐标的振动;多自由度系统的振动 确定系统在振动过程中任何瞬时的几何位置,需要多个独立坐标的振动。弹性体具有无限多个自由度,因此需用无限多个独立坐标确定系统在振动过程中任何瞬时的几何位置。6.按振动位移的特征分类,可分为纵向振动、横向振动、扭转振动和摆振动纵向振动 振动体上的质点沿轴线方向发生位移的振动。横向振动 振动体上的质点
15、在垂直于轴线方向发生位移的振动。扭转振动 振动体上的质点作绕轴线方向发生位移(角位移)的振动。 纵第 7 页 共 38 页向振动和横向振动又统称为宜线振动,扭转振动又称为角振动。摆振动 振动体上的质点在乎衡位置附近作弧线运动 。2近年来,隔振技术日益受到人们的重视,究其原因,主要有两个方面:一方面,我们周围的振源强度在不断加大,例如,机械运转速度不断增加、越野汽车和四缸内燃机数量剧增、切削刀头不断改进使得机床能进行更重型的切割;另一方面,工程中对振级的限制越来越严格。这主要是由于工程中所需求的精度越来越高、测量仪器的灵敏度显著提高、一些更容易被激振的轻型结构被广泛应用,人们对固定结构、交通工具
16、等的高舒适性要求给厂家带来越来越大的竞争压力等。为了解决这些相互矛盾的问题,人们需要不断改进振动防护方法。隔振就是研究物体之间振动的传递关系,减小相互间所传递的振动量。隔振一般分为两类:第一类称为隔力,即通过弹性支撑来隔离振源传到基础的力;第二类称为隔幅,即通过弹性支撑减小基础传到设备的振动幅值。在这两类问题中,弹性支撑均为隔振器。2.2 隔振的作用隔振是振动防护中使用的最为广泛的一种方法,该方法通过一个包含了特殊装置的辅助系统将振动系统和被保护物体隔离开来,这种特殊装置称为隔振器 3。离心脱水机的工作速度是在一个比较大的范围内变动,要消除其振动,就产生了有阻尼吸振器,由质量 ,弹簧 和粘性阻
17、尼器 组成的系统。隔振的作用2m2kc是减小振源和被隔振物体之间的动态耦合,从而减小不良振动传递给被保护物体或从物体传出。减小这种动态耦合的同时也会产生一些“负面”影响,例如,增加振源和被保护物体之间的静态位移,增加它们之间的低频和瞬时相对位移,以及增加安装的尺寸、重量和成本等。隔振的目的各不相同。有时被隔振物体是稳态振源或者冲击源,它们以动态力或振动力的形式传递到基座或者基础部分,此时,隔振的目的就是阻止或者减小这种力传递到基础;有时被隔振物体对振动非常敏感,因而此时的隔振目的就是为了保护被隔振物体免受从振源传递过来的稳定或瞬时振动的破坏。还有些被隔振物体在工作过程中对振动非常敏感,而它内部
18、元件运动时却能产生不希望的动态载荷。汽车发动机与此类似却略有不同,一方面,发动机产生的振动能传递给汽车中的乘员,而另一方面,又必须保护发动第 8 页 共 38 页机不受由于路面不平而产生的强烈振动的破坏。相应地,从被隔振物体到基础或者反过来从基础到被隔振物体之间的振动力或者位移的传递都是我们感兴趣的。这些传递取决于动态输入的频谱成分和系统的自然频率、自然模态之间的关系。同时,它们还取决于隔振器的刚度、被隔振物体和基础的有效质量 4。2.3 隔振效果评估隔振的目的是为了减小振动的传递。对于工程实践中具体的隔振设计而言,人们最关心的无疑是通过隔振,被保护对象的振动量级获得了多大程度的衰减或控制。在
19、隔振设计时,对系统的结构参数优化设计一般是围绕隔振效率展开的。因此,效果评估指标的确定是效果评估体系的核心内容。完整的效果评估体系应包括两方面的内容:其一是对系统的隔振效果进行理论分析预测;其二是对实际隔振效果进行测定。目前常用的隔振效果评估指标有力传递率、插入损失、振级落差、功率流等。一般以力传递率作为隔振效果的理论预测依据;但是对于实际效果的测定,由于力传递率是不易测量的,因而通常采用插入损失或振级落差来评定各种实际系统的隔振效果。力传递率是最早的隔振效果评估指标,定义为传递至基础的力与激励力之比。隔振系统的插入损失定义为采取隔振措施前后基础响应的有效值比的常用对数的20 倍。随着所选取的
