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常用隔振器介紹

     凡是能夠支撐運動設(shè)備動力載荷,具有良好彈性恢復(fù)能力的材料或裝置,都可以作為隔振材料或隔振元件使用。目前工程中標(biāo)準(zhǔn)化的隔振器主要包括如下幾類:金屬彈簧隔振器、橡膠隔振器、鋼絲繩隔振器、金屬橡膠隔振器和空氣彈簧隔振器。本文將介紹以上五種隔振器的特點和常見結(jié)構(gòu)形式,為工程中隔振器的選用提供參考。

 
 
    1. 金屬彈簧隔振器:金屬彈簧制造簡便、價格低廉,具有隔振效率高、安裝更換方便、對工作環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點,因此應(yīng)用廣泛。金屬彈簧包括螺旋彈簧、碟簧、板簧、蝸卷彈簧(又稱發(fā)條彈簧,多用于儲能)以及其他異型彈簧等,其中螺旋彈簧、碟簧和板簧在隔振領(lǐng)域最為常見。碟簧和板簧剛度大,承載能力良好,簧片之間相互摩擦可提供較好的阻尼特性,但由于其制造難度較大、質(zhì)量不易控制、隔振性能一般等原因,不如螺旋彈簧應(yīng)用廣泛。螺旋彈簧具有優(yōu)良的可設(shè)計性和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,可達(dá)到較低的固有頻率(低于5Hz)且性能穩(wěn)定,其缺點在于阻尼過小,往往需要增加阻尼的措施;同時,為保證低頻隔振性能需較大的靜位移。
 
    2. 橡膠隔振器:利用橡膠高分子材料在外載作用下產(chǎn)生原子間距離變化的普彈變形和大分子鏈段的高彈變形,提供彈性和阻尼,達(dá)到隔振、緩沖的目的。橡膠隔振器具有高阻尼特性,能夠有效抑制各方向的振動與沖擊,且結(jié)構(gòu)緊湊,工藝性好,可以做成各種復(fù)雜的形狀。橡膠隔振器在船舶、軌道交通、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。橡膠隔振器一般分為壓縮型、剪切型和壓剪復(fù)合型三種,其中壓縮型橡膠隔振器剛度大,承載能力強,行程小,隔振性能差,適用于靜態(tài)位移小而動態(tài)位移雖短暫但很大的情況;剪切型橡膠隔振器剛度小,隔振性能好,可通過調(diào)整剪切角調(diào)整縱向和橫向剛度,其承載能力較壓縮型差。復(fù)合型隔振器綜合兩者特點。橡膠隔振器缺點在于行程小,剛度受振動頻率影響較大,怕油污,易蠕變老化,性能容易受溫度影響。
 
    3. 鋼絲繩隔振器:鋼絲繩隔振器是以鋼絲繩作為彈性體,利用鋼絲繩股與股、絲與絲之間的摩擦、滑移實現(xiàn)隔振緩沖。鋼絲繩隔振器能夠承受大變形,有漸軟的剛度特性和良好的阻尼特性,具有優(yōu)良的隔振和抗沖擊性能;鋼絲繩隔振器可承受剪切、橫滾和拉壓三向載荷,耐高溫、耐污染、耐老化,其特有的繩結(jié)構(gòu)可抑制金屬隔振器常有的高頻駐波效應(yīng)。鋼絲繩隔振器廣泛應(yīng)用于船舶機械的隔振,也應(yīng)用于交通運輸、航空航天等工程領(lǐng)域。根據(jù)鋼絲纏繞方式不同,鋼絲繩隔振器主要有螺旋形、拱形和鼓形三種。螺旋形鋼絲繩隔振器采用一根鋼絲繩螺旋纏繞于上下夾板,是最常見的鋼絲繩隔振器,其加工難度較小,工藝成熟;拱形鋼絲繩隔振器由數(shù)根不銹鋼鋼絲繩繞制而成,其三向剛度接近1:1:1,穩(wěn)定性比螺旋形鋼絲繩隔振器好,承載能力弱于螺旋形鋼絲繩隔振器;球形隔振器上下夾板呈圓形,穩(wěn)定性也優(yōu)于螺旋形鋼絲繩隔振器,承載能力最強。雖然鋼絲繩隔振器具有良好的性能且應(yīng)用廣泛,但是它因為自身形狀特點,很難和形狀復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)有機地結(jié)合,從而限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。
 
