張功學(xué)，曹海蘭

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安710021)

0 前言

顆粒阻尼技術(shù)作為一項振動被動控制技術(shù)，它將顆粒物質(zhì)填充到振動結(jié)構(gòu)內(nèi)部或附屬的空腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)振動引起顆粒之間以及顆粒與空腔壁之間的非彈性碰撞和摩擦，以此消耗能量，降低結(jié)構(gòu)的振動幅值，從而達到抑制結(jié)構(gòu)振動的目的［1］。

顆粒阻尼器具有減振頻帶寬、減振效果好、成本低和附加質(zhì)量輕等優(yōu)點，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和耐高溫的特點，特別適用于惡劣工作環(huán)境的場合。因此，有很好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)如今顆粒阻尼器在升降機的旋轉(zhuǎn)槳上、飛機的發(fā)動機輪片上、渦輪泵上得到了廣泛的應(yīng)用，在諸多生產(chǎn)線上的機械設(shè)備、載具等的減振控制上發(fā)揮了重要作用。但是由于阻尼顆粒的高度非線性及其影響因素的復(fù)雜性，難以直接進行理論方面的研究，所以文中主要通過試驗方法對安裝有顆粒阻尼器的簡支梁裝置進行研究。

1 試驗方案與內(nèi)容

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括簡支梁、力和加速度傳感器、激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、以及動態(tài)信號分析儀。圖1 為顆粒阻尼試驗裝置示意圖，在試驗過程中，將不同混合種類的顆粒材料放入阻尼器中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號通過功率放大器的放大帶動激振器工作，激振器上裝有壓電式力傳感器，通過激振頭對簡支梁進行激振;簡支梁振動時用加速度傳感器測得其加速度響應(yīng)，加速度傳感器和壓電式力傳感器通過信號調(diào)理器把正弦力信號和采集的加速度信號傳遞給動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，之后借助于裝有DHDAS 基本控制分析軟件的計算機對數(shù)據(jù)進行處理。試驗中采用的簡支梁和阻尼器腔體參數(shù)見表1。

圖1 顆粒阻尼試驗裝置示意圖

表1 主要部件參數(shù)

1.2 試驗內(nèi)容

顆粒阻尼器由顆粒物質(zhì)填充到阻尼容器中構(gòu)成。該試驗中采用的顆粒物質(zhì)有高質(zhì)鋼球狀顆粒和沙子，其中高質(zhì)鋼球狀顆粒直徑有φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15 mm 7 種規(guī)格。金屬盒填充顆粒后密封，通過螺栓聯(lián)接固定于距簡支梁的固定端300 mm的位置，加速度傳感器為LC-0104T 型，靈敏度為100 mV/EU，安裝在距顆粒阻尼器80 mm 的位置。

首先用激振器對簡支梁進行激振，測試簡支梁未加顆粒阻尼器時的加速度幅值。其次在質(zhì)量一定的情況下，在金屬盒中放入不同混合種類的顆粒材料。然后利用激振器產(chǎn)生的正弦簡諧力對簡支梁進行激振，讓梁在豎直方向作簡諧振動，并帶動顆粒阻尼器一起振動。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器來改變激振頻率，該試驗采用的激振頻率分別為20、30、40、60、80、120、140、160、200、250、300、350、400、450、500 Hz，記錄各個激振頻率下簡諧力的幅值和對應(yīng)的加速度幅值。

1.3 設(shè)計實驗方案

影響顆粒阻尼減振特性的因素有:顆粒的填充率、顆粒的粒徑大小、不同密度的顆粒材料、金屬盒的位置、顆粒層的高度以及混合種類的多少［2］。文中主要研究不同混合種類顆粒阻尼對簡支梁減振效果的影響，高質(zhì)鋼球狀顆粒的密度為7 850 kg/m3，沙子的堆積密度大約為1 500 kg/m3。試驗在質(zhì)量一定的情況下，分別對單種顆粒 (φ4)、2 種顆粒 (φ4、φ6)、3種顆粒 (φ4、φ6、φ8)、4種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10)、5種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12)、6 種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14)、7 種顆粒(φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15)、8種顆粒 (φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14、φ15、沙子)混合進行試驗，得到各種混顆粒合種類的試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 振動系統(tǒng)的簡化模型

顆粒阻尼在共振峰附近的減振效果明顯，若激勵頻率在第一階共振頻率附近，系統(tǒng)在該頻帶內(nèi)會呈現(xiàn)單自由度系統(tǒng)的振動性態(tài)［3］。將阻尼梁簡化成單自由度系統(tǒng) (圖2)，方便研究顆粒阻尼在共振頻域內(nèi)的減振特性。

