刚度可调的动力减振器设计及应用

　　前言

　　现有的许多机械设备都不同程度地产生振动。在某些情形下,高速机械在启动和停车期间会引起设备支承系统的强烈振动,剧烈振动有可能使生产工艺过程无法顺利进行,甚至造成机器或建筑物的破坏。因此,在机器的使用过程中,应当特别注意机器的减振和隔振。现有的减振和隔振方法很多,其中用振动来抵消或减轻振动就是一种很有效的方法,而且这种动力减振方法具有广泛的适应性。

　　1　动力减振原理

　　典型的动力减振原理如图1所示。其中m1、k1代表主系统(如机器)的质量与支承系统的弹性刚度,m2、k2和c2则代表附加系统的质量、支承弹性刚度和阻尼系数,P^eiXt代表主系统质量所受到的周期性激励。图1系统的振动微分方程可写为

　　2　一种刚度可调的动力减振器设计

　　由文献[2]可知,当取

　　时,所选择的有阻尼附加系统具有最佳的动力减振效果。式(4)和式(5)为人们确定动力减振器的参数提供了理论依据。

　　但在不少生产现场,主振动系统的动力学参数较难确定。因此,恰到好处的动力减振器难以事先设计出来,只能按参数可调情形事先加工制造,现场安装时,可调整其参数,待取得较满意的减振效果后,再紧固之。若生产过程中工艺参数发生变化,出现了新的振动现象,又可再行调整。这类减振器一般按无阻尼情况考虑,并将m2取为定值,弹簧刚度k2则作为可调参数处理。

　　一般,将附加系统的弹性元件做成悬臂梁形式。改变质量块m2在其上的悬挂位置,即可改变k2的大小。悬臂梁的横截面可以是圆形,也可以是矩形。借助于螺纹联接装置,可确保质量块m2在其上方便地移动或紧固定位。根据减振需要,若将悬臂梁水平安装时,则最好设计成对称结构如图2所示。

　　众所周知,当图1中的外部激励频率ω与主系统的固有频率ωn1相等或近似相等时,系统会发生危险的共振现象。为了充分发挥附加系统的减振效果,一般取质量比u=0.1～0.02,对定速运转的机械,可取较小的L值。由式(5)可得阿a=0.909～0.98。附加系统的弹簧刚度

式中ω一般可知,或可用简单方法测定,m1则可由机器铭牌等信息推算出来。据此即可由k2/2值确定图2中悬臂长u值。由于存在某些不可测定因素,故可在求出u最大值的基础上,再适当增加15%左右的长度,以增大k2的调整范围。

　　3　刚度可调动力减振器的应用

　　某地一酒厂用锤片式粉碎机粉碎一种野生植物根茎以作酿酒原料。为了减轻粉尘飞扬,该厂将粉碎设备安装在一砖木结构楼面上,楼下则为封闭性较好的集料室。粉碎机锤片轴转速3000r/min,由17kW电动机经带轮传动。设备使用不久,操作人员发现,粉碎机在启动和停车过程中会引起楼面较强烈的振动。机座的全幅振动量达到3mm以上。为确保建筑物的安全,笔者设计了如图3所示的无阻尼动力减振器。机组及其支承质量估计为m1=460kg,用手持转速表测得楼板强烈振动时,粉碎sm主轴转速约为n1=1400r/min,据此ωn1=πn1/30=145s^-1,取m2=24kg,得u=m2/m1=0.052,则=0.95,ωn2=aXn1=137.8s^-1,于是k2=m2ω²n2=456(N/mm)。