    4. 金屬橡膠隔振器:金屬橡膠隔振器是將一定質(zhì)量的螺旋形金屬絲有序排放模具中冷沖壓成型而成的均值彈性多孔材料,金屬彈簧內(nèi)部有許多孔洞,通過金屬絲的擠壓和摩擦呈現(xiàn)類似橡膠材料的彈性和阻尼性能,同時又保持金屬的優(yōu)異特性。金屬橡膠環(huán)境適應(yīng)性好,具有耐高溫、高壓、高真空、超低溫的特點,不怕真空環(huán)境粒子撞擊,可工作在腐蝕環(huán)境產(chǎn)生老化等特點,并在航天航空領(lǐng)域、大型工業(yè)設(shè)備減振密封領(lǐng)域等得到了實際應(yīng)用,被用于橡膠材料不能應(yīng)用的環(huán)境。金屬橡膠的缺點在于承載能力較弱。
 
    5. 空氣彈簧隔振器:空氣彈簧(又稱氣囊)是在柔性密閉容器中加入壓力空氣(使用壓強一般為0.3~0.8Mpa),利用壓縮空氣產(chǎn)生非線性彈性回復(fù)力,實現(xiàn)隔振和緩沖??諝鈴椈筛粽衿魇抢碚摵蛻?yīng)用較為成熟的一類非線性隔振器,具有承載能力強、固有頻率低、隔振性能好等優(yōu)點。空氣彈簧隔振器的剛度隨負(fù)載的變化而改變,從而保證固有頻率不隨負(fù)載量變化??諝鈴椈筛粽衿鞒龔V泛應(yīng)用于艦載裝備隔振外,還經(jīng)常用于高速列車、機載動力裝置、高級客車、光學(xué)隔振平臺等系統(tǒng)的隔振。按氣囊的結(jié)構(gòu)型式,空氣彈簧隔振器可分成囊式、膜式和復(fù)合式三種。囊式空氣彈簧主要通過橡膠氣囊的撓曲獲得彈性變形,囊式空氣彈簧分為單曲、雙曲和多曲囊式空氣彈簧,曲數(shù)越多,空氣彈簧剛度越多,密封性也越差;膜式空氣彈簧主要依靠橡膠氣囊卷曲獲得彈簧變形,其有效面積變化率比囊式空氣彈簧低,尺寸也較囊式空氣彈簧小,在相同尺寸和壓強下其剛度較囊式空氣彈簧低,但是其高壓密封性不如囊式空氣彈簧;復(fù)合式空氣彈簧兼有兩種變形方式??諝鈴椈傻牟蛔阍谟跉怏w泄漏,長時間的使用會導(dǎo)致隔振器內(nèi)部氣壓減小,直接影響隔振器的隔振性能。
 
       工程上還常見多種隔振材料和阻尼器的組合使用以提升隔振或緩沖效果,如在金屬彈簧外覆蓋橡膠層、金屬彈簧和液壓阻尼器組合使用等;此外,采用雙層隔振系統(tǒng)或浮筏系統(tǒng)亦可進(jìn)一步提出隔振性能。
 
    結(jié)論及展望
 
    當(dāng)然,隔振器的種類不止上述幾種,科研人員也在不斷探究新的隔振機理,如利用周期分布的材料或結(jié)構(gòu)形成聲子晶體可阻止對一定頻率范圍內(nèi)的振動傳播,利用記憶合金材料實現(xiàn)非線性剛度特性等。目前,隔振器逐漸從單一隔振材料向多種隔振材料組合和功能隔振材料的方向發(fā)展;從以隔振為單一目標(biāo)向隔振與隔聲兼容、隔振與抗沖兼容方向發(fā)展;從以位移、加速度等單一物理量隔振向最小能量傳遞和最小振動傳遞率等多目標(biāo)的隔振方向發(fā)展;從單一結(jié)構(gòu)、單一介質(zhì)的無源隔振器向多結(jié)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)、多介質(zhì)和性能可變介質(zhì)的半主動、主被動混合隔振器的方向發(fā)展。

 


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