由材料力學(xué)知［4］，簡支梁的剛度為

式中:E 為簡支梁的彈性模量;J 為梁截面彎曲慣性矩，J=bh3/12;l 為簡支梁的長度。

由瑞利法得［5］，簡支梁的固有頻率為:

式中:m 為金屬盒腔體和顆粒的總質(zhì)量;me為簡支梁的等效質(zhì)量。

由以上公式及梁的相關(guān)參數(shù)可得，系統(tǒng)的一階固有頻率為39.54 Hz。在試驗過程中，得到的是加速度的幅值。通過數(shù)據(jù)處理，得出了不同顆?；旌系念w粒阻尼器的振幅與頻率的曲線圖，如圖3所示。

圖3 頻率與振幅的關(guān)系曲線圖

2.2 試驗結(jié)果分析

簡支梁系統(tǒng)在無外加顆粒阻尼器時的最大振幅為73.250 1 μm，加入顆粒阻尼器后，如圖3 所示，一階固有頻率從39.54 Hz 降到30 Hz，并且最大振幅明顯降低。與前人研究結(jié)果類似，顆粒阻尼器的加入對抑制共振區(qū)的振幅起到了很好的減振效果。

但是在非共振區(qū)域尤其在高頻階段看不出其減振效果。因此用減振度評價其減振效果，減振度就是用減振前、后的位移幅值差除以減振前的位移幅值。減振度越大，減振效果越好。繪制簡支梁的減振曲線圖(見圖4)。

對圖4 中(a)、(b)、(c)圖對簡支梁的減振效果進行分析，可以得到如下結(jié)果:

圖4 三種不同顆?；旌蠝p振曲線圖

(1)由圖4 (a)可知，4 種顆?；旌铣祟l率為400 Hz 之外，比2 種顆?；旌媳憩F(xiàn)出更好的減振效果。從整體的趨勢圖來看，3 種顆?；旌弦脖葐畏N顆粒的減振效果好。對比單種顆粒和2 種顆粒混合的情況，激振頻率在20 ～140 Hz 范圍內(nèi)，2 種顆?；旌系臏p振效果優(yōu)于單種顆粒;激振頻率在200 ～400 Hz范圍內(nèi)，單種顆粒的減振效果更好一點，并且在頻率為200 Hz 時，3 種情況下的減振效果達到最佳。從整體來看，3 種顆?；旌蠒r對簡支梁的減振效果更好一些。

(2)根據(jù)圖4 (b)可知，從減振曲線圖整體趨勢來看，4 種顆粒混合比5 種顆?；旌媳憩F(xiàn)出更好的減振效果，6 種顆?；旌媳? 種顆粒混合的減振效果好一些。對比4 種顆粒和6 種顆?；旌系那闆r，激振頻率在20 ～200 Hz 范圍內(nèi)，4 種顆?；旌系臏p振效果與6 種顆?；旌系臏p振效果基本趨于一致。激振頻率在250 ～500 Hz 范圍內(nèi)，4 種顆?；旌系臏p振效果優(yōu)于6 種顆?；旌?。從整體來看，4 種顆粒混合時對簡支梁的減振效果更好一些。

(3)由圖4 (c)可知，從減振曲線圖整體趨勢來看，除了頻率為300 Hz 以外，6、7、8 三種顆粒混合的減振效果基本是相同的。

3 結(jié)論

(1)對8 種顆?；旌系恼w減振效果進行分析，得出4 種顆?；旌蠒r對簡支梁的減振效果最佳。這是因為4 種顆?；旌蠒r，直徑小的顆粒能夠更好地填充到間隙中，顆粒之間的碰撞與摩擦更激烈，以此消耗大量的振動能量。5 種顆粒混合時的減振效果最差，是因為直徑小的顆粒不能很好地填充到間隙中，顆粒相互間的摩擦作用大大降低。

(2)基于上述結(jié)果可知，顆粒阻尼有著較好的減振效果。若汽車在不平的路面行駛時，可以利用顆粒阻尼對其進行減振，提高駕駛的平順性。

［1］艾英，段勇．阻尼器顆粒層高度對阻尼特性的影響［J］．江蘇航空，2011(1):11－15．

［2］夏兆旺，單穎春，劉獻棟．基于懸臂梁的顆粒阻尼實驗［J］．航空動力學(xué)報，2007，22(10):1740－1741．

［3］周宏偉，陳前，段勇．顆粒阻尼系統(tǒng)動力學(xué)特性研究［J］．振動與沖擊，南京:2008，27(5):109－111．

［4］張功學(xué)，候東生．材料力學(xué)［M］．陜西:西安電子科技大學(xué)，2008:119－124．

［5］倪振華．振動力學(xué)［M］．西安:西安交通大學(xué)，1989:48－52．