20、基础响应的不同,相应地有位移插入损失、速度插入损失和加速度插入损失。振级落差定义为被隔振设备振动响应的有效值与对应基础响应的有效值之比的常用对数的 20 倍。振级落差有时又被称为传输损失。振级落差的测量比较容易实现,也是实践中用得最多的。根据所测得量分为速度振级落差和加速度振级落差,振动的传递主要是能量的传递,速度能代表传递能量的大小;而在测量中,一般都使用加速度传感器,所以用加速度振级落差来评价隔振系统的隔振效果 5。2.4 隔振元件隔振元件的种类很多,其中应用最广泛的有 3 种,它们有着各自的特点。2.4.1 橡胶隔振元件橡胶支承一般安装在车架上,根据受力情况分为爪缩型。剪切型和压缩一剪切
21、复合型等。压缩型结构简单,制造容易。应用广泛,且由于自振频率较高,一第 9 页 共 38 页般限于垂直方向上使用,剪切型自振频率较低,但强度不高,压缩剪切复合型综合了前面两种结构的优点。可以满足耐久性和可靠性要求。这是目前国内外最广泛采用的。为了使隔振橡胶支承系统具有较好的隔振性能参数。在要求一个方向的弹簧常数不变,其他方向刚度加强的情况下可采取在橡胶中间加入钢板来改交压缩剪切的弹簧常数。这样也可使外形尺寸减小。橡胶隔振元件是利用橡胶本身的弹性来起弹性元件的作用。它可以承受压缩载荷与扭转载荷。用橡胶和橡胶材料与骨架材料复合制成的功能装置或者特殊的橡胶粘弹性高阻尼材料来消除振动源产生的振动冲击的
22、传递和噪音传播,是理想的方法。 橡胶隔振器具有以下的优点: (1) 可随意选择橡胶的结构形态 ,调整橡胶配方组份来控制硬度 ,满足对各方向刚度和强度的要求; (2) 有适当的阻尼 ,有利于越过共振区 ,衰减高频振动和噪音。其阻尼比随橡胶硬度的提高而增加 ,一般在 0.050.15; (3) 冲击刚度高于静刚度和动刚度,有利于冲击变形。常用橡胶隔振器来降低各种工业机械,车辆,办公自动化设备,家用电器的振动源产生的振动 6。2.4.2 弹簧隔振元件以金属作为弹性材料的隔振元件称为金属弹簧隔振元件。其特点如下:(1)对环境的反应不敏感,可在油污、高低温恶劣环境中使用,不易老化,性能稳定。(2)它的动
23、刚度系数和静刚度系数基本相同,而且刚度的范围很大;不但能做的非常柔软(小于 3 赫) ,亦能做的非常刚硬。金属弹簧适用于静态位移要求较大的隔振器。当工作应力小于屈服应力时,弹簧不会产生蠕变。但是,应力超过屈服应力时,即使是瞬时也会使弹簧产生永久变形,因此,使用时应保证动态应力不超过弹性极限。(3)弹性过小时(D0.005 )容易传递高频振动,或者由于自振(如在 150400赫之间)而传递中频振动。在经过共振区时,设备会产生过大的振幅,有时需要另加阻尼器或在金属隔振器中加入橡胶垫层、金属丝网等,以克服这一缺点。(4)弹簧的计算设计比橡胶的简单,不仅资料比较成熟,且本身刚度可以制造的相当标准。第
24、10 页 共 38 页以钢丝绳为例:钢丝绳作为隔振元件具有低频大阻尼和高频低刚度的变参数性能,因而能有效地降低机体振动。与传统的橡胶隔振相比,具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化以及体积小等优点。2.4.3 金属丝阻尼隔振元件利用金属丝间的摩擦阻尼隔振的隔振元件称为金属丝阻尼隔振元件,其特点如下:(1)既能减振隔振,又可减振缓冲,而且可以消除一般金属隔振器所存在的高频驻波问题;(2)所占的几何空间小,故必要时可采用多级隔振装置;(3)具有软化刚度特性。振动幅值愈大,其刚度愈软,故隔振系统的共振频率就愈低,这样,隔振效果就愈显著;(4)不怕酸、海水等侵蚀,不会燃烧,也不会老化,适用于温差大(-73 260 ) ,腐蚀性强,真空度高等恶劣环境;(5)使用寿命长。由于橡胶隔振元件对环境要求较高,需经常更换;金属弹簧隔振元件由于水平刚度低,易晃动,不宜于精密设备的隔振,而金属丝阻尼隔振元件能在一定程度上克服这两种隔振元件的缺点 7. 2.5 吸振器简介2.5.1 无阻尼吸振器我们研究如图 2.1 所示的无阻尼吸振器系统